专利名称：Hgis组合电器在线监测装置及集成式hgis智能组合电器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高压输配电领域中的HGIS组合电器，尤其是涉及一种HGIS组合电器在线监测装置。
背景技术：
我国智能变电站的建设已经逐步进入了一个快速发展阶段，智能变电站的一个关键技术是一次设备的智能化，目前智能变电站使用的一次开关有三种类型传统的瓷柱式 (AIS)开关、GIS 组合电器和 HGIS 组合电器。HGIS (Hybrid Gas Insulated Switchgear)是一种介于常规空气绝缘开关设备(AIS)和气体绝缘开关设备(GIS)之间的新型高压开关设备。HGIS的结构与GIS基本相同，把断路器、隔离/接地组合开关、电流互感器等集合成为一个模块，但它不包括母线设备；其优点是母线不装于SF6气室，是外露的，因而接线清晰、 简洁、紧凑，安装及维护检修方便，运行可靠性高。断路器和隔离/接地开关是电力系统中重要的控制器件，在日常的运行中操作频繁，故障率比较高。传统的HGIS组合电器，不具备在线监测断路器储能电机电流、合闸线圈电流、分闸线圈电流，及隔离刀电机电流、控制回路电压等功能，其维护与管理主要是依靠对设备的定检、巡检、点检以及预防性试验为主的计划检修。以设备的台帐、运行记录、检修记录、缺陷记录及预试记录等信息为主的生产管理系统是一个以记录为主的静态的、离线的信息系统，其时效性差，不具备分析和诊断功能。预试数据作为判断设备运行状态的主要依据，是在停电状态下取得的，停电不仅影响企业经济效益，且取得的数据参考性差。
实用新型内容为了能有效地对运行中的HGIS组合电器进行设备状态监测，本实用新型提供一种HGIS组合电器在线监测装置。现有的HGIS组合电器，一般均包括有断路器、套管、互感器、封闭型接地金属罐体和固定安装于该罐体内的隔离/接地三工位开关。本实用新型HGIS组合电器在线监测装置，包括有监控显示单元及若干个在线监测单元；各在线监测单元的信号输入端分别与所述HGIS组合电器的相应组件电气相连，而各信号输出端电气连接至所述监控显示单元及上级计算机监控系统；所述在线监测单元包括有断路器分/合闸线圈在线监测单元、断路器储能电机在线监测单元、SF6高压断路器电寿命监测单元、SF6气体密度监测单元中的一个或多个(一 )断路器分/合闸线圈在线监测单元断路器分/合闸线圈工作电流，在很大程度上反映了铁芯的运动状态和机械状态。根据该电流的特性参数，可以通过经验公式计算出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间，从而可以得知铁芯的运动状态，进而能够发现是否有铁芯卡滞现象、铁芯的行程和铁芯吸力等参数的变化。即根据监测获得的分、合闸线圈工作电流参数，可初步判定分、合闸线圈是否发生了故障。根据上述原理，本断路器分/合闸线圈在线监测单元，包括有霍尔传感器，放大及滤波等信号调理电路、A/D转换模块、中央处理器及数据存储模块；所述霍尔传感器接入分、合闸线圈回路中，所测得的分、合闸线圈电流/电压信号经调理电路处理后，通过A/D转换模块转化为数字信号，再由中央处理器记录并存储该数字信号并结合预置数据对该数字信号进行分析处理，然后向所述监控显示单元输出相应的分、合间线圈工作状态指示信号。上述方案中的所述中央处理器对数字信号进行的分析处理包括当分/合闸线圈短时稳态电流大于设定值时，中央处理器发出分/合闸线圈过流报警信号；或者，当分/合闸线圈两端电压小于设定值时，处理器发出分/合闸线圈欠压报警信号，并上报至上级计算机监控系统。本装置还可综合考虑线圈的电压电流变化，对分、合闸线圈电流进行分析，根据动作功率进行判断当测得的分/合闸线圈短时稳态电流值与分/合闸线圈两端电压值的乘积大于设定的功率值，或，断路器分/合闸线圈动作时间大于设定值时，处理器发出断路器分/合闸线圈故障报警信号，并将该故障上报至上级计算机监控系统。所述断路器分/合闸线圈动作时间，从就地按钮动作或远方遥控命令下来开始计时，到开关状态切换完毕为止。本断路器分/合闸线圈在线监测单元通过对线圈的电压电流变化的监测，实现对分、合闸线圈状态进行实时在线监测，对断路器分、合闸线圈最常出现的欠压、过流、铁芯卡滞等故障时能及时发现和及时安排处理。( 二 )断路器储能电机在线监测单元本断路器分储能电机在线监测单元，包括有霍尔传感器，放大及滤波等信号调理电路、A/D转换模块、中央处理器及数据存储模块；所述霍尔传感器接入储能电机回路中， 所测得的储能电机电流/电压经调理电路处理后，通过A/D转换模块转化为数字信号，再由中央处理器记录并存储该数字信号并结合预置数据对该数字信号进行分析处理，然后向所述监控显示单元输出相应的储能电机工作状态指示信号。上述方案中的所述中央处理器对数字信号进行的分析处理包括当测得的储能电机短时稳态电流大于设定值时，中央处理器输出储能电机过流报警信号，并将该故障上报至上级计算机监控系统；或者，当储能电机两端电压小于设定值时，处理器输出储能电机欠压报警信号，同时把该故障上报至上级计算机监控系统。本断路器分储能电机在线监测单元还可实现弹簧储能时间监测根据储能电机运行电流的曲线计算出弹簧储能时间(储能电机运行电流曲线可参见附图8)。根据电机启动、稳定运行及停机的特点，即可得到线圈的稳态电流，再利用此电流参与计算电机功率。 应用到本装置中，即为当测得的储能电机短时稳态电流值与储能电机两端电压值的乘积大于设定的功率值，或，断路器合闸后超过设定时间断路器储能电机未储能(此情况为储能电机并没有动作，即上述功率值为零)时，处理器发出断路器储能电机故障报警信号，并将该故障上报至上级计算机监控系统。(三)SF6高压断路器电寿命监测单元断路器的累计开断电流是表征其电气寿命状况的重要参数，对此监测可以计算出触头电磨损情况，据电寿命计算公式可以对断路器的电寿命作诊断。所述SF6高压断路器电寿命监测单元，包括有顺序电气相连的电流传感器、光纤、 光电转换电路、中央处理器；其特征在于由所述电流传感器采集得到断路器的开断电流信号，经光纤传送到所述光电转换电路；所述光电转换电路输出的电信号在所述中央处理器用加权累计法推算获得断路器的电寿命及其剩余寿命，并根据阈值给出告警提示信息。所述电流传感器，可采用Rogowski线圈电流传感器。本SF6高压断路器电寿命监测原理分析假设每次开断操作的电磨损程度是一样的。设额定短路开断电流条件下单次开断的电磨损为M，对应的允许开断次数为N。从统计学的累计效应，可认为该断路器的允许磨损总量为M*N。或者说定义一台全新的断路器的触头允许磨损总量为100，即其相对电寿命为100，则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为1/N(定义为Qm)。然后根据不同断路器的N1-Ic曲线，求得任意大小开断电流Ic的对应允许开断次数N1，则对应的单次开断的相对电磨损为定义为Qm)。这样可求出任一次开断时的相对电磨损量Qm = 1/N，Qm = !/N1(1)根据触头的绝对电磨损总量一定，则有Qm*N = QnpKN1, M*N = HpKN1 (2)所以，Qm/%= NziN1 = m/M (3)Qm = QM*(m/M) = (1/N)*m/M (4)即可求出该断路器的相对电寿命L = Ln- Σ Qm(5)式中，Ln为断路器触头电寿命的初始值，是一个氺1的百分数，其值由断路器的运行决定，刚投运的或经过大修后的断路器其值可为1。
η a高压断路器累计开断η次的电磨损量为M / I
Q= ^ i ι=\式中Ii是第i次断开的电流值；a是加权系数，1 <a<2可由断路器的电寿命曲线得到。设额定短路开断电流下，一次标准开断的电磨损为M，允许开断的次N。从统计平均和累计效应，可认为该高压断路器的允许磨损总量为N*M。设新断路器触头寿命接近为 100%，额定开断电流下可以开断次I6，即额定开断次数为N次，则每次开断电流时的相对磨损量为1/N。根据不同断路器的等效磨损曲线N/I，可以求出不同开断电流所对应的开断次数Nx，对应的单次开断相对磨损量为1/Nx，定义为Q m，累计相对磨损为Σ Qm，相对电寿命 L = L0-Qo LtlS 1是电寿命的初始值。将L与阈值进行比较，给出告警或提示信息。这种方法只需要知道每次开断电流的大小，比较简单实用。根据上述原理研制的本SF6高压断路器电寿命监测单元，具有如下特点及优点(1)便于同时对一个变电站的所有断路器的各相电磨损与电寿命进行实时监测。 当断路器开断时，能随时根据用户设定的该断路器的电流互感器的变比记录开断电流，并按不同断路器电磨损的模型求出相应的相对电磨损，得出断路器目前的相对电寿命；当断路器的电寿命已到时，发出报警信号。(2)为运行部门掌握断路器的状况和预计寿命提供方便手段，可减少过早或不必要的停电试验和检修，可显著提高电力系统的可靠性和经济性。(四)SF6气体密度监测单元SF6在气室中的密度是保证绝缘、顺利灭弧的基本保证，它是否满足开关设备设计的要求，是保证开关正常运行的前提条件。对此监测，根据不同的密度，发出不同的指令或报警。本SF6气体密度监测单元包括有顺序电气相连的气体密度变送器、A/D转换模块及中央处理器；还可以包括有数据存储模块。当常规的HGIS组合电器集成有上述技术方案的HGIS组合电器在线监测装置时， 则形成了带故障自诊断功能的集成式HGIS智能组合电器。本实用新型HGIS组合电器在线监测装置由于利用了在线监测技术，可实现HGIS 组合电器的断路器、隔离刀闸控制设备及控制电路等多个组件的状态监测，可采集储能电机、隔离刀闸控制电机、分闸线圈、跳闸线圈的操作电流，并能够录制操作时的电流和电压波形，提供给后台进行分析；可采集各控制回路的控制电压，以实现对控制回路的监控；可记录开关操作的历史信息，统计断路器和隔离开关的操作次数及操作时间，记录每次操作时操作回路的电流，从而具有如下优点(1)大大减少停电时间和开关操作量；(2)持续、准确反映设备在运行电压下的绝缘性能和健康水平；(3)及时发现设备运行中的发展性缺陷，显著减少突发性事故；(4)提高电力系统供电的可靠性、经济性和安全性；(5)延长了设备运行寿命，使设备维护更加科学；(6)节约大量的设备维修资金。
图1是集成式HGIS智能组合电器的组成结构示意图。图2是本实用新型智能HGIS组合电器在线监测装置的一个实施例的组成框图。图3是组合有本实用新型智能HGIS组合电器在线监测装置的带故障自诊断功能的集成式HGIS智能组合电器的一个实施例的结构示意图。图4是HGIS断路器分/合闸线圈在线监测单元一个实施例的原理示意图。图5是HGIS断路器分闸回路原理示意图。图6是HGIS断路器储能电机在线监测单元一个实施例的原理示意图。图7是储能电机回路原理示意图。图8是断路器储能电机运行电流曲线。图9是SF6高压断路器电寿命监测单元的一个实施例的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型HGIS组合电器在线监测装置作进一步地说明如图1所示，集成式HGIS智能组合电器包括有断路器1、互感器2和5、套管3、罐体4(内部有隔离/接地开关)、智能汇控柜6。本实用新型HGIS组合电器在线监测装置即可集成于智能汇控柜6中。图2是本实用新型智能HGIS组合电器在线监测装置的一个实施例的组成框图。如图2所示的本HGIS组合电器在线监测装置包括有监控显示单元(图 2中略)及断路器分/合闸线圈在线监测单元、断路器储能电机在线监测单元、SF6高压断路器电寿命监测单元；各在线监测单元的信号输入端分别与所述HGIS组合电器的相应组件电气相连，而各信号输出端电气连接至所述监控显示单元及上级计算机监控系统[0059](一 )断路器分/合闸线圈在线监测单元如图4所示，本HGIS断路器分、合闸线圈在线监测单元，包括有霍尔传感器，信号调理电路、A/D转换模块、中央处理器及数据存储模块；所述霍尔传感器串入分、合间线圈回路中(以图5所示的分闸回路原理示意图为例说明)，霍尔传感器所测得的分、合闸线圈电流/电压信号经信号调理电路处理后，通过A/D转换模块转化为数字信号，再由中央处理器记录并存储该数字信号并结合预置数据对该数字信号进行分析处理并输出相应工作状态指示信号。所述中央处理器对数字信号进行的分析处理是指当分/合闸线圈短时稳态电流大于预定值(例如25% )时，即认为该元件进入检修状态。此时处理器发出过流报警信号， 并将故障上报至上级计算机监控系统。或者，当分/合闸线圈两端电压小于设定值(例如额定值的85%)即分合闸线圈电压达不到要求时，处理器发出分/合闸线圈欠压报警信号， 并把故障上报至上级计算机监控系统。同时，本单元在测得的分/合闸线圈短时稳态电流值与分/合闸线圈两端电压值的乘积大于设定的功率值，或，断路器分/合闸线圈动作时间大于设定值时，处理器发出断路器分/合闸线圈故障报警信号，同时把故障上传送至上级计算机监控系统。其中，断路器分、合闸线圈动作时间，也可用断路器分闸或合闸电流持续时间来监测，当该电流持续时间超过设定值时，即可判定为断路器分/合闸线圈故障发生故障，例如拒分拒合，辅助触点断不开或合闸线圈主保险熔断等。( 二 )断路器储能电机在线监测单元如图6所示，本断路器储能电机在线监测单元，包括有霍尔传感器，信号调理电路、A/D转换模块、中央处理器及数据存储模块；所述霍尔传感器接入储能电机回路中(以图7所示的储能电机回路原理示意图为例说明)，霍尔传感器所测得的储能电机电流/电压信号经信号调理电路处理后，通过A/D转换模块转化为数字信号，再由中央处理器记录并存储该数字信号并结合预置数据对该数字信号进行分析处理，然后输出相应的储能电机工作状态指示信号。所述中央处理器对数字信号进行的分析处理是指当储能电机短时稳态电流大于预定值(例如25%)时，即认为该元件进入检修状态。此时处理器发出过流报警信号，并上传至上级计算机监控系统。或者，当储能电机两端电压小于设定值(例如额定值的85% ) 即储能电机电压达不到要求时，处理器发出储能电机欠压报警信号，并把故障上报至上级计算机监控系统。同时，本单元在测得的储能电机短时稳态电流值与储能电机两端电压值的乘积大于设定的功率值，或，断路器合闸后超过设定时间断路器储能电机未储能(即上述功率值为零)时，处理器发出断路器储能电机故障报警信号，同时把故障上传送至上级计算机监控系统。(三)SF6高压断路器电寿命监测单元如图9所示，本SF6高压断路器电寿命监测单元，包括有顺序电气相连的电流传感器、光纤、光电转换电路、中央处理器；由所述电流传感器采集得到断路器的开断电流信号， 经光纤传送到所述光电转换电路；所述光电转换电路输出的电信号在所述中央处理器用加权累计法推算获得断路器的电寿命及其剩余寿命，并根据阈值给出告警提示信息。[0069]所述电流传感器，可采用Rogowski线圈电流传感器。(四)SF6气体密度监测单元参图3所示，所述SF6气体密度监测单元包括有气体密度变送器(如德国WIKA电子式气体密度变送继电器)，作为直接安装于HGIS设备上的测量元件，其输出的4-20mA信号经信号调理及I/V变换后进入AD7606采样。图3是组合有本实用新型智能HGIS组合电器在线监测装置的带故障自诊断功能的集成式HGIS智能组合电器的一个实施例的结构示意图。图8是断路器储能电机运行电流曲线。电机电流波形畸变、得电持续时间变长、从电机通电到相应振动事件的时间变异等都是断路器传动机构存在故障隐患的表现；弹簧储能电机回路电流波形反映了电机本体及弹簧储能机构的情况。通过监测电流波形变化，对发现断路器机构故障隐患具有积极意义。同样地，断路器分闸线圈回路及合闸线圈回路的电流波形反映了电磁铁本身及所控制的分合闸脱扣器在操作过程中的工作情况，断路器传动机构的变异也直接影响分合闸线圈电流波形变化；隔离/接地开关电机回路电流波形反映了隔离电机本体及隔离/接地开关控制机构的情况。本实用新型可采用TBC系列高精度霍尔传电流感器采集三个回路的电流信号。安装时分别将上述四个回路的直流模拟信号穿过各自的霍尔传感器即可，采样芯片可采用采样16位分辨率高速模数转换芯片AD7606。
权利要求1.HGIS组合电器在线监测装置，所述HGIS组合电器包括有断路器、套管、互感器、封闭型接地金属罐体和固定安装于该罐体内的隔离/接地三工位开关；其特征在于本HGIS组合电器在线监测装置包括有监控显示单元及若干个在线监测单元；各在线监测单元的信号输入端分别与所述HGIS组合电器的相应组件电气相连，而各信号输出端电气连接至所述监控显示单元及上级计算机监控系统；所述在线监测单元包括有断路器分/合闸线圈在线监测单元、断路器储能电机在线监测单元、SF6高压断路器电寿命监测单元、SF6气体密度监测单元中的一个或多个；所述断路器分/合闸线圈在线监测单元，包括有霍尔传感器，信号调理电路、A/D转换模块、中央处理器及数据存储模块；所述霍尔传感器接入分、合间线圈回路中，所测得的分、 合闸线圈电流/电压信号经所述调理电路处理后，通过A/D转换模块转化为数字信号，再由中央处理器记录并存储该数字信号并结合预置数据对该数字信号进行分析处理，然后向所述监控显示单元输出相应的分、合闸线圈工作状态指示信号；所述断路器储能电机在线监测单元，包括有霍尔传感器，信号调理电路、A/D转换模块、 中央处理器及数据存储模块；所述霍尔传感器接入储能电机回路中，所测得的储能电机电流/电压信号经所述调理电路处理后，通过A/D转换模块转化为数字信号，再由中央处理器记录并存储该数字信号并结合预置数据对该数字信号进行分析处理，然后向所述监控显示单元输出相应的储能电机工作状态指示信号；所述SF6高压断路器电寿命监测单元，包括有顺序电气相连的电流传感器、光纤、光电转换电路、中央处理器；由所述电流传感器采集得到断路器的开断电流信号，经光纤传送到所述光电转换电路；所述光电转换电路输出的电信号在所述中央处理器用加权累计法推算获得该断路器的电寿命及其剩余寿命，并根据阈值给出告警提示信息。
2.根据权利要求1所述的HGIS组合电器在线监测装置，其特征在于，所述断路器分/ 合闸线圈在线监测单元，其中央处理器对数字信号进行的分析处理包括当分/合闸线圈短时稳态电流大于设定值时，中央处理器发出分/合闸线圈过流报警信号。
3.根据权利要求1所述的HGIS组合电器在线监测装置，其特征在于，所述断路器分/ 合闸线圈在线监测单元，其中央处理器对数字信号进行的分析处理包括当分/合闸线圈两端电压小于设定值时，处理器发出分/合闸线圈欠压报警信号。
4.根据权利要求1所述的HGIS组合电器在线监测装置，其特征在于，所述断路器分/ 合闸线圈在线监测单元，其中央处理器对数字信号进行的分析处理包括当测得的分/合闸线圈短时稳态电流值与分/合闸线圈两端电压值的乘积大于设定的功率值，或，断路器分/合闸线圈动作时间大于设定值时，处理器发出断路器分/合闸线圈故障报警信号；所述断路器分/合闸线圈动作时间，从就地按钮动作或远方遥控命令下来开始计时， 到开关状态切换完毕为止。
5.根据权利要求1所述的HGIS组合电器在线监测装置，其特征在于，所述断路器储能电机在线监测单元，其中央处理器对数字信号进行的分析处理包括当储能电机短时稳态电流大于设定值时，中央处理器输出储能电机过流报警信号。
6.根据权利要求1所述的HGIS组合电器在线监测装置，其特征在于，所述断路器储能电机在线监测单元，其中央处理器对数字信号进行的分析处理包括当储能电机两端电压小于设定值时，处理器输出储能电机欠压报警信号。
7.根据权利要求1所述的HGIS组合电器在线监测装置，其特征在于，所述断路器储能电机在线监测单元，其中央处理器对数字信号进行的分析处理包括当测得的储能电机短时稳态电流值与储能电机两端电压值的乘积大于设定的功率值，或，断路器合闸后超过设定时间断路器储能电机未储能时，处理器发出断路器储能电机故障报警信号。
8.根据权利要求1所述的HGIS组合电器在线监测装置，其特征在于所述SF6高压断路器电寿命监测单元中的电流传感器为Rogowski线圈电流传感器。
9.根据权利要求1所述的HGIS组合电器在线监测装置，其特征在于，所述SF6气体密度监测单元包括有顺序电气相连的气体密度变送器、A/D转换模块及中央处理器。
10.集成式HGIS智能组合电器，包括有HGIS组合电器，其特征在于所述HGIS组合电器集成有如权利要求1至9之一所述的HGIS组合电器在线监测装置。
专利摘要本实用新型公开了一种HGIS组合电器在线监测装置，包括有监控显示单元及若干个在线监测单元；各在线监测单元的信号输入端分别与所述HGIS组合电器的相应组件电气相连，而各信号输出端电气连接至所述监控显示单元及上级计算机监控系统；所述在线监测单元包括有断路器分/合闸线圈在线监测单元、断路器储能电机在线监测单元、SF6高压断路器电寿命监测单元、SF6气体密度监测单元中的一个或多个。本装置利用在线监测技术可实现对断路器、隔离刀闸控制设备及控制电路等多个组件的状态监测，因而能大大减少设备停电时间和开关操作量，及时发现设备运行中的发展性缺陷，故可提高电力系统供电的可靠性、经济性和安全性。
文档编号H02B1/04GK201966531SQ20102058483
公开日2011年9月7日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者陈锡培 申请人:广西中电新源电气有限公司