专利名称：断路器真空度在线检测装置及电位信息捕获传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力系统高压开关状态在线检测领域，具体涉及一种断路器真空度在线检测装置及电位信息捕获传感器。
技术背景 断路器是电力系统中的安全卫士，在系统中起着控制和保护双重作用。作为高压开关的主导产品，高压真空断路器在一定程度上代表了一个国家电力工业的发展水平，其健康状况、工作性能同电力系统的安全稳定运行和经济社会效益密切相关。在真空断路器状态评判与故障诊断研究中，真空度是决定真空断路器开断能力的主要因素之一，因此真空断路器的真空灭弧室内真空水平及其检测一直以来都成为研究和关注的焦点。为了实现电流的正常分断与灭弧，通常要求真空灭弧室内的压强一般不高于某一数值(10_2Pa)。目前真空断路器真空度的保持与检测，普遍采用离线检修，即在实行定期检修的时候采用离线装置和试验方法，对真空灭弧室的真空度进行检查。离线方法强制性的规定一定的检修周期，其原则是“到期必修，修必修好”，具有相当的盲目性和强制性，实践表明计划性检修相当部分工作没有实际意义而且是多余的，结果就是造成了设备的“过度检修”。如果恰逢检修过后遇到设备状态缺陷，但是在检修过程中没有完全暴露出来，没能及时发现又投入运行，这时又会出现设备的“检修不足”。随着智能电网技术的规划和应用发展，对电气装备的智能化和状态检修体制提出了更高的要求，因此如何实现真空断路器真空度的在线检测是目前所要解决的问题之一。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种断路器真空度在线检测装置及电位信息捕获传感器，其能够实现真空断路器真空度的在线检测。为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的本实用新型一种断路器真空度在线检测装置，主要由电位信息捕获传感器、信号调理单元、数字滤波单元、模数转换单元、查表计算单元、存储单元、现场显示器和远程通信接口组成；其中电位信息捕获传感器的输出端经由信号调理单元与数字滤波单元的输入端相连；数字滤波单元的输入端通过模数转换单元的输入端；查表计算单元与存储单元相互连接；存储单元的输出端分别与现场显示器和远程通信接口连接。所述的电位信息捕获传感器主要由绝缘壳、电屏蔽层、磁屏蔽层、环氧树脂、电位捕获电极、电容耦合器件、信号输出口组成；绝缘壳为前后端面闭合的中空柱形腔体；电屏蔽层和磁屏蔽层均为前后贯通的中空筒状；电屏蔽层和磁屏蔽层相互嵌套后贴附于绝缘壳的内侧壁上；经由金属材料构成的圆盘状的电位捕获电极设置在绝缘壳的内腔中，电位捕获电极靠近绝缘壳的前端面、且电位捕获电极与绝缘壳同轴设置；电位捕获电极的一端与信号输出口的负极相连，电位捕获电极的另一端经电容I禹合器件与信号输出口的正极相连；环氧树脂烧筑于绝缘壳的内腔中；[0007]上述装置中，所述电屏蔽层嵌套在磁屏蔽层的内侧。本实用新型一种电位信息捕获传感器，主要由绝缘壳、电屏蔽层、磁屏蔽层、环氧树脂、电位捕获电极、电容耦合器件、信号输出口组成；绝缘壳为前后端面闭合的中空柱形腔体；电屏蔽层和磁屏蔽层均为前后贯通的中空筒状；电屏蔽层和磁屏蔽层相互嵌套后贴附于绝缘壳的内侧壁上；经由金属材料构成的圆盘状的电位捕获电极设置在绝缘壳的内腔中，电位捕获电极靠近绝缘壳的前端面、且电位捕获电极与绝缘壳同轴设置；电位捕获电极的一端与信号输出口的负极相连，电位捕获电极的另一端经电容耦合器件与信号输出口的正极相连；环氧树脂浇筑于绝缘壳的内腔中。·上述传感器中，所述电屏蔽层嵌套在磁屏蔽层的内侧。与现有技术相比，本实用新型具有如下特点I.基于电介质物理学和真空绝缘与放电理论，建立了高压真空灭弧室内气体压强与介电常数的关系，进而给出灭弧室工作条件下真空度(以灭弧室内气压P表示)与介电常数的联系机理公式；基于真空度与介电常数的关系，基于电磁感应原理建立真空度与真空断路器悬浮屏蔽罩上感应电位(交流分量和直流分量)的关系，屏蔽罩上电位可以通过电位信息捕获传感器获取；2.采用Ansoft仿真软件建立了 P(真空度)(介电常数)、L(介电常数)-U(屏蔽罩电位)之间联系的分析模型，通过Ansoft和Matlab协同建模得到真空度P(真空度)-U (屏蔽罩电位)之间的内在联系，从而为高压真空断路器灭弧室内真空度在线检测方法提供了理论依据。3.屏蔽罩电位探测传感器装置基于电磁感应原理采用电容耦合与分压方式，可以灵敏、准确地捕获屏蔽罩电位(交流分量和直流分量)的特征；4.断路器真空度在线检测装置采用屏蔽罩电位探测传感器采集屏蔽罩电位信息，并通过处理中心将捕获的屏蔽罩电位信息进行查表处理后得到灭弧室真空度P，为真空断路器的在线检测的实现提供了测试与应用平台。
图I为断路器真空度在线检测装置原理图。图2为电位信息捕获传感器结构示意图。图3为断路器真空度在线检测方法现场安装布置结构图。图4为图3中放大的电位信息捕获传感器安装布置结构图。图5为断路器真空度在线检测方法原理图。图中标号1、绝缘壳；2、电屏蔽层；3、磁屏蔽层；4、环氧树脂；5、电位捕获电极；
6、电容I禹合器件；7、信号输出口。
具体实施方式
一种断路器真空度在线检测装置如图I所示，主要由电位信息捕获传感器、信号调理单元、数字滤波单元、模数转换单元、查表计算单元、存储单元、现场显示器和远程通信接口组成。其中电位信息捕获传感器的输出端经由信号调理单元与数字滤波单元的输入端相连；数字滤波单元的输入端通过模数转换单元的输入端；查表计算单元与存储单元相互连接；存储单元的输出端分别与现场显示器和远程通信接口连接。电位信息捕获传感器采集的断路器真空灭弧室屏蔽罩的电位信息经过信号调理单元与数字滤波单元的调理和滤波后送入模数转换单元中，模数转换单元模拟量转化为数字量，该数字量作为查表计算单元的输入进行查表，查表结果输出为待检测的真空度数值，存储该数值数据存储单元在检测装置中央处理器的控制下进行输出值现场显示器实现显示以及远程通信接口实现数据发送通信。上述电位信息捕获传感器可以采用现有就是已知的电位捕获传感器，但为了更适于捕获断路器屏蔽罩的电位信息，在本实用新型中，所述电位信息捕获传感器如图2所示，其主要由绝缘壳I、电屏蔽层2、磁屏蔽层3、环氧树脂4、电位捕获电极5、电容耦合器件6、信号输出口7组成。绝缘壳I为前后端面闭合的中空柱形腔体。电屏蔽层2和磁屏蔽层3均为前后贯通的中空筒状。电屏蔽层2和磁屏蔽层3相互嵌套后贴附于绝缘壳I的内侧壁上。在进行相互嵌套时，电屏蔽层2可以嵌套在磁屏蔽层3的内侧或外侧。在本实用新型中，所述电屏蔽层2嵌套在磁屏蔽层3的内侧。经由金属材料构成的圆盘状的电位捕获电 极5设置在绝缘壳I的内腔中，电位捕获电极5靠近绝缘壳I的前端面、且电位捕获电极5与绝缘壳I同轴设置。电位捕获电极5的一端与信号输出口 7的负极相连，电位捕获电极5的另一端经电容稱合器件6与信号输出口 7的正极相连；环氧树脂4烧筑于绝缘壳I的内腔中。上述电容耦合器件6为类电容器件，最简单的可以为一个电容，但为了提高电位捕获的精度，该电容耦合器件6可以复杂的电容类器件。电位信息捕获传感器采用的耦合体为电容类器件，它的工作需要与前端电位捕获电极5配合；整个电器工作单元采用环氧树脂4浇筑在特定尺寸和结构的高压绝缘子内，在绝缘子内壁分别由2层圆筒状的磁和电屏蔽层2，这样可以增加每相电位信息捕获传感器信号拾取的选择性和准确性，避免其他相别信号的干扰；在传感器的背部有信号输出接口，一般采用同轴电缆或屏蔽双绞线，将传感器的输出信号引出，送入后续监测和处理模块单元。另外，耦合体也可以采用线圈形式或电感元件，来耦合灭弧室周围的电磁场变化，此时基于电磁感应和巴申定律，只能定性判断灭弧室真空度是否到达劣化的临界和极限条件。本文采用的分析方法与之有较大区别，就是在较大的真空变化范围内均能通过屏蔽罩上电位信息定量反映灭弧室内真空度状况。电位信息捕获传感器直径和高度根据所监测真空断路器灭弧室的类型和结构根据电磁场分布情况进行理论计算得到，目的是使电位信息捕获传感器能够明显耦合屏蔽罩电位信息，实现准确可靠拾取即可。电位信息捕获传感器具体结构和电气参数的确定，根据待监测真空断路器结构和灭弧室参数确定。图3为高压真空断路器灭弧室内真空度在线检测方法现场安装布置结构图。图4为高压真空断路器灭弧室内真空度在线检测方法电位信息捕获传感器的安装布置图。每个开关柜或者真空断路器由3相构成，每一相采用本实用新型的真空度检测装置(电位信息捕获传感器)提取待检测的特征信号量，根据本实用新型提出的分析方法，基于P- ε r-U确定的联系机理，只要能够掌握真空灭弧室屏蔽罩电位U的具体特征，便能连续检测灭弧室内的真空度状况。每一台断路器，配备3相互项独立的电位信息捕获传感器，配合必要的信号调理和保护单元，构成具有就地数据分析处理、数据存储、报警指示以及采用IEC618509-2通信标准的以太网通信接口。[0026]采用上述断路器真空度在线检测装置及电位信息捕获传感器所实现的一种断路器真空度在线检测方法，如图5所示，包括如下步骤(I)定制一批断路器作为实验样品，上述各个实验样品断路器的真空灭弧室的结构和材料参数均与待测断路器的结构和材料参数相一致，而各个实验样品断路器的真空灭弧室内的真空度各不相同；(2)逐一将上述各个实验样品断路器安装在离线标定平台上，并让电位信息捕获传感器的前端与实验样品断路器的真空灭弧室的中轴线相对；其中离线标定平台与待测断路器实际安装布置结构相同；(3)将实验样品断路器拉开额定开距、并在其 两端施加额定电压的负荷；通过电位信息捕获传感器分别测定各个实验样品断路器的屏蔽罩电位信息；(4)将已知实验样品断路器的真空度与电位信息捕获传感器捕获的屏蔽罩电位信息进行记录，并绘制出真空度与屏蔽罩电位的对应关系曲线；(5)将真空度与屏蔽罩电位的对应关系曲线制表存入断路器真空度在线检测装置的存储单元中；(6)实际检测过程中，通过断路器真空度在线检测装置上带有的电位信息捕获传感器捕获待测断路器的屏蔽罩电位信息，并将所得采样值送入断路器真空度在线检测装置；断路器真空度在线检测装置通过查找预先存储在其存储单元中的真空度与屏蔽罩电位表格，即可得到待检测真空断路器的实际真空度值。通过检测高压真空断路器真空灭弧室的屏蔽电位即可获知其真空度的理论依据如下一 真空度P与介电常数ε r联系机理分析真空断路器灭弧室内真空度分析方法基于电介质物理学、真空绝缘与放电、高压开关理论，首先引述电介质物理学中克劳休斯-莫索缔(Clausius-Mossotti)方程,在洛伦兹有效电场条件下，建立电介质极化的宏观参数和微观参数的联系，具体表达如公式①所示
r I a-1 m-a ^
Gt + 2 3f 0公式①中ε p ε。分别为气体电介质的相对介电常数和真空介电常数；α为空气分子极化率为电介质单位体积内的极化粒子数。考虑摩尔体积与单位体积内计划粒子的关系，可以将公式①转化为公式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分别为电介质的摩尔质量和密度，Ntl为阿佛加德罗常数，[P]为摩尔极化。对于特定的电介质，②式右端表明，极化率α有确定的值，且与密度P无关，因此[P]为确定常数。②式左端表明，摩尔质量M固定(真空灭弧室内真空电介质及工作条
件满足此要求)，又有[P]为常数，因此可以得出g与密度P成比例关系。由公式②可以
将P与L的关系进一步转换为公式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
权利要求1.断路器真空度在线检测装置，其特征在于主要由电位信息捕获传感器、信号调理单元、数字滤波单元、模数转换单元、查表计算单元、存储单元、现场显示器和远程通信接口组成；其中电位信息捕获传感器的输出端经由信号调理单元与数字滤波单元的输入端相连；数字滤波单元的输入端通过模数转换单元的输入端；查表计算单元与存储单元相互连接；存储单元的输出端分别与现场显示器和远程通信接口连接； 上述电位信息捕获传感器主要由绝缘壳(I)、电屏蔽层(2)、磁屏蔽层(3)、环氧树脂(4)、电位捕获电极(5)、电容稱合器件(6)、信号输出口(7)组成；绝缘壳(I)为前后端面闭合的中空柱形腔体；电屏蔽层(2)和磁屏蔽层(3)均为前后贯通的中空筒状；电屏蔽层(2)和磁屏蔽层(3)相互嵌套后贴附于绝缘壳(I)的内侧壁上；经由金属材料构成的圆盘状的电位捕获电极(5)设置在绝缘壳(I)的内腔中，电位捕获电极(5)靠近绝缘壳(I)的前端面、且电位捕获电极(5)与绝缘壳(I)同轴设置；电位捕获电极(5)的一端与信号输出口(7)的负极相连，电位捕获电极(5)的另一端经电容稱合器件(6)与信号输出口(7)的正极相连；环氧树脂(4)浇筑于绝缘壳(I)的内腔中。
2.根据权利要求I所述的断路器真空度在线检测装置，其特征在于所述电屏蔽层(2)嵌套在磁屏蔽层(3)的内侧。
3.电位信息捕获传感器，其特征在于主要由绝缘壳(I)、电屏蔽层(2)、磁屏蔽层(3)、环氧树脂(4)、电位捕获电极(5)、电容稱合器件(6)、信号输出口(7)组成；绝缘壳(I)为前后端面闭合的中空柱形腔体；电屏蔽层(2)和磁屏蔽层(3)均为前后贯通的中空筒状；电屏蔽层(2)和磁屏蔽层(3)相互嵌套后贴附于绝缘壳(I)的内侧壁上；经由金属材料构成的圆盘状的电位捕获电极(5)设置在绝缘壳(I)的内腔中，电位捕获电极(5)靠近绝缘壳(I)的前端面、且电位捕获电极(5)与绝缘壳(I)同轴设置；电位捕获电极(5)的一端与信号输出口(7)的负极相连，电位捕获电极(5)的另一端经电容稱合器件(6)与信号输出口(7)的正极相连；环氧树脂(4)浇筑于绝缘壳(I)的内腔中。
4.根据权利要求3所述的电位信息捕获传感器，其特征在于所述电屏蔽层(2)嵌套在磁屏蔽层(3)的内侧。
专利摘要本实用新型公开一种断路器真空度在线检测装置及电位信息捕获传感器，其基于真空绝缘与放电理论和真空灭弧室的实际工况，建立灭弧室内介电常数、屏蔽罩电位特征和真空灭弧室内真空程度内在联系，通过测定高压真空断路器真空灭弧室屏蔽罩的电位信息获知真空灭弧室内的真空度，从而能够实现真空断路器真空度的在线检测。
文档编号G01R31/00GK202650975SQ20122023390
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者范兴明, 张鑫, 杨家志, 黄知超 申请人:桂林电子科技大学