一种基于微弱信号处理的sf6断路器电寿命监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计涉及电力系统电器领域开关设备的在线监测，具体涉及高压SF6断路 器电寿命的在线监测。
【背景技术】
[0002] 随着电力系统的不断发展，电力系统的容量与日俱增。作为电力系统中重要的开 关设备，SF6气体以其优良的绝缘性能被采用作为高压断路器的绝缘介质和灭弧介质，因此 使得72. 5kV及以上的电力系统中SF6断路器占据了绝对的优势，对电力系统起控制和保护 的双重作用。电寿命指的是断路器不经检修的连续开断能力，也即烧尽规定的的触头材料 的磨损量。SF6断路器的电寿命诊断指的是通过对各种检测方法取得的信息，经过科学全面 综合分析，掌握设备的当前状况和寿命期望，它是电力设备状态检修的基础和前提。
[0003] 影响SF6断路器电寿命的主要指标是电磨损程度，包括触头、灭弧室和灭弧介质 三个部分，其中起决定作用的通常是触头的电磨损，通过对电磨损的研宄可知，电磨损的主 要决定因素是断路器的开断电流I，燃弧时间t、灭弧室的结构及其动触头的运行速度等。 以往对电磨损的评估判断是以记录累计开断电流（I)或累计电弧能量（I 2t)为依据的。事 实上，同一断路器在同样的外部条件下先后两次开断同样大小的电流值，其烧损程度也不 可能相同，而且，开断电流相差很大时，断路器触头的烧损机理不同，烧损相差更大。另外电 磨损虽然取决于电弧能量，但还与触头分断速度等有关，且电磨损与电弧能量没有比例关 系。因此要对断路器触头电磨损、电寿命监测作进一步研宄，对断路器触头进行电寿命评估 需要解决电寿命的概念和工程实施方法问题。
[0004] 现有的计算断路器电寿命的方法主要是开断电流累计法，它是根据触头的质量损 耗计算电寿命，是基于高压断路器的电寿命曲线的累计法。但是，不同短路电流下的触头电 磨损程度是不一样的，而其磨损量和短路电流大小并不成线性关系。仅用累计开断电流来 判断触头烧损量是不够的。因此，判断触头烧损量要考虑到每次开断不同短路电流所产生 的不同磨损量，从而给SF6断路器的电寿命检测带来了很大的困难。因此，需要对现有的电 寿命检测状况进行革新，不能仅依赖于开断电流大小，而通过反映SF6断路器弧触头烧蚀 状况来监测和评估断路器的电寿命，从而有望获得较为准确的电寿命监测结果，弥补目前 国内外尚无高压SF6断路器行之有效的电寿命监测技术和方法的缺陷，为高压SF6断路器 智能化产品的升级换代提供理论与技术指导。
[0005] 研宄表明，SF6断路器在开断过程中伴随电弧的燃烧过程，触头烧蚀产生大量金属 蒸气，同时伴随着SF6气体的分解，金属蒸气和分解物长期存在于灭弧室内。因此，金属蒸 气和SF6分解物浓度的含量与触头的烧蚀程度及断路器的电寿命密切相关，可以通过SF6 分解物浓度的检测来反映出SF6气体的分解程度以及灭弧室的燃弧情况。可以认为SF6分 解物浓度是诊断SF6断路器电寿命的关键特征量。
[0006] 近年来，随着碳纳米管技术的飞跃发展，碳纳米管传感器以其独特的优势已逐步 应用到高压GIS局部放电的监测，使其具备了应用到高压SF6断路器电寿命监测的可能性。 利用气体传感器监测SF6分解物浓度来反应断路器的电寿命具有一定可行性，但传感器输 出的电流在纳安级及其以下，所以如何精确的检测出微弱的电流信号是SF6分解物浓度实 时监测的关键。因此，研制一套能够检测皮安级电流，输入电流动态范围能够达到1〇 6及以 上的检测系统十分必要，再将此套系统和传感技术应用于SF6断路器的寿命评估，能够解 决SF6断路器电寿命在线监测的技术难题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提出一种基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统，能 够检测气体传感器发出的皮安级到毫安级电流信号，并最终实现SF6分解物浓度的精确测 量，从而通过SF6分解物浓度来反映SF6断路器的电寿命。
[0008] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0009] 一种基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统，包括：信号转换模块、量程 选择模块、滤波模块、A/D模块以及信号处理模块，其中：所述信号转换模块包括极低偏置 电流的运算放大器，利用极低偏置电流的运算放大器将传感器输出的皮安到毫安电流信号 转换为电压信号，并输出至滤波模块；所述量程选择模块包括干簧继电器，利用微处理器和 干簧继电器配合实现量程的自动切换；所述滤波模块包括集成滤波器，利用所述集成滤波 器对所述电压信号进行滤波，并输出至信号处理模块；所述信号处理模块利用信号采集单 元实现对所述电压信号的数字滤波和采集，并进行输出。
[0010] 优选地，所述信号转换模块、量程选择模块、滤波模块、A/D模块以及信号处理模块 外部均有两层屏蔽，外层屏蔽材料采用铜，内层屏蔽材料采用铁，安装在断路器之外。
[0011] 优选地，所述气体传感器的输出采用同轴电缆与信号转换模块相连，以减小外部 信号的干扰。
[0012] 优选地，所述极低偏置电流的运算放大器为TI公司的偏置电流最大在数个飞安 的LMC6042系列芯片。
[0013] 优选地，所述集成滤波器为MAXM公司生产的MAX274高性能四阶滤波器。
[0014]优选地，所述模数转换器为TI公司生产的ADS1254高速高精度模数转换器。
[0015] 优选地，所述信号采集单元使用STM32F4系列微处理器，其具有较低的价格并且 较快的处理速度。外部扩展256MB的闪存和4MB随机静态存储器，以完成采集数据的存储。
[0016] 因此，本发明能够检测微型传感器发出的pA级电流信号，输入电流动态范围为 1〇 9,并最终实现SF6分解物浓度的精确测量，能够为SF6断路器的电寿命在线监测提供依 据。具有操作方便，可就地和远程监控，抗干扰能力强等优点。
【附图说明】
[0017]图1是根据本发明具体实施例的基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统 的结构示意图。
[0018]图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
[0019] 1、气体传感器；2、信号转换模块；3、量程选择模块；4、滤波模块；5、A/D模块；6、 信号处理模块。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描 述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便 于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0021] 参见图1，公开了根据本发明具体实施例的基于微弱信号处理的SF6断路器电寿 命监测系统的结构示意图，一种基于微弱信号处理的SF6断路器寿命监测系统，包括：、信 号转换模块2、量程选择模块3、滤波模块4、A/D模块5以及信号处理模块6,其中：
[0022] 所述信号转换模块包括极低偏置电流的运算放大器，利用极低偏置电流的运算放 大器将传感器输出电流信号转换为电压信号，并输出至滤波模块；
[0023] 所述量程选择模块包括干簧继电器，利用所述干簧继电器和处理器的阈值电压设 定实现量程的自动切换；
[0024] 所述滤波模块包括集成滤波器，利用所述集成滤波器对所述电压信号进行滤波， 并输出至A/D模块；
[0025] 所述A/D模块包括模数转换器，利用所述模数转换器对滤波模块输出电压信号进 行转换，并输出至信号处理模块；
[0026] 所述信号处理模块利用信号采集系统实现对所述电压信号的数字滤波和采集，并 进行输出；
[0027] 所述整个系统外面套有电磁屏蔽罩。
[0028] 因此，本发明的基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统，首先解决了电 流-电压信号转换的问题，降低信号传输功耗，利于信号后续采集和处理；其次本发明通 过信号转换模块中的运算放大器实现对皮安级到毫安级信号的测量，有效抑制共模噪声信 号，提高测量精度；再次，本发明采用ARM微控制器的控制器作为信号采集单元的核心，通 过ARM微控制器的相关数字算法优化，实现微弱信号的提取和降低噪声信号，保证采集单 元的精度要求。这样一来，气体传感器将电流信号发出后，在信号转换模块中实现电流-电 压信号转换，再通过滤波模块滤波和A/D模块后被信号处理模块提取，从而实现了 SF6分解 物浓度的精确测量。
[0029] 所述电磁屏蔽罩材料外层采用铜，内层材料采用铁，当电磁场通过时，通过铜材料 屏蔽磁场，铁材料屏蔽电场，能够达到良好的电磁屏蔽效果。铜材料和铁材料厚度均为1mm， 一方面达到较高的反射损耗和折射损耗，另一方面减少设计成本。
[0030] 在另一个具体的实施例