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    重庆时时彩幸运之门: 一种基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201510117941.8

    申请日:

    2015.03.17

    公开号:

    CN104698375A

    公开日:

    2015.06.10

    当前法律状态:

    驳回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):G01R 31/327申请公布日:20150610|||实质审查的生效IPC(主分类):G01R 31/327申请日:20150317|||公开
    IPC分类号: G01R31/327 主分类号: G01R31/327
    申请人: 西安交通大学
    发明人: 王小华; 袁欢; 杨爱军; 荣命哲; 刘定新; 廖伟超; 范新凯
    地址: 710049陕西省西安市咸宁西路28号
    优先权:
    专利代理机构: 北京中济纬天专利代理有限公司11429 代理人: 张晓霞
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510117941.8

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.09.21|||2015.07.08|||2015.06.10

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的驳回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及一种基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统,该系统主要由信号转换???、量程选择???、滤波???、A/D??橐约靶藕糯砟?榈炔糠止钩?。信号转换??榘ㄆ玫缌骷偷脑怂惴糯笃?,完成电流信号到电压信号的转换,并输出至滤波???;量程选择??榘ǜ苫杉痰缙?,完成宽动态信号输入时的量程自动切换;滤波??榘陕瞬ㄆ?,完成电压转换??槭涑鲂藕诺穆瞬?,并输出至A/D???;A/D??榘?4位模数转换器,完成模拟信号到数字信号的转换,并输出至信号处理???;信号处理??橥瓿赡J黄魇涑鲂藕诺亩寥?、数字滤波、液晶的显示和与上位机之间的通信。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统,其特征在于:所述 系统包括:信号采集???、信号转换???、滤波???、A/D???、信号处理???及量程选择???,其中:
    所述信号采集??榘ㄆ宕衅?,所述信号采集??槔闷宕衅鹘?路器灭弧室内部的气体浓度的变化转化为电流信号,并将所述电流信号输出至信 号转换???;
    所述信号转换??榘ㄔ怂惴糯笃?,所述信号转换??槔盟鲈怂惴糯笃?将输入的电流信号转换为电压信号,并输出至滤波???;
    所述滤波??榘陕瞬ㄆ?,利用所述集成滤波器对信号转换??槭涑龅?电压信号进行滤波,并输出至A/D???;
    所述A/D??榘?4位精度的A/D转换器,所述A/D转换器将所述滤波后 的电压信号转换为数字电压信号并输出至信号处理???;
    所述信号处理??榘ㄐ藕挪杉ピ?,所述信号采集单元包括微处理器和液 晶显示屏,所述微处理器对所述数字电压信号进行数字滤波和采集,并完成液晶 的显示;
    所述量程选择??橛胄藕抛荒?楹托藕糯砟?榫嗔?,包括多个干簧继 电器,利用所述信号处理??榈奈⒋砥骱透苫杉痰缙髋浜鲜迪至砍痰淖远谢?用于解决信号转换??榉糯蟊妒蛔?。

    2.  根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
    优选的,所述信号采集??槭褂檬銎宕衅髯槌烧罅行问?,所述阵列 形式的气体传感器能同时检测出十二种不同的SF6分解物气体,并能同时完成十 二路信号的采集。

    3.  根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
    所述信号转换??榈脑怂惴糯笃鞑捎肔MC6042系列芯片,最小输入电流能够 达到pA级,输入电流动态范围为109。

    4.  根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
    所述量程的自动切换是通过微处理器的阈值设定控制干簧继电器的开合实 现的,所述量程选择??榈牧砍坦卜质龅滴?,分别由十个干簧继电器控制,当 信号转换??榈氖淙氲缌鞯姆党鏊诹砍痰那浞段У酱锪硪环段?,微处 理器发出两个脉冲信号,一个脉冲信号控制正在工作的干簧继电器断开,另一个 脉冲信号控制相应干簧继电器闭合,实现量程的自动切换。

    5.  根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
    所述滤波??榘ㄋ慕證hebyshev集成滤波器MAX274。

    6.  根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
    所述A/D??椴捎?4位模数转换器ADS1254。

    7.  根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
    所述信号采集单元使用STM32系列微处理器,外部扩展256MB的闪存和4MB 随机静态存储器,信号采集单元可与上位机实现通信。

    8.  根据权利要求1-7所述的系统,其特征在于:
    所述信号采集???、信号转换???、量程选择???、滤波???、A/D??橐?及信号处理??橥獠烤辛讲闫帘?,外层屏蔽材料采用铜,内层屏蔽材料采用铁, 信号采集??橛胄藕抛荒?橹洳捎闷帘蔚缋铝?。

    9.  根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
    所述屏蔽电缆在断路器灭弧室接口处密封处理,由于灭弧室内充有熄灭电弧 的SF6气体,密封处理为了防止灭弧室内气体泄漏。

    10.  根据权利要求1所述的系统,其特征在于:
    所述屏蔽电缆屏蔽层和传输导线之间的绝缘介质和各个??槟谑迪置扛龅?子元器件相互连接的印制电路板基材均采用聚四氟乙烯材料。

    说明书

    说明书一种基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统
    技术领域
    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
    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?;さ乃刈饔?。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。
    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 究可知,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(I2t)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究,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。
    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。
    研究表明,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??梢匀衔猄F6分解物浓度是诊断SF6断路器电寿命 的关键特征量。
    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106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
    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。
    为达此目的,本发明采用以下技术方案:
    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???、 量程选择???、滤波???、A/D??橐约靶藕糯砟??,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???;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??榘陕瞬ㄆ?,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???;所述信号处理??槔眯藕挪杉ピ迪侄运龅缪剐藕诺?数字滤波和采集,并进行输出。
    优选地,所述信号转换???、量程选择???、滤波???、A/D??橐约靶藕?处理??橥獠烤辛讲闫帘?,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。
    优选地,所述气体传感器的输出采用同轴电缆与信号转换??橄嗔?,以减小 外部信号的干扰。
    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。
    优选地,所述集成滤波器为MAXIM公司生产的MAX274高性能四阶滤波器。
    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。
    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。
    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109,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
    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。
    图中的附图标记所分别指代的技术特征为:
    1、气体传感器;2、信号转换???;3、量程选择???;4、滤波???;5、 A/D???;6、信号处理???。
    具体实施方式
    下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明??梢岳斫獾氖?,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。
    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???、量程选择???、滤波???、A/D???以及信 号处理???,其中:
    所述信号转换??榘推玫缌鞯脑怂惴糯笃?,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???;
    所述量程选择??榘ǜ苫杉痰缙?,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;
    所述滤波??榘陕瞬ㄆ?,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???;
    所述A/D??榘J黄?,利用所述模数转换器对滤波??槭涑龅缪剐?号进行转换,并输出至信号处理???;
    所述信号处理??槔眯藕挪杉低呈迪侄运龅缪剐藕诺氖致瞬ê筒?集,并进行输出;
    所述整个系统外面套有电磁屏蔽罩。
    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??橹械脑怂惴糯笃魇迪侄云ぐ布兜胶涟布缎藕诺牟?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??橹惺迪值缌?电压信号转换,再通过滤 波??槁瞬ê虯/D??楹蟊恍藕糯砟?樘崛?,从而实现了SF6分解物浓度的精 确测量。
    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。
    在另一个具体的实施例中,所述气体传感器的电流信号采用BNC接头引出, 通过屏蔽电缆输出电流信号。在本实施例中,所述BNC接头连接屏蔽电缆,能够 长距离传输所述电流信号并保持信号稳定。特别的,所述屏蔽电缆在灭弧室接口 处密封处理,以避免泄露SF6气体。
    所述信号转换??槭凳├?,所述极低偏置电流的运算放大器为TI公司的 输入电流为皮安级的LMC6042系列芯片。该器件的偏置电流典型值为2fA,补偿 电流最大为2pA,供电电流为4fA,具有极低的功耗。其具有极低的电压噪声和 电流噪声,在25℃,供电电压为5V,信号频率为1kHz条件下,电流噪声为0.2fA/ 电压噪声为83nV/共模抑制比最小为68dB。
    所述滤波??槭凳├?,所述集成滤波器采用MAXIM公司生产的MAX274集 成滤波器。该器件为连续时间滤波器,不会带来时钟噪声??梢杂捎没渲贸晌?Butterworth、Chebyshev、Bessel滤波器。其具有低噪声特性,THD为-86dB。 宽频带噪声典型值为42μVrms。适合做后级信号滤波电路。
    所述AD??楹托藕糯淼ピ凳├?,所述信号处理单元使用STM32F4系 列微处理器,外部扩展256MB的闪存和4MB随机静态存储器,信号采集单元可与 上位机实现通信。对于该实施例而言,将滤波??槭涑龅牡ザ诵藕抛怀刹罘中?号进行传输。单端转差分电路采用OPA4350运算放大器,差分信号通过差分输入 A/D芯片ADS1254转化为数字信号,此A/D转换芯片具有24位的采样精度,由 外部提供4.096V的参考电压。ADS1254在数字供电1.8V,模拟供电5V,时钟频 率8M的情况下的最大功耗为6.5mW。ADC转换完成后,通过下降沿触发中断引脚, 通知ARM处理器读取数据到数据存储区,当数据存储区存满后,通讯启动,数据 会传输至CPU。
    更优的,在另一个实施例中:所述电流-电压信号转换???、滤波???、A/D ??橐约靶藕糯砟?橥獠刻子械绱牌帘握?,安装在断路器之外。对于该实施例 而言,各所述??樘子械绱牌帘握质俏吮苊庑藕鸥扇?。进一步地,整个检测系 统的检测装置也可以安装在灭弧室外的闲置空间中,以不影响断路器正常工作、 避免系统各元件过热为准。
    综上所述,本发明所述的基于微弱信号处理的SF6断路器电寿命监测系统具 有以下优点:
    (1)本发明提出一种全新的基于微弱信号处理的监测断路器电寿命的系 统,只要气体传感器放电产生电流,就可实现电流-电压信号的转换以及信号的 放大和获取,而放电电流的大小反映SF6分解物浓度,因此本发明可以精确检测 SF6分解物浓度;
    (2)采用极低偏置电流的运算放大器LMC6042实现电流-电压信号转换,功 耗低,结果精确,电路简单,便于实现;
    (3)采用干簧继电器与处理器阈值电压设定实现量程的自动切换,不用人 工切换;
    (4)本发明中滤波??椴捎肕AX274集成滤波器,方便地配置成四阶 Chebyshev滤波器,没有时钟干扰,具有优良的滤波性能;
    (5)本发明中A/D??椴捎肁DS1254模数转换器,具有24位采样精度和最 高20.8kHz的采样速率;
    (6)抗电磁干扰能力强,传感器输出的微小电流经过屏蔽电缆送到检测装 置,整个信号传递通路保持良好的电磁屏蔽;
    (7)基于ARM处理器的信号采集系统由于引入进程的管理调度系统,系统 运行更加高效,在满足性能要求的前提下,具有功耗低的优点,能兼顾性能、代 码密度和价格等几个方面;
    (8)体积小,便于携带,成本低廉,大规模生产成本更低。总而言之,本 发明所述的监测系统可以很好基于气体传感器对气体浓度进行检测,检测精确度 高,检测范围广,抗电磁干扰能力强,成本低廉,容易实现,适合于工程实际应 用。
    以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能 认定本发明的具体实施方式仅限于此,对于本发明所属技术领域的普通技术人员 来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单的推演或替换,都应 当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定?;し段?。

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    一种 基于 微弱 信号 处理 SF6 断路器 寿命 监测 系统
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