CN105353302A - 开关设备燃弧时间的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关设备燃弧时间的检测装置与检测方法，属于发电、变电或配电开关装置技术领域。该装置包括电源、行程测量模块、电流测量模块、以及数据采集分析模块；该方法包括：1)开关设备执行操作命令，数据采集分析模块测量开关设备的电压信号与行程测量模块输出的电压信号，根据开关设备的电压信号与行程信号计算出开关设备的开距；2)开关设备执行操作命令，数据采集分析模块测量电流测量模块输出的电压信号与行程测量模块输出的电压信号，计算出相应的回路电流信号与行程信号；3)根据步骤1)的开距、步骤2)的回路电流信号和行程信号，计算出开关设备的燃弧时间。本发明操作简单，测量精度高，利于开关设备电寿命的评估。

Description

开关设备燃弧时间的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于发电、变电或配电开关装置技术领域，特别涉及一种开关设备燃弧时间的检测装置与检测方法。

背景技术

开关设备关合时动、静触头之间可能发生预击穿，电弧开始燃烧到动、静触头接触之间的时间是合闸燃弧时间。开关设备开断时动、静触头之间会产生电弧，电弧开始燃烧(起弧)到电弧熄灭(熄弧)之间的时间是分闸燃弧时间。燃弧时间是影响高压开关设备电寿命的主要因素之一。根据电流波形可以很容易地得出三相的合闸起弧时刻与分闸熄弧时间。因此，检测出电弧的合闸熄弧时刻与分闸起弧时刻即可得出电弧在触头之间燃烧的时间。目前有以下五种测量方法：

一是辅助接点法。触头关合，或者开断时开关设备会发出辅助接点信号。开关设备关合时，将辅助接点信号作为合闸熄弧时间；开关设备开断时，将辅助接点信号作为分闸起弧时间。该方法需要检测辅助接点的电压信号，通过计算机的简单处理就可以测得合闸熄弧时刻与分闸起弧时刻。由于辅助接点发出的信号晚于实际的合闸熄弧时刻与分闸起弧时刻，因此测量的合闸燃弧时间偏大，分闸燃弧时间偏小，测量精度低。

二是固定分合闸时间法。该方法假设开关设备合闸时间与分闸时间是固定的，因此开关设备导通时刻就是合闸起弧时间；开关设备的分闸时刻就是分闸起弧时间。该方法需要用电流钳分别检测开关设备的合闸线圈电流与分闸线圈电流，通过计算机的简单处理就可以测得相应的合闸熄弧时刻与分闸起弧时刻。由于开关设备合闸时间与分闸时间的分散性比较大，该方法精度较低。

三是近场天线法。清华大学的关永刚、黄瑜珑和钱家骊在"真空断路器电磨损监测技术的改进"高压电器,vol.37,pp.1-4,2001提出在开断电流时，用近场天线测量触头分离后的击穿过程中产生的空间高频的电磁辐射，以获得电弧的起弧时间。但是该方法有两个缺点：一是现场的电磁干扰严重，测量精度低；二是该方法只能测出触头首分相的起弧时间，实际应用时只能假设三相同时起弧，后两相的误差至少为6.67ms。综上所述，测量精度低。

四是相电流法。易慧在"高压断路器新型状态监测装置的研制"华中科技大学，2006，提出在高压断路器主触头在分开时，相电流会发生突变(频率变化显著)，这时对电流信号进行高速采样，利用小波变换，奇异点分析等方法对各相电流信号进行分析处理，可发现电流突变时刻，以此来确定起弧时刻。该方法需要高速采样电流信号，要求采集卡具有较高的采样率；同时要求计算机具有较高的软硬件要求。成本较高，且计算复杂。如果信号处理不当，会导致较大的误差。

五是断口电压法。起弧时断口电压会发生突变。测量开关设备的断口电压，找到电压的突变时刻，作为电弧的起弧时刻。该方法测量准确，但是现场应用时通常都不会测量开关设备的断口电压，尤其是高压开关设备，因此该方法多用于实验室研究，现场实用性不大。

综上所述，目前开关设备燃弧时间检测方法受操作时间分散性与现场电磁干扰的影响，存在测量精度不高、成本较高、或者不适合现场测量等缺点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种开关设备燃弧时间的检测装置与检测方法，操作简单，测量精度高，利于开关设备电寿命的评估。

本发明提出的一种开关设备燃弧时间的检测装置，其特征在于，该装置包括电源、行程测量模块、电流测量模块、以及数据采集分析模块；其中，数据采集分析模块分别与行程测量模块、电流测量模块相连；所述的电源用于提供一个参考电压信号。

本发明还提出利用上述装置的进行开关设备燃弧时间的检测方法，包括以下步骤：

1)将所述检测装置的电源与开关设备并联；行程测量模块和数据采集分析模块分别与开关设备相连，在开关设备执行操作命令过程中：行程测量模块输出电压信号；数据采集分析模块采集开关设备输出的电压信号与行程测量模块输出的电压信号；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号；根据开关设备的电压信号与行程信号计算出开关设备的开距；然后拆除电源、数据采集分析模块与开关设备的联线；

2)将开关设备与电网相连构成主回路，再将所述的电流测量模块与开关设备的主回路串连；在开关设备执行操作命令过程中：电流测量模块输出电压信号；行程测量模块输出电压信号；数据采集分析模块采集电流测量模块输出的电压信号与行程测量模块输出的电压信号；数据采集分析模块根据电流测量模块输出的电压信号计算出回路电流信号；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号；

3)数据采集分析模块依据步骤1)计算出的开距、步骤2)计算出的回路电流信号和行程信号，计算出开关设备步骤2)的燃弧时间。

本发明的特点和有益效果是：

本发明提出的燃弧时间检测装置与检测方法通过测量断路器三相的开距，就可以获得断路器每一相的起弧时间，操作方便，装置简单，大大降低了对硬件与软件的要求。此外，该方法受开关设备操作时间分散性与现场电磁干扰的影响较小，因此测量精度高。

本发明提出的开关设备燃弧时间的检测装置与检测方法，操作方便，装置简单，测量精度高。

附图说明

图1是本发明提出的开关设备燃弧时间的检测装置。

图2是本发明提出的开关设备燃弧时间检测方法的流程图。

图3是本发明提出的开关设备燃弧时间的检测装置在步骤1)中的连线。

图4是本发明提出的开关设备燃弧时间的检测装置在步骤2)中的连线。

图5是本发明检测装置在步骤1)的使用状态图。

图6是本发明提出的开关设备燃弧时间的检测装置在开关设备分闸过程中，在步骤1)中测量的信号，(a)为开关设备的电压信号；(b)为开关设备的行程信号。

图7是本发明检测装置在步骤2)的使用状态图。

图8是本发明提出的开关设备燃弧时间的检测装置在开关设备分闸过程中，在步骤2)中测量的信号，(a)为开关设备的回路电流信号；(b)为开关设备的行程信号。

图9是本发明提出的开关设备燃弧时间的检测装置在开关设备合闸过程中，在步骤1)中测量的信号，(a)为开关设备的电压信号；(b)为开关设备的行程信号。

图10是本发明提出的开关设备燃弧时间的检测装置在开关设备合闸过程中，在步骤2)中测量的信号，(a)为开关设备的回路电流信号；(b)为开关设备的行程信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提出了一种开关设备燃弧时间的检测装置，它的结构如图1所示，包括电源、行程测量模块、电流测量模块、以及数据采集分析模块；其中，数据采集分析模块分别与行程测量模块、电流测量模块相连；所述的电源用于提供一个参考电压信号。

上述检测装置各部件的具体实现方式说明如下：

电源既可以采用常规的直流电源或交流电源，电压范围应当小于开关设备中电弧的维持电压，可为0.1V～16V，用于提供一个参考电压信号。在本发明的一个实施例中，电源为5V蓄电池与1MΩ的电阻串联组成。

行程测量模块由常规的位移传感器组成，用于获得开关设备的行程信号。在本发明的一个实施例中，由Novotechnik公司生产的IP6501A502角度位移传感器组成。

电流测量模块可以采用常规的电流互感器、霍尔电流传感器、或者是电阻之中任一种，用于获得开关设备的回路电流信号。在本发明的一个实施例中，电流测量模块由80kA的电流互感器组成

数据采集分析模块由常规的数据采集卡与工控机组成，采集卡用于采集开关设备、电流测量模块、以及行程测量模块测量的数据；工控机用于对采集卡采集的数据进行计算得到测量结果。在本发明的一个实施例中，数据采集分析模块由北京阿科美电子技术有限责任公司生产的FIP200工控机与美国国家仪器NI公司生产的PCI-6143采集卡组成。

上述行程测量模块与数据采集分析模块自带电源，电流测量模块如果是电阻、或者电流互感器，不需要电源；如果是霍尔电流传感器则自带电源。

本发明提出利用上述检测装置进行开关设备燃弧时间的检测方法，包括以下步骤：

1)将所述检测装置的电源与开关设备并联；行程测量模块和数据采集分析模块分别与开关设备相连，如图3所示。在开关设备执行操作命令过程中：行程测量模块输出电压信号；数据采集分析模块采集开关设备输出的电压信号与行程测量模块输出的电压信号；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号；根据开关设备的电压信号与行程信号计算出开关设备的开距；然后拆除电源、数据采集分析模块与开关设备的联线；

2)将开关设备与电网相连构成主回路，再将所述的电流测量模块与开关设备的主回路串连；如图4所示。在开关设备执行操作命令过程中：电流测量模块输出电压信号；行程测量模块输出电压信号；数据采集分析模块采集电流测量模块输出的电压信号与行程测量模块输出的电压信号；数据采集分析模块根据电流测量模块输出的电压信号计算出回路电流信号；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号；

3)数据采集分析模块依据步骤1)计算出的开距、步骤2)计算出的回路电流信号和行程信号，计算出开关设备步骤2)的燃弧时间。

上述各步骤的具体计算方法均可采用常规方法编制成计算程序预先存储在数据采集分析模块的工控机中。

步骤1)中所述的开关设备操作命令既可以是分闸操作，也可以是合闸操作。

步骤1)中所述的燃弧时间既可以是分闸燃弧时间，也可以是合闸燃弧时间。

上述方法中以分闸操作过程为实施例，结合附图，详细介绍本发明检测装置与检测方法的工作原理和过程：

在本发明的一个实施例中，电源为5V蓄电池与1MΩ的电阻串联组成；行程测量模块由Novotechnik公司生产的IP6501A502角度位移传感器组成；电流测量模块由80kA的电流互感器组成；数据测量分析模块由北京阿科美电子技术有限责任公司生产的FIP200工控机与美国国家仪器NI公司生产的PCI-6143采集卡组成；采集卡分别与角度位移传感器、电流互感器相连；被测开关为配备插拔式触头***的开关，如ZF23-126。

步骤1)将所述检测装置的电源与开关设备并联；行程测量模块(角度位移传感器)安装在开关设备上；数据采集分析模块的采集卡与开关设备相连，如图5所示。在开关设备分闸操作中，用燃弧时间检测装置测量开关设备的开距，具体过程为：

1-1)开关设备处于合闸状态，电源对开关设备供电；

1-2)开关设备的控制电路发出分闸命令，开关设备开始执行分闸命令，触头***开始运动，当动、静触头分离后，电源停止对开关设备放电。

1-3)在此过程中：行程测量模块(位移传感器)输出电压信号U_L(t)；数据采集分析模块测量开关设备输出的电压信号U(t)与行程测量模块输出的电压信号U_L(t)；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号U_L(t)计算出开关设备的行程信号L(t)，如计算公式如(1)所示，计算结果如图6所示。

L(t)＝C₁(U_L(t)-U_L(0))(1)

式中，L(t)——触头从0时刻到t时刻移动的距离；

C₁——常数，取决于开关设备与位移传感器；

U_L(t)——t时刻，行程测量模块输出的电压；

U_L(0)——0时刻，行程测量模块输出的电压；

1-4)根据开关设备的电压信号与行程信号计算出开关设备的开距。图6中，电压信号上升至电源电压的时刻t1即为触头分离的时刻；行程信号为常数的时刻t2即为触头停止运动的时刻；这段时间内触头移动的距离就是开关设备的开距。

1-5)计算完毕以后，拆除电源、数据采集分析模块的采集卡与开关设备的联线。

步骤2)将开关设备与电网相连构成主回路，所述的电流测量模块与开关设备的主回路串联，如图7所示。在开关设备分闸操作中，用燃弧时间检测装置测量开关设备的燃弧时间，具体包括以下步骤：

2-1)开关设备处于合闸状态，回路电流流过开关设备；

2-2)开关设备的控制电路发出分闸命令，开关设备开始执行分闸命令，触头***开始运动；当动、静触头分离后，动、静触头之间开始燃弧；

2-3)燃弧结束，电力***停止对开关设备放电；

2-4)在此过程中：电流测量模块输出电压信号U_I(t)；行程测量模块输出电压信号U_L(t)；数据采集分析模块测量电流测量模块输出的电压信号U_I(t)与行程测量模块输出的电压信号U_L(t)；数据采集分析模块根据电流测量模块输出的电压信号计算出回路电流信号，计算公式如(2)所示；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号，计算公式如(1)所示，回路电流信号与行程信号如图8所示。

I(t)＝C₂U_I(t)(2)

式中，C₂——常数，取决于电流互感器的设计，本实施例中C₂＝32；

步骤3)根据开关设备的回路电流信号与行程信号计算出步骤2)的燃弧时间。图8中，行程信号为常数的时刻t6即为触头停止运动的时刻；以该时刻为终点，开距对应的时刻t5即为触头分离时刻；电流信号变为常数的时刻t7为电力***停止放电的时刻；触头分离到电力***停止放电的时间，即为燃弧时间。

步骤1)将所述检测装置的电源与开关设备并联；行程测量模块(角度位移传感器)安装在开关设备上；数据采集分析模块的采集卡与开关设备相连，如图5所示。在所述的检测方法中，也可以在开关设备合闸操作中用燃弧时间检测装置测量开关设备的开距，其工作原理和过程为：

1-1)开关设备处于分闸状态。

1-2)开关设备的控制电路发出合闸命令，开关设备开始执行合闸命令，触头***开始运动；当动、静触头接触后，回路导通，电源开始对开关设备放电。

1-3)在此过程中：行程测量模块输出电压信号U_L(t)；数据采集分析模块测量开关设备输出的电压信号U(t)与行程测量模块输出的电压信号U_L(t)；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号U_L(t)计算出开关设备的行程信号L(t)，如计算公式如(1)所示，如图9所示。

1-4)根据开关设备的电压信号与行程信号计算出开关设备的开距。图9中，初始阶段t4中行程信号为常数，此为触头静止阶段；电压信号开始下降的时刻t3即为触头关合的时刻；从触头静止到触头关合的时间内，触头移动的距离就是开关设备的开距。

1-5)计算完毕以后，拆除电源、数据采集分析模块与开关设备的联线。

步骤2)将开关设备与电网相连构成主回路，所述的电流测量模块与开关设备的主回路串联，如图7所示。在所述的检测方法中，也可以在开关设备合闸操作中用燃弧时间检测装置测量开关设备的燃弧时间，其工作原理和过程为：

2-1)开关设备处于分闸状态。

2-2)开关设备的控制电路发出合闸命令，开关设备开始执行合闸命令，触头***开始运动；触头电极之间发生预击穿，电弧在触头电极之间燃烧，回路导通；

2-3)触头电极接触，燃弧结束。

2-4)在此过程中：电流测量模块输出电压信号U_I(t)；行程测量模块输出电压信号U_L(t)；数据采集分析模块测量电流测量模块输出的电压信号U_I(t)与行程测量模块输出的电压信号U_L(t)；数据采集分析模块根据电流测量模块输出的电压信号计算出回路电流信号，计算公式如(2)所示；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号，如图10所示。

步骤3)根据开关设备的回路电流信号与行程信号计算出步骤2)的燃弧时间。图10中，初始阶段t8中行程信号为常数，此为触头静止阶段；以触头静止为起点，其开距对应的时刻t9即为触头接触的时刻；回路电流开始上升的时刻t10为电力***开始放电的时刻；从电力***开始放电t10到触头接触的时间t9，即为合闸燃弧时间，如图10所示。

Claims (8)

1.一种开关设备燃弧时间的检测装置，其特征在于，该装置包括电源、行程测量模块、电流测量模块、以及数据采集分析模块；其中，数据采集分析模块分别与行程测量模块、电流测量模块相连；所述的电源用于提供一个参考电压信号。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电源小于开关设备中电弧的维持电压，为0.1V～16V。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述行程测量模块由角度位移传感器，或者直线位移传感器组成，用于获得开关设备的行程信号。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电流测量模块采用电流互感器、霍尔电流传感器、或者是电阻之中任一种，用于获得开关设备的回路电流信号。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述数据采集分析模块由数据采集卡与工控机组成，采集卡用于采集开关设备、电流测量模块、以及行程测量模块测量的数据；工控机用于对采集卡采集的数据进行计算得到测量结果。

6.一种利用如权利要求1所述装置的进行开关设备燃弧时间的检测方法，包括以下步骤：

1)将所述检测装置的电源与开关设备并联；行程测量模块和数据采集分析模块分别与开关设备相连，在开关设备执行操作命令过程中：行程测量模块输出电压信号；数据采集分析模块采集开关设备输出的电压信号与行程测量模块输出的电压信号；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号；根据开关设备的电压信号与行程信号计算出开关设备的开距；然后拆除电源、数据采集分析模块与开关设备的联线；

2)将开关设备与电网相连构成主回路，再将所述的电流测量模块与开关设备的主回路串连；在开关设备执行操作命令过程中：电流测量模块输出电压信号；行程测量模块输出电压信号；数据采集分析模块采集电流测量模块输出的电压信号与行程测量模块输出的电压信号；数据采集分析模块根据电流测量模块输出的电压信号计算出回路电流信号；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号；

3)数据采集分析模块依据步骤1)计算出的开距、步骤2)计算出的回路电流信号和行程信号，计算出开关设备步骤2)的燃弧时间。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述开关设备操作命令为分闸操作，所述的燃弧时间为分闸燃弧时间；用燃弧时间检测装置测量开关设备的开距，具体过程为：

1-1)开关设备处于合闸状态，电源对开关设备供电；

1-2)开关设备的控制电路发出分闸命令，开关设备开始执行分闸命令，触头***开始运动，当动、静触头分离后，电源停止对开关设备放电。

1-3)行程测量模块输出电压信号U_L(t)；数据采集分析模块测量开关设备输出的电压信号U(t)与行程测量模块输出的电压信号U_L(t)；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号U_L(t)计算出开关设备的行程信号L(t)；

1-4)根据开关设备的电压信号与行程信号计算出开关设备的开距，电压信号上升至电源电压的时刻t1即为触头分离的时刻；行程信号为常数的时刻t2即为触头停止运动的时刻；这段时间内触头移动的距离就是开关设备的开距；

1-5)计算完毕以后，拆除电源、数据采集分析模块的采集卡与开关设备的联线。

步骤2)将开关设备与电网相连构成主回路，所述的电流测量模块与开关设备的主回路串联，在开关设备分闸操作中，用燃弧时间检测装置测量开关设备的燃弧时间，具体包括以下步骤：

2-1)开关设备处于合闸状态，回路电流流过开关设备；

2-2)开关设备的控制电路发出分闸命令，开关设备开始执行分闸命令，触头***开始运动；当动、静触头分离后，动、静触头之间开始燃弧；

2-3)燃弧结束，电力***停止对开关设备放电；

2-4)电流测量模块输出电压信号U_I(t)；行程测量模块输出电压信号U_L(t)；数据采集分析模块测量电流测量模块输出的电压信号U_I(t)与行程测量模块输出的电压信号U_L(t)；数据采集分析模块根据电流测量模块输出的电压信号计算出回路电流信号，计算公式如(1)所示；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号，

I(t)＝C₂U_I(t)(1)

式中，C₂——无量纲常数，取值由采用的电流测量模块确定；

步骤3)根据开关设备的回路电流信号与行程信号计算出步骤2)的燃弧时间。

8.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述开关设备操作命令为合闸操作，所述的燃弧时间为合闸燃弧时间；用燃弧时间检测装置测量开关设备的开距，具体过程为：

1-1)开关设备处于分闸状态。

1-2)开关设备的控制电路发出合闸命令，开关设备开始执行合闸命令，触头***开始运动；当动、静触头接触后，回路导通，电源开始对开关设备放电。

1-3)行程测量模块输出电压信号U_L(t)；数据采集分析模块测量开关设备输出的电压信号U(t)与行程测量模块输出的电压信号U_L(t)；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号U_L(t)计算出开关设备的行程信号L(t)。

1-4)根据开关设备的电压信号与行程信号计算出开关设备的开距，从触头静止到触头关合的时间内，触头移动的距离就是开关设备的开距；

1-5)计算完毕以后，拆除电源、数据采集分析模块与开关设备的联线；

步骤2)将开关设备与电网相连构成主回路，所述的电流测量模块与开关设备的主回路串联。

2-1)开关设备处于分闸状态。

2-2)开关设备的控制电路发出合闸命令，开关设备开始执行合闸命令，触头***开始运动；触头电极之间发生预击穿，电弧在触头电极之间燃烧，回路导通；

2-3)触头电极接触，燃弧结束；

2-4)电流测量模块输出电压信号U_I(t)；行程测量模块输出电压信号U_L(t)；数据采集分析模块测量电流测量模块输出的电压信号U_I(t)与行程测量模块输出的电压信号U_L(t)；数据采集分析模块根据电流测量模块输出的电压信号计算出回路电流信号，计算公式如(1)所示；数据采集分析模块根据行程测量模块输出的电压信号计算出开关设备的行程信号：

步骤3)根据开关设备的回路电流信号与行程信号计算出步骤2)的燃弧时间；以触头静止为起点，其开距对应的时刻t9即为触头接触的时刻；回路电流开始上升的时刻t10为电力***开始放电的时刻；从电力***开始放电到触头接触的时间，即为合闸燃弧时间。