專利名稱：斷路器真空度在線檢測(cè)裝置及電位信息捕獲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)高壓開關(guān)狀態(tài)在線檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種斷路器真空度在線檢測(cè)裝置及電位信息捕獲傳感器。
技術(shù)背景 斷路器是電力系統(tǒng)中的安全衛(wèi)士，在系統(tǒng)中起著控制和保護(hù)雙重作用。作為高壓開關(guān)的主導(dǎo)產(chǎn)品，高壓真空斷路器在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家電力工業(yè)的發(fā)展水平，其健康狀況、工作性能同電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益密切相關(guān)。在真空斷路器狀態(tài)評(píng)判與故障診斷研究中，真空度是決定真空斷路器開斷能力的主要因素之一，因此真空斷路器的真空滅弧室內(nèi)真空水平及其檢測(cè)一直以來都成為研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)電流的正常分?jǐn)嗯c滅弧，通常要求真空滅弧室內(nèi)的壓強(qiáng)一般不高于某一數(shù)值(10_2Pa)。目前真空斷路器真空度的保持與檢測(cè)，普遍采用離線檢修，即在實(shí)行定期檢修的時(shí)候采用離線裝置和試驗(yàn)方法，對(duì)真空滅弧室的真空度進(jìn)行檢查。離線方法強(qiáng)制性的規(guī)定一定的檢修周期，其原則是“到期必修，修必修好”，具有相當(dāng)?shù)拿つ啃院蛷?qiáng)制性，實(shí)踐表明計(jì)劃性檢修相當(dāng)部分工作沒有實(shí)際意義而且是多余的，結(jié)果就是造成了設(shè)備的“過度檢修”。如果恰逢檢修過后遇到設(shè)備狀態(tài)缺陷，但是在檢修過程中沒有完全暴露出來，沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)又投入運(yùn)行，這時(shí)又會(huì)出現(xiàn)設(shè)備的“檢修不足”。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的規(guī)劃和應(yīng)用發(fā)展，對(duì)電氣裝備的智能化和狀態(tài)檢修體制提出了更高的要求，因此如何實(shí)現(xiàn)真空斷路器真空度的在線檢測(cè)是目前所要解決的問題之一。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種斷路器真空度在線檢測(cè)裝置及電位信息捕獲傳感器，其能夠?qū)崿F(xiàn)真空斷路器真空度的在線檢測(cè)。為解決上述問題，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型一種斷路器真空度在線檢測(cè)裝置，主要由電位信息捕獲傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)字濾波單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、查表計(jì)算單元、存儲(chǔ)單元、現(xiàn)場(chǎng)顯示器和遠(yuǎn)程通信接口組成；其中電位信息捕獲傳感器的輸出端經(jīng)由信號(hào)調(diào)理單元與數(shù)字濾波單元的輸入端相連；數(shù)字濾波單元的輸入端通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入端；查表計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元相互連接；存儲(chǔ)單元的輸出端分別與現(xiàn)場(chǎng)顯示器和遠(yuǎn)程通信接口連接。所述的電位信息捕獲傳感器主要由絕緣殼、電屏蔽層、磁屏蔽層、環(huán)氧樹脂、電位捕獲電極、電容耦合器件、信號(hào)輸出口組成；絕緣殼為前后端面閉合的中空柱形腔體；電屏蔽層和磁屏蔽層均為前后貫通的中空筒狀；電屏蔽層和磁屏蔽層相互嵌套后貼附于絕緣殼的內(nèi)側(cè)壁上；經(jīng)由金屬材料構(gòu)成的圓盤狀的電位捕獲電極設(shè)置在絕緣殼的內(nèi)腔中，電位捕獲電極靠近絕緣殼的前端面、且電位捕獲電極與絕緣殼同軸設(shè)置；電位捕獲電極的一端與信號(hào)輸出口的負(fù)極相連，電位捕獲電極的另一端經(jīng)電容I禹合器件與信號(hào)輸出口的正極相連；環(huán)氧樹脂燒筑于絕緣殼的內(nèi)腔中；[0007]上述裝置中，所述電屏蔽層嵌套在磁屏蔽層的內(nèi)側(cè)。本實(shí)用新型一種電位信息捕獲傳感器，主要由絕緣殼、電屏蔽層、磁屏蔽層、環(huán)氧樹脂、電位捕獲電極、電容耦合器件、信號(hào)輸出口組成；絕緣殼為前后端面閉合的中空柱形腔體；電屏蔽層和磁屏蔽層均為前后貫通的中空筒狀；電屏蔽層和磁屏蔽層相互嵌套后貼附于絕緣殼的內(nèi)側(cè)壁上；經(jīng)由金屬材料構(gòu)成的圓盤狀的電位捕獲電極設(shè)置在絕緣殼的內(nèi)腔中，電位捕獲電極靠近絕緣殼的前端面、且電位捕獲電極與絕緣殼同軸設(shè)置；電位捕獲電極的一端與信號(hào)輸出口的負(fù)極相連，電位捕獲電極的另一端經(jīng)電容耦合器件與信號(hào)輸出口的正極相連；環(huán)氧樹脂澆筑于絕緣殼的內(nèi)腔中。·上述傳感器中，所述電屏蔽層嵌套在磁屏蔽層的內(nèi)側(cè)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn)I.基于電介質(zhì)物理學(xué)和真空絕緣與放電理論，建立了高壓真空滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)與介電常數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而給出滅弧室工作條件下真空度(以滅弧室內(nèi)氣壓P表示)與介電常數(shù)的聯(lián)系機(jī)理公式；基于真空度與介電常數(shù)的關(guān)系，基于電磁感應(yīng)原理建立真空度與真空斷路器懸浮屏蔽罩上感應(yīng)電位(交流分量和直流分量)的關(guān)系，屏蔽罩上電位可以通過電位信息捕獲傳感器獲?。?.采用Ansoft仿真軟件建立了 P(真空度)(介電常數(shù))、L(介電常數(shù))-U(屏蔽罩電位)之間聯(lián)系的分析模型，通過Ansoft和Matlab協(xié)同建模得到真空度P(真空度)-U (屏蔽罩電位)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而為高壓真空斷路器滅弧室內(nèi)真空度在線檢測(cè)方法提供了理論依據(jù)。3.屏蔽罩電位探測(cè)傳感器裝置基于電磁感應(yīng)原理采用電容耦合與分壓方式，可以靈敏、準(zhǔn)確地捕獲屏蔽罩電位(交流分量和直流分量)的特征；4.斷路器真空度在線檢測(cè)裝置采用屏蔽罩電位探測(cè)傳感器采集屏蔽罩電位信息，并通過處理中心將捕獲的屏蔽罩電位信息進(jìn)行查表處理后得到滅弧室真空度P，為真空斷路器的在線檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供了測(cè)試與應(yīng)用平臺(tái)。

圖I為斷路器真空度在線檢測(cè)裝置原理圖。圖2為電位信息捕獲傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為斷路器真空度在線檢測(cè)方法現(xiàn)場(chǎng)安裝布置結(jié)構(gòu)圖。圖4為圖3中放大的電位信息捕獲傳感器安裝布置結(jié)構(gòu)圖。圖5為斷路器真空度在線檢測(cè)方法原理圖。圖中標(biāo)號(hào)1、絕緣殼；2、電屏蔽層；3、磁屏蔽層；4、環(huán)氧樹脂；5、電位捕獲電極；
6、電容I禹合器件；7、信號(hào)輸出口。
具體實(shí)施方式
一種斷路器真空度在線檢測(cè)裝置如圖I所示，主要由電位信息捕獲傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)字濾波單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、查表計(jì)算單元、存儲(chǔ)單元、現(xiàn)場(chǎng)顯示器和遠(yuǎn)程通信接口組成。其中電位信息捕獲傳感器的輸出端經(jīng)由信號(hào)調(diào)理單元與數(shù)字濾波單元的輸入端相連；數(shù)字濾波單元的輸入端通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入端；查表計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元相互連接；存儲(chǔ)單元的輸出端分別與現(xiàn)場(chǎng)顯示器和遠(yuǎn)程通信接口連接。電位信息捕獲傳感器采集的斷路器真空滅弧室屏蔽罩的電位信息經(jīng)過信號(hào)調(diào)理單元與數(shù)字濾波單元的調(diào)理和濾波后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換單元中，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，該數(shù)字量作為查表計(jì)算單元的輸入進(jìn)行查表，查表結(jié)果輸出為待檢測(cè)的真空度數(shù)值，存儲(chǔ)該數(shù)值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元在檢測(cè)裝置中央處理器的控制下進(jìn)行輸出值現(xiàn)場(chǎng)顯示器實(shí)現(xiàn)顯示以及遠(yuǎn)程通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送通信。上述電位信息捕獲傳感器可以采用現(xiàn)有就是已知的電位捕獲傳感器，但為了更適于捕獲斷路器屏蔽罩的電位信息，在本實(shí)用新型中，所述電位信息捕獲傳感器如圖2所示，其主要由絕緣殼I、電屏蔽層2、磁屏蔽層3、環(huán)氧樹脂4、電位捕獲電極5、電容耦合器件6、信號(hào)輸出口7組成。絕緣殼I為前后端面閉合的中空柱形腔體。電屏蔽層2和磁屏蔽層3均為前后貫通的中空筒狀。電屏蔽層2和磁屏蔽層3相互嵌套后貼附于絕緣殼I的內(nèi)側(cè)壁上。在進(jìn)行相互嵌套時(shí)，電屏蔽層2可以嵌套在磁屏蔽層3的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。在本實(shí)用新型中，所述電屏蔽層2嵌套在磁屏蔽層3的內(nèi)側(cè)。經(jīng)由金屬材料構(gòu)成的圓盤狀的電位捕獲電 極5設(shè)置在絕緣殼I的內(nèi)腔中，電位捕獲電極5靠近絕緣殼I的前端面、且電位捕獲電極5與絕緣殼I同軸設(shè)置。電位捕獲電極5的一端與信號(hào)輸出口 7的負(fù)極相連，電位捕獲電極5的另一端經(jīng)電容稱合器件6與信號(hào)輸出口 7的正極相連；環(huán)氧樹脂4燒筑于絕緣殼I的內(nèi)腔中。上述電容耦合器件6為類電容器件，最簡(jiǎn)單的可以為一個(gè)電容，但為了提高電位捕獲的精度，該電容耦合器件6可以復(fù)雜的電容類器件。電位信息捕獲傳感器采用的耦合體為電容類器件，它的工作需要與前端電位捕獲電極5配合；整個(gè)電器工作單元采用環(huán)氧樹脂4澆筑在特定尺寸和結(jié)構(gòu)的高壓絕緣子內(nèi)，在絕緣子內(nèi)壁分別由2層圓筒狀的磁和電屏蔽層2，這樣可以增加每相電位信息捕獲傳感器信號(hào)拾取的選擇性和準(zhǔn)確性，避免其他相別信號(hào)的干擾；在傳感器的背部有信號(hào)輸出接口，一般采用同軸電纜或屏蔽雙絞線，將傳感器的輸出信號(hào)引出，送入后續(xù)監(jiān)測(cè)和處理模塊單元。另外，耦合體也可以采用線圈形式或電感元件，來耦合滅弧室周圍的電磁場(chǎng)變化，此時(shí)基于電磁感應(yīng)和巴申定律，只能定性判斷滅弧室真空度是否到達(dá)劣化的臨界和極限條件。本文采用的分析方法與之有較大區(qū)別，就是在較大的真空變化范圍內(nèi)均能通過屏蔽罩上電位信息定量反映滅弧室內(nèi)真空度狀況。電位信息捕獲傳感器直徑和高度根據(jù)所監(jiān)測(cè)真空斷路器滅弧室的類型和結(jié)構(gòu)根據(jù)電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行理論計(jì)算得到，目的是使電位信息捕獲傳感器能夠明顯耦合屏蔽罩電位信息，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠拾取即可。電位信息捕獲傳感器具體結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)的確定，根據(jù)待監(jiān)測(cè)真空斷路器結(jié)構(gòu)和滅弧室參數(shù)確定。圖3為高壓真空斷路器滅弧室內(nèi)真空度在線檢測(cè)方法現(xiàn)場(chǎng)安裝布置結(jié)構(gòu)圖。圖4為高壓真空斷路器滅弧室內(nèi)真空度在線檢測(cè)方法電位信息捕獲傳感器的安裝布置圖。每個(gè)開關(guān)柜或者真空斷路器由3相構(gòu)成，每一相采用本實(shí)用新型的真空度檢測(cè)裝置(電位信息捕獲傳感器)提取待檢測(cè)的特征信號(hào)量，根據(jù)本實(shí)用新型提出的分析方法，基于P- ε r-U確定的聯(lián)系機(jī)理，只要能夠掌握真空滅弧室屏蔽罩電位U的具體特征，便能連續(xù)檢測(cè)滅弧室內(nèi)的真空度狀況。每一臺(tái)斷路器，配備3相互項(xiàng)獨(dú)立的電位信息捕獲傳感器，配合必要的信號(hào)調(diào)理和保護(hù)單元，構(gòu)成具有就地?cái)?shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警指示以及采用IEC618509-2通信標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信接口。[0026]采用上述斷路器真空度在線檢測(cè)裝置及電位信息捕獲傳感器所實(shí)現(xiàn)的一種斷路器真空度在線檢測(cè)方法，如圖5所示，包括如下步驟(I)定制一批斷路器作為實(shí)驗(yàn)樣品，上述各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品斷路器的真空滅弧室的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)均與待測(cè)斷路器的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)相一致，而各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品斷路器的真空滅弧室內(nèi)的真空度各不相同；(2)逐一將上述各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品斷路器安裝在離線標(biāo)定平臺(tái)上，并讓電位信息捕獲傳感器的前端與實(shí)驗(yàn)樣品斷路器的真空滅弧室的中軸線相對(duì)；其中離線標(biāo)定平臺(tái)與待測(cè)斷路器實(shí)際安裝布置結(jié)構(gòu)相同；(3)將實(shí)驗(yàn)樣品斷路器拉開額定開距、并在其 兩端施加額定電壓的負(fù)荷；通過電位信息捕獲傳感器分別測(cè)定各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品斷路器的屏蔽罩電位信息；(4)將已知實(shí)驗(yàn)樣品斷路器的真空度與電位信息捕獲傳感器捕獲的屏蔽罩電位信息進(jìn)行記錄，并繪制出真空度與屏蔽罩電位的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線；(5)將真空度與屏蔽罩電位的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線制表存入斷路器真空度在線檢測(cè)裝置的存儲(chǔ)單元中；(6)實(shí)際檢測(cè)過程中，通過斷路器真空度在線檢測(cè)裝置上帶有的電位信息捕獲傳感器捕獲待測(cè)斷路器的屏蔽罩電位信息，并將所得采樣值送入斷路器真空度在線檢測(cè)裝置；斷路器真空度在線檢測(cè)裝置通過查找預(yù)先存儲(chǔ)在其存儲(chǔ)單元中的真空度與屏蔽罩電位表格，即可得到待檢測(cè)真空斷路器的實(shí)際真空度值。通過檢測(cè)高壓真空斷路器真空滅弧室的屏蔽電位即可獲知其真空度的理論依據(jù)如下一 真空度P與介電常數(shù)ε r聯(lián)系機(jī)理分析真空斷路器滅弧室內(nèi)真空度分析方法基于電介質(zhì)物理學(xué)、真空絕緣與放電、高壓開關(guān)理論，首先引述電介質(zhì)物理學(xué)中克勞休斯-莫索締(Clausius-Mossotti)方程,在洛倫茲有效電場(chǎng)條件下，建立電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)的聯(lián)系，具體表達(dá)如公式①所示
r I a-1 m-a ^
Gt + 2 3f 0公式①中ε p ε。分別為氣體電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)；α為空氣分子極化率為電介質(zhì)單位體積內(nèi)的極化粒子數(shù)?？紤]摩爾體積與單位體積內(nèi)計(jì)劃粒子的關(guān)系，可以將公式①轉(zhuǎn)化為公式②所示的形式
「，、—， ι -1 M N ο-a[P\ = ^=—~②
Er+ 2 p 3εο在公式②中，M和P分別為電介質(zhì)的摩爾質(zhì)量和密度，Ntl為阿佛加德羅常數(shù)，[P]為摩爾極化。對(duì)于特定的電介質(zhì)，②式右端表明，極化率α有確定的值，且與密度P無關(guān)，因此[P]為確定常數(shù)。②式左端表明，摩爾質(zhì)量M固定(真空滅弧室內(nèi)真空電介質(zhì)及工作條
件滿足此要求)，又有[P]為常數(shù)，因此可以得出g與密度P成比例關(guān)系。由公式②可以
將P與L的關(guān)系進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為公式③所示的形式
Γ I[尸]/ P' -1 ^P-kTj- = P- A",=——
MEt+ 2[0041]在公式③中，可以看出
權(quán)利要求1.斷路器真空度在線檢測(cè)裝置，其特征在于主要由電位信息捕獲傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)字濾波單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、查表計(jì)算單元、存儲(chǔ)單元、現(xiàn)場(chǎng)顯示器和遠(yuǎn)程通信接口組成；其中電位信息捕獲傳感器的輸出端經(jīng)由信號(hào)調(diào)理單元與數(shù)字濾波單元的輸入端相連；數(shù)字濾波單元的輸入端通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入端；查表計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元相互連接；存儲(chǔ)單元的輸出端分別與現(xiàn)場(chǎng)顯示器和遠(yuǎn)程通信接口連接； 上述電位信息捕獲傳感器主要由絕緣殼(I)、電屏蔽層(2)、磁屏蔽層(3)、環(huán)氧樹脂(4)、電位捕獲電極(5)、電容稱合器件(6)、信號(hào)輸出口(7)組成；絕緣殼(I)為前后端面閉合的中空柱形腔體；電屏蔽層(2)和磁屏蔽層(3)均為前后貫通的中空筒狀；電屏蔽層(2)和磁屏蔽層(3)相互嵌套后貼附于絕緣殼(I)的內(nèi)側(cè)壁上；經(jīng)由金屬材料構(gòu)成的圓盤狀的電位捕獲電極(5)設(shè)置在絕緣殼(I)的內(nèi)腔中，電位捕獲電極(5)靠近絕緣殼(I)的前端面、且電位捕獲電極(5)與絕緣殼(I)同軸設(shè)置；電位捕獲電極(5)的一端與信號(hào)輸出口(7)的負(fù)極相連，電位捕獲電極(5)的另一端經(jīng)電容稱合器件(6)與信號(hào)輸出口(7)的正極相連；環(huán)氧樹脂(4)澆筑于絕緣殼(I)的內(nèi)腔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的斷路器真空度在線檢測(cè)裝置，其特征在于所述電屏蔽層(2)嵌套在磁屏蔽層(3)的內(nèi)側(cè)。
3.電位信息捕獲傳感器，其特征在于主要由絕緣殼(I)、電屏蔽層(2)、磁屏蔽層(3)、環(huán)氧樹脂(4)、電位捕獲電極(5)、電容稱合器件(6)、信號(hào)輸出口(7)組成；絕緣殼(I)為前后端面閉合的中空柱形腔體；電屏蔽層(2)和磁屏蔽層(3)均為前后貫通的中空筒狀；電屏蔽層(2)和磁屏蔽層(3)相互嵌套后貼附于絕緣殼(I)的內(nèi)側(cè)壁上；經(jīng)由金屬材料構(gòu)成的圓盤狀的電位捕獲電極(5)設(shè)置在絕緣殼(I)的內(nèi)腔中，電位捕獲電極(5)靠近絕緣殼(I)的前端面、且電位捕獲電極(5)與絕緣殼(I)同軸設(shè)置；電位捕獲電極(5)的一端與信號(hào)輸出口(7)的負(fù)極相連，電位捕獲電極(5)的另一端經(jīng)電容稱合器件(6)與信號(hào)輸出口(7)的正極相連；環(huán)氧樹脂(4)澆筑于絕緣殼(I)的內(nèi)腔中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電位信息捕獲傳感器，其特征在于所述電屏蔽層(2)嵌套在磁屏蔽層(3)的內(nèi)側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種斷路器真空度在線檢測(cè)裝置及電位信息捕獲傳感器，其基于真空絕緣與放電理論和真空滅弧室的實(shí)際工況，建立滅弧室內(nèi)介電常數(shù)、屏蔽罩電位特征和真空滅弧室內(nèi)真空程度內(nèi)在聯(lián)系，通過測(cè)定高壓真空斷路器真空滅弧室屏蔽罩的電位信息獲知真空滅弧室內(nèi)的真空度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)真空斷路器真空度的在線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01R31/00GK202650975SQ20122023390
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者范興明, 張?chǎng)? 楊家志, 黃知超 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)