技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力保护设备技术领域，尤其涉及一种快速接地开关开断特性的检验与判断装置及方法。
背景技术
[0002] 单相自动重合闸的成功与否很大程度上取决于故障处潜供
电弧能否快速熄灭。线路发生单相接地故障时，故障相
断路器立即断开，此时故障点的瞬时接地弧光本应随之熄灭，但由于故障相与正常相之间、故障相与大地之间存在较强的电磁耦合和静电耦合，会给故障点继续提供潜供
电流，形成潜供电弧。快速接地开关由于能够熄灭输电线路的潜供电弧而得到广泛应用。一次完整熄灭潜供电弧的过程不仅是包括关合快速接地开关释放潜供电流，使潜供电弧暂时熄灭，还包括开断快速接地开关使故障相线路完成重合闸，使故障相线路重新投入工作，在开断过程中，电磁耦合和静电耦合作用仍然存在会继续产生潜供电流，快速接地开关能否成功开断潜供电流直接影响线路重合闸的成功率。
[0003] 快速接地开关分闸时，由于触头间距小、
电场强度大，极易发生气体击穿而在触头间产生电弧，在潜供电流近零时，电弧摄入
能量很低而熄灭；过零后的短时间内，电弧
温度急剧下降，但仍有少数电弧
等离子体在恢复
电压的作用下产生电流，为电弧提供能量，与此同时，能量也通过传导、
对流及
辐射等
传热方式向外散去，当摄入的能量大于散出的能量时，会发生热击穿，在此过程中，电弧的
电阻逐渐减小，因此可利用电弧电阻的变化作为热击穿的击穿判据；对于SF6气体而言，温度低于4000K时，电弧电阻很大，此时热击穿很难发生，由于触头间恢复电压的存在，
电击穿是电弧重燃的主要原因，当瞬态恢复电压(TRV)大于触头的临界
击穿电压，发生电击穿，因此可利用临界击穿电压和TRV的对比作为电击穿的判据。
[0004]
现有技术中，对于高压开关开断特性的研究对象主要针对的是高压断路器，缺乏对快速接地开关开断特性进行深入研究，其研究思路为：根据流柱理论提出的气体击穿判据，对断路器空载开断过程中触头间绝缘介质的介质恢复特性进行研究来判断高压断路器能否成功空载开断，该思路缺乏对热恢复过程的考虑，因此，如果在前人的研究成果上，发明一种快速接地开关开断特性的检验装置及方法，能够同时检测热击穿和电击穿显得尤为重要。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种快速接地开关开断特性的检验与判断装置及方法，装置的各部分连接简单，输入量提取、输出量保存导出方便，整个装置非常智能化，检验与判断方法具有较强的实用性，对工程实践具有指导性作用。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
[0007] 一方面，本发明提供一种快速接地开关开断特性的检验与判断装置，包括滤光装置、CCD高速摄像机、A/D转换器、电流互感器、电压互感器和PC机；
[0008] 所述快速接地开关安装在线路两侧，其罐体上与两个触头
接触点平行的
位置开设有一对相对的
石英视窗；在快速接地开关罐体外部正对石英视窗的位置，依次设有滤光装置和CCD高速摄像机；所述滤光装置包括沿光路前后设置的滤光片和凸透镜；所述CCD高速摄像机的镜头对准滤光装置的凸透镜，用于采集快速接地开关触头间的电弧，所述CCD高速摄像机的视频输出端经过一个A/D转换器后连接至PC机，用于将CCD高速摄像机采集的电弧视频
信号进行
模数转换后输入到PC机中；
[0009] 所述电流互感器与快速接地开关
串联，用于测量流过快速接地开关的电流，所述电流互感器的电流输出端通过另一个A/D转换器连接至PC机；所述电压互感器与快速接地开关并联，用于测量快速接地开关两端的电压，所述电压互感器的电压输出端通过第三个A/D转换器连接至PC机；
[0010] 所述PC机中存储有计算机可执行的判断程序，用于根据CCD高速摄像机采集的电弧视频图像，基于比色测温法获得电弧温度值，再根据该电弧温度值和电流互感器与电压互感器检测的电流与电压数据进行开断特性的判断。
[0011] 进一步地，所述滤光片包括沿光路前后设置的中性滤光片和干涉滤光片。
[0012] 另一方面，本发明还提供一种快速接地开关开断特性的检验与判断方法，采用上述的检验与判断装置实现，包括以下步骤：
[0013] 步骤1：对快速接地开关开断过程进行实时监测，利用电流互感器、电压互感器测量流过快速接地开关的电流和触头两端的电压；
[0014] 步骤2：当触头间出现电弧时，由滤光装置透过石英视窗对触头间的电弧进行滤光，通过CCD高速摄像机采集滤光后的电弧视频图像；
[0015] 步骤3：将电弧视频图像经A/D转换器进行模数转换，将转换后的
数字量传入PC机；
[0016] 步骤4：在PC机中对电弧视频图像进行辐射
亮度或灰度的提取，根据比色测温法得到温度与电弧图像的关系，获得电弧温度；
[0017] 步骤5：当电弧电流近零后，判断电弧温度是否大于4000K，若电弧温度大于4000K，则执行步骤5.1，否则执行步骤5.2；
[0018] 步骤5.1：利用电弧电阻的变化率来判断是否发生热击穿，然后执行步骤6；
[0019] 步骤5.2：利用临界击穿电压值和Ub瞬态恢复电压UTRV的比较来判断是否发生电击穿，然后执行步骤6；
[0020] 步骤6：若热击穿和电击穿判据均不成立，则判定快速接地开关开断成功；若两种判据有一个成立，则说明开断失败。
[0021] 进一步地，所述步骤5.1中判断是否发生热击穿的具体方法为：
[0022] 步骤5.1.1：监测电流互感器电流I是否近零，取I0为一个电流足够小的值，当|I|＜I0时，认为电流近零，执行步骤5.1.2，否则继续进行步骤5.1.1；
[0023] 步骤5.1.2：根据电压互感器、电流互感器测得的触头电压U和电流I，计算触头间电弧的电阻值R，R＝U/I；
[0024] 步骤5.1.3：根据电弧电阻的变化趋势来判定是否发生热击穿，若dR/dt＜0，则发生热击穿，反之，则不会热击穿发生。
[0025] 进一步地，所述步骤5.2中判断是否发生电击穿的具体方法为：
[0026] 步骤5.2.1：利用Fluent仿真
软件计算触头附近气室内气流场和电场，得到场强最大值E和
密度最小值ρ；
[0027] 步骤5.2.2：根据下式计算出临界击穿电压值Ub：Ub＝1.167ρ/E；
[0028] 步骤5.2.3：通过临界击穿电压值和Ub瞬态恢复电压UTRV的比较来判定是否发生热电击穿，若Ub＜UTRV，则发生电击穿，反之，则不会电击穿发生。
[0029] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种快速接地开关开断特性的检验与判断装置及方法，通过电压互感器、电流互感器以及CCD高速摄像机配合比色测温法测量电弧的电压、电流以及温度值，装置的各部分连接简单，输入量提取、输出量保存导出方便，整个装置非常智能化；同时根据上述装置检测到的电气量，本发明将SF6气体击穿判据进行优化提出了一种判定快速接地开关开断的判据方法，具有较强的实用性，对工程实践具有指导性作用。
附图说明
[0030] 图1为本发明
实施例提供的快速接地开关开断特性的检验与判断装置结构示意图；
[0031] 图2是本发明实施例提供的快速接地开关石英视窗安装位置示意图；
[0032] 图3是本发明实施例提供的A/D转换器芯片
电路图；
[0033] 图4是本发明实施例提供的快速接地开关开断特性的检验与判断方法的
流程图。
[0034] 图中：1、快速接地开关；101、石英视窗；102、静触头；103、动触头；104、罐体；2、滤光装置；201、滤光片；202、凸透镜；3、CCD高速摄像机；4、A/D转换器；5、电流互感器；6、电压互感器；7、PC机。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0036] 如图1所示，本实施例提供一种快速接地开关开断特性的检验与判断装置，包括：滤光装置2、CCD高速摄像机3、A/D转换器4、电流互感器5、电压互感器6和PC机7。
[0037] 被测快速接地开关1安装在线路两侧，由于接地开关属于封闭式组合电器，因此，CCD高速摄像机3从外部无法拍摄内部触头间电弧图像，因此在快速接地开关罐体外部动、静触头刚分点平行位置开设一对石英视窗，这样摄像机透过石英视窗101可拍摄罐体104内静触头102和动触头103之间的电弧图像，石英视窗101安装位置示意图如图2所示。
[0038] 滤光装置2包括沿光路前后设置的滤光片201和凸透镜202。
[0039] 所述滤光片201包括沿光路前后设置的中性滤光片和干涉滤光片。本实施例中，中性滤光片采用型号为NE502B中性密度滤光片，光密度OD值为0.2，透光率63％，厚度为3.44mm，可用波段在400～1100nm，用于过滤、减弱光强，防止高强度光线影响CCD高速摄像机3的灵敏度，电弧图像首先经过中性滤光片进行过滤；干涉滤光片选用型号为BP808的
510nm带通滤光片，用于通过特定
波长范围的光，CCD高速摄像机3通过其可将电弧图像转化为
光信号，电弧图像经过中性滤光片后再经带通滤光片筛选特定波长的光。
[0040] 所述凸透镜202选用的型号为11A1399R，透镜焦距为175mm，图像经滤光片201过滤后再经凸透镜202放大电弧图像
分辨率，这样CCD高速摄像机3距离被测的快速接地开关1有一定距离也可方便拍摄。
[0041] CCD高速摄像机3，用于拍摄电弧图像，对准滤光装置的凸透镜202，其核心器件是电荷
耦合器件CCD(Charge Coupled Device的缩写)，电弧图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个
像素积累的电荷在视频时序的控制下，经处理后，形成
视频信号输出。所述CCD高速摄像机3的视频输出端经过一个A/D转换4后连接至PC机7，用于将CCD高速摄像3机采集的电弧视频信号进行模数转换后输入到PC机7中，根据比色测温法从电弧视频信号中得到温度与电弧图像的对应关系，进而获得电弧温度。
[0042] 比色测温法是一种非接触式测温方法，根据热辐射体在两个及以上波长范围内的
光谱辐射亮度之比与温度之间的函数关系对温度进行测量的方法，关系如下：
[0043]
[0044] 式中，T为温度；c2＝1.44×10-2m.k为第二辐射常数；λ1、λ2不同辐射波长；不同辐射波长下的辐射亮度； 为辐射亮度与辐射能之间的比例系数，是红、绿、蓝三种
颜色辐射亮度的函数。
[0045] 电流互感器5采用的型号为LZZBJ9-10A3G，用于测量流过快速接地开关1的电流I，串联于线路中，电流值通过另一个A/D转换器4转换成
数字信号送入PC机7中以备后续处理。
[0046] 电压互感器6采用的型号为JDG4-0.5100000/100，用于测量流过快速接地开关1的电压U，并联于线路中，电压值通过第三个A/D转换器4转换成数字信号送入PC机7中以备后续处理。
[0047] 本实施例中的三个A/D转换器4均采用Burr-Brown公司推出的高
精度AD采集芯片ADS7809，它是具有16位带
采样保持的基于电容的
逐次逼近寄存器型
模数转换器，100kHz采样速率，20kHz输入时的
信噪比达83dB；引脚3(REF)为输入端，引脚8 引脚19(VANA)、引脚20(VDIG)接+5V电源，输出端为引脚13(SDA)用于将CCD高速摄像机3采集的电弧视频信号、电流互感器5测量的电流或电压互感器6测量的电压进行模数转换，从而可以将转换后的数字信号输入到PC机7中，A/D转换器芯片电路图如图3所示。
[0048] PC机7中存储有计算机可执行的判断程序，用于根据CCD高速摄像机3采集的电弧视频图像，基于比色测温法获得电弧温度值，再根据该电弧温度值和电流互感器5与电压互感器6检测的电流与电压数据进行开断特性的判断。
[0049] 本实施例提供的快速接地开关开断特性的检验与判断方法，采用上述的快速接地开关开断特性的检验与判断装置实现，该方法的流程图如图4所示，具体包括以下步骤：
[0050] 步骤1：对快速接地开关开断过程进行实时监测，利用电流互感器5、电压互感器6测量流过快速接地开关1的电流和触头两端的电压；
[0051] 步骤2：当触头间出现电弧，由滤光装置2对触头间的电弧滤光，通过CCD高速摄像机3采集电弧视频图像；
[0052] 步骤3：将电弧视频图像经A/D转换器4进行模数转换，将数字量传入PC机7；
[0053] 步骤4：在PC机7中，对电弧视频图像进行辐射亮度或灰度的提取，根据比色测温法得到温度与电弧图像的关系，获得电弧温度；
[0054] 步骤5：当电弧电流近零后，判断电弧温度是否大于4000K，若电弧温度大于4000K，则执行步骤5.1，否则执行步骤5.2；
[0055] 步骤5.1：利用热击穿判据判断是否发生热击穿，然后执行步骤6，判断是否发生热击穿的具体方法为：
[0056] 步骤5.1.1：监测电流互感器电流I是否近零，取I0为一个电流足够小的值，当|I|-＜I0时，认为电流近零，执行步骤5.1.2，否则继续进行步骤5.1.1；本实施例中，取I0＝10
6A。
[0057] 步骤5.1.2：根据电压互感器5、电流互感器6测得的触头电压U和电流I，计算触头间电弧的电阻值R，R＝U/I；
[0058] 步骤5.1.3：根据电弧电阻的变化趋势来判定是否发生热击穿，若dR/dt＜0，则发生热击穿，反之，则不会热击穿发生；
[0059] 步骤5.2：利用电击穿判据判断是否发生电击穿，然后执行步骤6，判断是否发生电击穿的具体方法为：
[0060] 步骤5.2.1：利用Fluent仿真软件计算触头附近气室内气流场和电场，得到场强最大值E和密度最小值ρ；
[0061] 步骤5.2.2：根据下式计算出临界击穿电压值Ub：Ub＝1.167ρ/E；
[0062] 步骤5.2.3：通过临界击穿电压值和Ub瞬态恢复电压UTRV的比较来判定是否发生热电击穿，若Ub＜UTRV，则发生电击穿，反之，则不会电击穿发生；
[0063] 步骤6：若热击穿和电击穿判据均不成立，则判定快速接地开关开断成功，但若两种判据有一个成立，则说明开断失败。
[0064] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明
权利要求所限定的范围。
