电气开关装置的气体填料的寿命预测的制作方法

1.本发明涉及一种预测电气开关装置的气体填料的寿命的方法。

背景技术：

2.最初，电气开关装置的系统可填充有形成电气开关装置的气体填料的绝缘气体。例如，绝缘气体可由六氟化硫(sf6)组成或包含六氟化硫。随着时间的推移，气体填料可能从系统泄漏，使得绝缘性能可能降低。为了确保最低绝缘性能，例如针对布置在充气系统内的开关器件，可限定气体填料的最小压力值。一旦气体填料的压力下降到低于此最小压力值，电气开关装置的操作就可能变得危险。这就是建议在这种情况下停止电气开关装置的操作的原因。不幸的是，这种情况可意外发生，并且导致电气开关装置的不期望的停机时间。

技术实现要素：

3.因此，本发明的目的是提供一种预测电气开关装置的气体填料的寿命的方法。具体地，应避免电气开关装置的意外停机时间。
4.本发明的目的通过一种预测电气开关装置的气体填料的寿命的方法来解决，该方法包括以下步骤：
5.a)在第一时间点t1在预定温度t
p
下测量含有气体填料的电气开关装置的系统中的第一压力值p1，并且在第二时间点t2在相同的预定温度t
p
下测量含有气体填料的电气开关装置的系统中的第二压力值p2，或者
6.b)在第一时间点t1在预定温度范围内的第一温度t1下测量含有气体填料的电气开关装置的系统中的第一压力值p1，并且在第二时间点t2在相同的预定温度范围内的第二温度t2下测量含有气体填料的电气开关装置的系统中的第二压力值p2，
[0007]-计算第一压力值p1与第二压力值p2之间的压力差δp，以及
[0008]-基于所述压力差δp来计算气体填料的寿命。
[0009]
以此方式，可避免电气开关装置的意外停机时间，并且可更好地计划电气开关装置的维护。
[0010]
为了避免可能由布置在充气系统内的开关器件的开关操作引起的气体填料的快速温度变化，建议在相同的预定温度t
p
下或至少在预定温度范围内的温度下测量压力值。具体地，在打开此类开关器件的开关触点期间，开关电弧可快速加热气体填料，并且引起气体填料的压力p和温度t曲线图中的尖峰。测试和研究揭示了压力p的尖峰与温度t的尖峰之间存在时间差。因此，为了考虑温度t对压力p的影响，使用以下气体方程：
[0011]
p
·vgas
＝r
·
t
[0012]
其中r是气体填料的气体常数并且v
gas
是气体填料的体积，可能导致在不利情况下，详细地讲，即在此类转变阶段如关闭开关器件期间进行压力p和温度t测量的情况下，寿命预测无效。然而，这不一定意味着仅在预定温度t
p
下或在温度范围内测量压力值，而是可
连续地测量压力p，并且可以从数据流中拾取合适的值以用于寿命预测计算。
[0013]
具体地，气体填料的总寿命lt
total
可通过使用以下公式来计算：
[0014][0015][0016][0017]
其中p1是第一压力值，p2是第二压力值，δp是第二压力值p2与第一压力值p1之间的压力差，t1是第一时间点并且t2是第二时间点，δt是第二时间点t2与第一时间点t1之间的时间差，δp
ptu
是每时间单位(例如每年)标称压降，lt
nominal
是气体填料的标称寿命，p
low
是气体填料的最小压力值并且p
high
是气体填料的最大压力值。
[0018]
气体填料的最小压力值p
low
可确保最低绝缘水平。低于该值，电气开关装置的操作可能变得危险。气体填料的最大压力值p
high
通常是系统被填满时的初始压力。气体填料的标称寿命lt
nominal
是气体填料的预期寿命，例如30年。每时间单位标称压降δp
ptu
对应于此标称寿命lt
nominal
和最大压力值p
high
与最小压力值p
low
之间的差。
[0019]
气体填料的剩余寿命lt
remain
可通过使用以下公式来计算：
[0020][0021]
在另一个实施方案中，气体填料的总寿命lt
total
可通过使用以下公式来计算：
[0022][0023]
其中p1是第一压力值，p2是第二压力值，p
low
是气体填料的最小压力值，p
high
是气体填料的最大压力值，δp是第二压力值p2与第一压力值p1之间的压力差，t1是第一时间点，t2是第二时间点，并且δt是第二时间点t2与第一时间点t1之间的时间差。
[0024]
另外，气体填料的剩余寿命lt
remain
可通过使用以下公式来计算：
[0025][0026]
其中p1是第一压力值，p2是第二压力值，p
low
是气体填料的最小压力值，δp是第二压力值p2与第一压力值p1之间的压力差，t1是第一时间点并且t2是第二时间点，并且δt是第二时间点t2与第一时间点t1之间的时间差。
[0027]
在有利实施方案中，通过使用以下公式，前述公式中的第一压力值p1可由p
1corr
代替并且以参考温度t
ref
作为参考并且/或者第二压力值p2可由p
2corr
代替并且以参考温度t
ref
作为参考：
[0028]
[0029][0030]
其中t1是第一温度，t2是第二温度，v
gas
是气体填料的体积，r是气体填料的气体常数，p
1corr
是第一校正压力值并且p
2corr
是第二校正压力值。通过这些手段，当限定用于进行压力测量的温度范围时，可更准确地确定压力p1和p2。优选地，参考温度t
ref
在所述温度范围内。
[0031]
优选地，基于电容器的体积变化来计算第一压力值p1和/或第二压力值p2，在电容器的两个电极之间具有作为介电材料的弹性体。
[0032]
详细地讲，基于压力变化δp的弹性体或介电材料的变形可引起初始压力下的初始体积v0的成比例体积变化δv。比例因子通常表示为b，并且压力变化δp的公式写作：
[0033][0034]
可基于电容压力传感器的电容的变化来计算体积变化。假设电容器是球形的，电容c可通过使用以下公式来计算：
[0035][0036]
其中ro是外部柔性电极的半径，ri是内部(刚性)电极的半径，ε0是绝对电容率或绝对介电常数，并且εr是相对电容率或相对介电常数。基于已知的内部(刚性)电极的半径ri和外部柔性电极的半径ro，在初始压力和实际压力下，可轻松计算体积变化δv，并且因此计算压力变化δp。当然，其他形状(例如圆柱形)的电容压力传感器也起作用。
[0037]
优选地，如果第一压力值p1或第二压力值p2下降到低于气体填料的最小压力值p
low
，则输出警报。例如，该警报可经由信号灯和/或无线接口输出以便告知负责人员。以此方式，可识别异常压降。
[0038]
有利地，预定温度t
p
或预定温度范围根据iec标准iec 62271-100/200或电气开关装置的标称温度操作范围来选择。以此方式，可选择适当的预定温度t
p
或温度范围。
附图说明
[0039]
现在将在下文中参考特定实施方案更详细地描述本发明，然而本发明不限于这些实施方案。
[0040]
图1示出了电气开关装置的示意图，并且
[0041]
图2示出了评估单元的更详细的实施方案。
具体实施方式
[0042]
一般来讲，相同的部件或类似的部件用相同/类似的名称和附图标记表示。说明书中公开的特征适用于分别具有相同/类似名称附图标记的部件。指示取向和相对位置与相关联的附图相关，且对取向和/或相对位置的指示因此必须根据具体情况在不同的附图中相应地修改。
[0043]
图1示出了电气开关装置1的示意图，该电气开关装置包括在电气开关装置1的外壳4内的气罐3中的气体填料2。气体填料2具有压力p，体积v
gas
和温度t。
[0044]
在气罐3中，电气开关装置1包括电容压力传感器5，该电容压力传感器具有外部电极6、内部电极7和位于二者之间的介电材料8以及基座9。介电材料8可由弹性体组成或包括弹性体。可基于由电极5和电极6以及介电材料8形成的电容器的体积变化来计算气体填料2的压力p。
[0045]
此外，温度传感器10布置在基座9上。电容压力传感器5和温度传感器10连接到评估单元11a，该评估单元包括处理器12、存储器13和无线接口14。此外，信号灯15连接到评估单元11a。最后，电气开关装置1包括布置在气体填料2中的示例性开关器件16。
[0046]
应注意，气罐3可以是填充有气体填料2的更大系统的一部分。例如，系统可包括另外的腔室、管等。因此，压力传感器5和/或温度传感器10不一定布置在气罐3中，而是可布置在填充有绝缘气体的系统内的另一个位置处。
[0047]
电气开关装置1的功能现在描述如下：
[0048]
最初，系统并且因此气罐3填充有形成电气开关装置1的气体填料2的绝缘气体。例如，绝缘气体可由六氟化硫(sf6)组成或包含六氟化硫。随着时间的推移，气体填料2可能从系统中泄漏，具体地从气罐3泄漏，使得绝缘性能可能降低。为了确保最低绝缘性能，例如针对开关器件16和其他装置(视情形而定)，可限定气体填料2的最小压力值p
low
。一旦气体填料2的压力p下降到低于此最小压力值p
low
，电气开关装置1的操作就可能变得危险。这就是建议在这种情况下停止电气开关装置1的操作的原因。
[0049]
为了避免电气开关装置1的意外停机时间，根据以下方法来预测气体填料2的寿命，该方法包括以下步骤：
[0050]
a)在第一时间点t1在预定温度t
p
下测量含有气体填料2的电气开关装置1的系统中的第一压力值p1，并且在第二时间点t2在相同的预定温度t
p
下测量含有气体填料2的电气开关装置1的系统中的第二压力值p2，或者
[0051]
b)在第一时间点t1在预定温度范围内的第一温度t1下测量含有气体填料2的电气开关装置1的系统中的第一压力值p1，并且在第二时间点t2在相同的预定温度范围内的第二温度t2下测量含有气体填料2的电气开关装置1的系统中的第二压力值p2，
[0052]-计算第一压力值p1与第二压力值p2之间的压力差δp，以及
[0053]-基于所述压力差δp来计算气体填料2的寿命。
[0054]
具体地，气体填料的总寿命lt
total
可通过使用以下公式来计算：
[0055][0056][0057][0058]
其中p1是第一压力值，p2是第二压力值，δp是第二压力值p2与第一压力值p1之间的压力差，t1是第一时间点并且t2是第二时间点，δt是第二时间点t2与第一时间点t1之间
的时间差，δp
ptu
是每时间单位(例如每年)标称压降，lt
nominal
是气体填料2的标称寿命，p
low
是气体填料2的最小压力值并且p
high
是气体填料2的最大压力值。
[0059]
如已经提到的，p
low
是气体填料2的最小压力值，高于此最小压力值下，就能确保电气开关装置1的安全操作。气体填料2的最大压力值p
high
通常是系统或气罐3被填满时的初始压力。气体填料2的标称寿命lt
nominal
是气体填料2的预期寿命，例如30年。每时间单位标称压降δp
ptu
对应于气体填料2的标称寿命lt
nominal
和气体填料2的最大压力值p
high
与最小压力值p
low
之间的差。
[0060]
气体填料2的剩余寿命lt
remain
可通过使用以下公式来计算：
[0061][0062]
详细地讲，在该实施方案中，借助于压力传感器5，通过测量由电极6和电极7形成的电容来测量气体填料2的压力p。为了避免可能由开关器件16的开关操作引起的气体填料2的快速温度变化，建议在相同的预定温度t
p
下或至少在预定温度范围内的温度下测量压力值。具体地，在打开开关器件16的开关触点期间，开关电弧可快速加热气体填料2，并且引起气体填料2的压力p和温度t曲线图中的尖峰。测试和研究揭示了压力p的尖峰与温度t的尖峰之间存在时间差。为了考虑温度t对压力p的影响，使用以下气体方程：
[0063]
p
·vgas
＝r
·
t
[0064]
其中r是气体填料的气体常数，可能导致在不利情况下，详细地讲，即在此类转变阶段如关闭开关器件16期间进行压力p和温度t测量的情况下，寿命预测无效。然而，这不一定意味着仅在预先确定的温度t
p
下或在温度范围内测量压力值，而是可连续地测量压力p，并且可以从数据流中拾取合适的值以用于寿命预测计算。
[0065]
因此，详细地讲，评估单元11a的处理器12可通过使用压力传感器5来连续地(即，以预先确定的时间间隔)进行压力p的测量并且通过使用温度传感器10来连续地进行温度t的测量，并且将压力值和温度值存储在存储器13中。为了计算气体填料2的寿命，可从存储器13读取测得值并且将其用于上述计算。另选地，处理器12可通过使用温度传感器10来监测温度t并且在合适的温度下测量压力p。
[0066]
预定温度t
p
或预定温度范围可根据iec标准iec 62271-100/200或电气开关装置1的标称温度操作范围来选择。以此方式，可选择适当的预定温度t
p
或温度范围。
[0067]
在优选实施方案中，如果第一压力值p1或第二压力值p2下降到低于气体填料2的最小压力值p
low
，则输出警报。例如，该警报可经由信号灯15和/或无线接口14输出以便告知负责人员。以此方式，可识别异常压降。
[0068]
在另一个实施方案中，气体填料2的总寿命lt
total
可通过使用以下公式来计算：
[0069][0070]
并且气体填料2的剩余寿命lt
remain
可通过使用以下公式来计算：
[0071][0072]
在所有实施方案中，有利地，通过使用以下公式，前述公式中的第一压力值p1可由
p
1corr
代替并且以参考温度t
ref
作为参考并且/或者第二压力值p2可由p
2corr
代替并且以参考温度t
ref
作为参考：
[0073][0074][0075]
其中p
1corr
是第一校正压力值并且p
2corr
是第二校正压力值。通过这些手段，当限定用于进行压力测量的温度范围时，可更准确地确定压力。优选地，参考温度t
ref
在所述温度范围内。
[0076]
通常，可基于由电极6和电极7以及介电材料8形成的电容器的体积变化来计算气体填料2的压力p，如前所述。详细地讲，基于压力变化δp的弹性体或介电材料8的变形引起初始压力下的初始体积v0的成比例体积变化δv。比例因子通常表示为b，并且压力变化δp的公式写作：
[0077][0078]
可基于电容压力传感器5的电容的变化来轻松计算体积变化δv。假设电容器是球形的，电容c可通过使用以下公式来计算：
[0079][0080]
其中ro是外部柔性电极6的半径，ri是内部(刚性)电极7的半径，ε0是绝对电容率或绝对介电常数，并且εr是相对电容率或相对介电常数。基于已知的内部(刚性)电极7的半径ri和外部柔性电极6的半径ro，在初始压力和实际压力下，可轻松计算体积变化δv，并且因此计算压力变化δp。
[0081]
图2最后示出了评估单元11b的更详细的实施方案，除了图1的评估单元11a的部分之外，还包括信号注入器17、信号调节器18、信号放大器19和电容器20。提供信号注入器17以将信号施加到串联的电容器20和电容压力传感器5。提供信号调节器18以基于电容器20上的电压并且基于温度传感器10的信号来生成压力信号。最后，信号放大器19放大来自信号调节器18的信号并且将其信号输出到处理器12。
[0082]
应注意，本发明不限于上文公开的实施方案，但不同变型的组合是可能的。实际上，电气开关装置1和评估单元11a、11b可具有比附图中所示的更多或更少的部件。此外，本说明书可包括另外的独立发明的主题。
[0083]
还应注意，术语“包括”不排除其它元件，并且冠词“一(a或an)”的使用不排除多个。还可组合关联不同实施方案描述的元件。还应注意，权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求书的范围。
[0084]
附图标号列表
[0085]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电气开关装置
[0086]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气体填料
[0087]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气罐
[0088]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
外壳
[0089]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压力传感器
[0090]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
外部电极
[0091]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
内部电极
[0092]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
介电材料
[0093]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基座
[0094]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
温度传感器
[0095]
11a、11b
ꢀꢀ
评估单元
[0096]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
处理器
[0097]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
存储器
[0098]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
无线接口
[0099]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信号灯
[0100]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
开关器件
[0101]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信号注入器
[0102]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信号调节器
[0103]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信号放大器
[0104]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电容器
[0105]
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
压力
[0106]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
温度
[0107]vgas
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气体填料的体积

技术特征：

1.预测电气开关装置(1)的气体填料(2)的寿命的方法，所述方法包括以下步骤：a)在第一时间点t1在预定温度t
p
下测量含有所述气体填料(2)的所述电气开关装置(1)的系统中的第一压力值p1，并且在第二时间点t2在所述相同的预定温度t
p
下测量含有所述气体填料(2)的所述电气开关装置(1)的所述系统中的第二压力值p2，或者b)在第一时间点t1在预定温度范围内的第一温度t1下测量含有所述气体填料(2)的所述电气开关装置(1)的系统中的第一压力值p1，并且在第二时间点t2在所述相同的预定温度范围内的第二温度t2下测量含有所述气体填料(2)的所述电气开关装置(1)的所述系统中的第二压力值p2，-计算所述第一压力值p1与所述第二压力值p2之间的压力差δp，以及-基于所述压力差δp来计算所述气体填料(2)的寿命，其特征在于基于电容器的体积变化来计算所述第一压力值p1和/或所述第二压力值p2，在所述电容器的两个电极(6,7)之间具有作为介电材料(8)的弹性体。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述气体填料的总寿命lt
total
通过使用以下公式来计算：公式来计算：公式来计算：其中p1是所述第一压力值，p2是所述第二压力值，δp是所述第二压力值p2与所述第一压力值p1之间的所述压力差，t1是所述第一时间点并且t2是所述第二时间点，δt是所述第二时间点t2与所述第一时间点t1之间的时间差，δp
ptu
是每时间单位标称压降，lt
nominal
是所述气体填料(2)的标称寿命，p
low
是所述气体填料(2)的最小压力值并且p
high
是所述气体填料(2)的最大压力值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述气体填料(2)的剩余寿命lt
remain
通过使用以下公式来计算：4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于所述气体填料(2)的所述总寿命lt
total
通过使用以下公式来计算：其中p1是所述第一压力值，p2是所述第二压力值，p
low
是所述气体填料(2)的所述最小压力值，p
high
是所述气体填料(2)的所述最大压力值，δp是所述第二压力值p2与所述第一压力值p1之间的所述压力差，t1是所述第一时间点并且t2是所述第二时间点，并且δt是所述第二时间点t2与所述第一时间点t1之间的所述时间差。
5.根据权利要求1、2或4所述的方法，其特征在于所述气体填料(2)的所述剩余寿命lt
remain
通过使用以下公式来计算：其中p1是所述第一压力值，p2是所述第二压力值，p
low
是所述气体填料(2)的所述最小压力值，δp是所述第二压力值p2与所述第一压力值p1之间的所述压力差，t1是所述第一时间点并且t2是所述第二时间点，并且δt是所述第二时间点t2与所述第一时间点t1之间的所述时间差。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于通过使用以下公式，所述第一压力值p1由p
1corr
代替并且以参考温度t
ref
作为参考并且/或者所述第二压力值p2由p
2corr
代替并且以参考温度t
ref
作为参考：作为参考：其中t1是所述第一温度，t2是所述第二温度，v
gas
是所述气体填料(2)的体积，r是所述气体填料(2)的气体常数，p
1corr
是第一校正压力值并且p
2corr
是第二校正压力值。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于如果所述第一压力值p1或所述第二压力值p2下降到低于所述气体填料(2)的最小压力值p
low
，则输出警报。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于所述预定温度t
p
或所述预定温度范围根据iec标准iec 62271-100/200或所述电气开关装置(1)的标称温度操作范围来选择。9.一种用于预测电气开关装置(1)的气体填料(2)的寿命的系统，所述系统包括：i.压力传感器(5)，所述压力传感器用于测量所述电气开关装置(1)的系统中的压力值，所述压力传感器(5)包括电容器，在所述电容器的两个电极(6,7)之间具有作为介电材料(8)的弹性体，ii.温度传感器(10)，所述温度传感器用于测量所述电气开关装置(1)的系统中的压力值，iii.评估单元(11a)，所述评估单元包括处理器(12)和存储器(13)，所述电容压力传感器(5)和所述温度传感器(10)连接到所述评估单元(11a)，其中所述系统被配置为执行以下步骤：a)在第一时间点t1在使用所述温度传感器(10)测得的预定温度t
p
下使用所述压力传感器(5)测量含有所述气体填料(2)的所述电气开关装置(1)的系统中的第一压力值p1，并且在第二时间点t2在使用所述温度传感器(10)测得的所述相同的预定温度t
p
下使用所述压力传感器(5)测量含有所述气体填料(2)的所述电气开关装置(1)的所述系统中的第二压力值p2，或者b)在第一时间点t1在预定温度范围内使用所述温度传感器(10)测得的第一温度t1下使用所述压力传感器(5)测量含有所述气体填料(2)的所述电气开关装置(1)的系统中的第一压力值p1，并且在第二时间点t2在所述相同的预定温度范围内使用所述温度传感器
(10)测得的第二温度t2下使用所述压力传感器(5)测量含有所述气体填料(2)的所述电气开关装置(1)的所述系统中的第二压力值p2，-计算所述第一压力值p1与所述第二压力值p2之间的压力差δp，以及-基于所述压力差δp来计算所述气体填料(2)的寿命，其中基于电容器的体积变化来计算所述第一压力值p1和/或所述第二压力值p2，在所述电容器的两个电极(6,7)之间具有作为介电材料(8)的弹性体。

技术总结

本发明公开了一种预测电气开关装置(1)的气体填料(2)的寿命的方法，其中在不同的时间点t1、t2在预定温度T

技术研发人员：

E

受保护的技术使用者：

伊顿智能动力有限公司

技术研发日：

2022.09.05

技术公布日：

2023/3/10