投切電抗器/電容器用斷路器剩余電壽命預(yù)警系統(tǒng)

王碩君， 陳義龍， 麥榮煥， 崔佩儀

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門(mén)供電局，廣東 江門(mén) 529000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；3.廣州華工弈高科技有限公司，廣東 廣州 510640)

0 引 言

斷路器是電力系統(tǒng)控制保護(hù)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在保障電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。由于投切變電站電抗器、電容器的斷路器，處于投切頻繁、重燃和過(guò)電壓等嚴(yán)酷運(yùn)行工況，極易超出斷路器壽命造成重?fù)舸?，降低無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的絕緣性能，甚至破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行誘發(fā)大面積停電。斷路器壽命包括：儲(chǔ)存壽命、機(jī)械壽命和電壽命。儲(chǔ)存壽命以時(shí)間年為單位，按等級(jí)劃分為15年或20年；機(jī)械壽命以機(jī)械操作次數(shù)統(tǒng)計(jì)，可高達(dá)數(shù)千到上萬(wàn)次；電壽命按電流開(kāi)斷次數(shù)計(jì)算，與開(kāi)斷電流大小有關(guān)，其額定短路開(kāi)斷電流次數(shù)僅十幾次。因此，斷路器壽命是機(jī)械壽命和電壽命的較短者。根據(jù)斷路器維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，電壽命較機(jī)械壽命短。綜上，有必要監(jiān)測(cè)投切電抗器、電容器用斷路器壽命，其壽命評(píng)價(jià)的難點(diǎn)體現(xiàn)在電壽命監(jiān)測(cè)。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 402-2007《高壓交流斷路器訂貨技術(shù)條件》指出“用于電容器組投切的斷路器，操作頻繁，必須進(jìn)行電容器組開(kāi)合電流的電壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)方法正在考慮中”。試驗(yàn)方法長(zhǎng)期沒(méi)有確定的重要原因是電壽命監(jiān)測(cè)手段和試驗(yàn)研究的缺失。

在斷路器電壽命狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，先后經(jīng)歷了開(kāi)斷電流累積法[1]、開(kāi)斷電流加權(quán)累積法[2]和電弧能量加權(quán)累積法[3]。開(kāi)斷電流累積法認(rèn)為電壽命是開(kāi)斷電流與次數(shù)的乘積和，對(duì)比試驗(yàn)分析得累積開(kāi)斷電流和相等的情況下不同開(kāi)斷電流的滅弧室燒損情況差異極大。開(kāi)斷電流累積加權(quán)法在開(kāi)斷電流加權(quán)累積法基礎(chǔ)上，考慮了開(kāi)斷電流的權(quán)重能擬合工程實(shí)踐結(jié)果，且操作性強(qiáng)，被斷路器生產(chǎn)廠(chǎng)家、電網(wǎng)公司廣泛接受[4]?；陂_(kāi)斷電流加權(quán)累積法出現(xiàn)了一批斷路器電壽命在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5]，有效推動(dòng)了斷路器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。但是，開(kāi)斷電流加權(quán)累積法的權(quán)重并未計(jì)及燃弧時(shí)間，而燃弧時(shí)間是電壽命重要影響因素，與開(kāi)斷相位、直流分量有關(guān)。電弧能量加權(quán)累積法分別量化三相觸頭電磨損情況，對(duì)單次開(kāi)斷電流作燃弧時(shí)間積分，可精確獲得斷路器電壽命。文獻(xiàn)[6]通過(guò)理論分析開(kāi)斷電流加權(quán)累積法和電弧能量加權(quán)累積法差異，所獲電壽命誤差高達(dá)15%。燃弧能量加權(quán)累積法應(yīng)用的難點(diǎn)體現(xiàn)在燃弧時(shí)間測(cè)量的裝置及算法上。

在斷路器電壽命仿真和試驗(yàn)方面，文獻(xiàn)[7]建立了基于擴(kuò)散型真空電弧開(kāi)斷的真空斷路器黑盒模型，結(jié)果表明：電弧能量法進(jìn)行評(píng)估時(shí)最苛刻，轉(zhuǎn)移電荷法次之，電流有效值法最輕。文獻(xiàn)[8]分析了專(zhuān)用斷路器運(yùn)行工況，進(jìn)行了電壽命試驗(yàn)回路參數(shù)的計(jì)算、仿真、建設(shè)、調(diào)試，并完成了3個(gè)不同型號(hào)產(chǎn)品的電壽命試驗(yàn)，最后指出進(jìn)行斷路器電壽命試驗(yàn)的必要性。

為此，在研究斷路器開(kāi)斷過(guò)程和電弧能量累積加權(quán)法的基礎(chǔ)上，研究斷路器剩余電壽命預(yù)警系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，深入討論了采集單元的硬件原理和工作邏輯、合并單元通信方式、上位機(jī)軟件功能和系統(tǒng)運(yùn)行流程。研發(fā)了投切電抗器/電容器用斷路器剩余電壽命預(yù)警系統(tǒng)，并部署在某110 kV變電站，不僅能記錄斷路器開(kāi)斷電流的波形，還能根據(jù)剩余電壽命閾值發(fā)出告警提示，預(yù)測(cè)剩余電壽命發(fā)展趨勢(shì)，為斷路器管理維護(hù)提供輔助決策。

1 斷路器開(kāi)斷過(guò)程

高壓斷路器靠動(dòng)作元件確保順利完成關(guān)合、承載和開(kāi)斷正常負(fù)荷電流和故障電流，動(dòng)作元件包括滅弧室和觸頭。開(kāi)斷電流操作需要使觸頭運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力來(lái)自于斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。斷路器在開(kāi)斷短路電流時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)電弧，電弧的高溫作用會(huì)使觸頭表面燒損、變形，局部熔化氣化使觸頭金屬材料流失，造成觸頭磨損增加，最終降低斷路器的電壽命。

開(kāi)斷電流時(shí)，斷路器觸頭從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置，如圖1所示。同時(shí)系統(tǒng)經(jīng)歷復(fù)雜的暫態(tài)過(guò)程。

圖1 斷路器開(kāi)斷過(guò)程

從圖1可見(jiàn)：(1)斷路器三相觸頭分?jǐn)嗖⒎峭?，首開(kāi)相燃弧時(shí)間最長(zhǎng)；(2)開(kāi)斷電流與當(dāng)前工況有關(guān)，三相工況差異導(dǎo)致開(kāi)斷電流各不相同。因此，監(jiān)測(cè)斷路器電壽命須獲得三相開(kāi)斷電流在燃弧時(shí)間內(nèi)的波形，其中開(kāi)斷電流包括周期分量和直流分量。

2 電弧能量加權(quán)累積法

斷路器觸頭電磨損的原因是持續(xù)大電流使觸頭表面溫度上升造成磨損，其本質(zhì)需要能量，能量通過(guò)電流發(fā)熱作功產(chǎn)生。

電弧能量造成斷路器觸頭磨損量可量化為：

(1)

式中Wgi和Ti分別為第i次開(kāi)斷的電磨損量和燃弧時(shí)間；n為開(kāi)斷次數(shù)；K為常數(shù)，與斷路器型號(hào)有關(guān)，涉及滅弧介質(zhì)、冷卻條件、觸頭運(yùn)動(dòng)速度及材料等影響因素；α為加權(quán)系數(shù)，一般取1.5～2.0，可由電壽命曲線(xiàn)得到。若已知觸頭允許總磨損量為Wt，K即為電流加權(quán)累積法所獲電磨損量與電弧能量加權(quán)累積法的比值。燃弧時(shí)間決定了電壽命評(píng)估的準(zhǔn)確度。剩余電壽命Wl為

Wl=Wt-W

(2)

斷路器開(kāi)斷過(guò)程中，流經(jīng)斷路器的暫態(tài)電流變化劇烈，顯著區(qū)別于開(kāi)斷前的波形，可采用小波變換理論分析分合閘線(xiàn)圈電流：基于波形辨識(shí)技術(shù)[9]監(jiān)測(cè)波形奇異點(diǎn)位置作為起弧時(shí)刻，其與電弧熄滅時(shí)刻差值即為燃弧時(shí)間。燃弧過(guò)程中，暫態(tài)電流疊加了交流周期分量和直流分量，對(duì)信號(hào)采樣頻率提出了很高的要求。當(dāng)采樣頻率足夠大，可認(rèn)為相鄰采樣點(diǎn)間電流變化是線(xiàn)性的，某次開(kāi)斷產(chǎn)生的電磨損為：

(3)

(4)

式中T為燃弧時(shí)間，N為采樣點(diǎn)數(shù)量，i(k)為第k個(gè)時(shí)間點(diǎn)的采樣電流。

3 剩余電壽命預(yù)警系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

投切電抗器/電容器用斷路器剩余電壽命預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)采集層、信息傳輸層和診斷展示層，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集層在斷路器處安裝羅氏線(xiàn)圈和積分器構(gòu)成光電互感器，采集單元實(shí)時(shí)采集斷路器三相開(kāi)斷電流，電光轉(zhuǎn)換后輸出光信號(hào)；信息傳輸層將光纖傳輸?shù)亩嗦沸畔R集到合并單元；診斷展示層則是以預(yù)警系統(tǒng)為中心，基于電弧能量加權(quán)累積法分析斷路器電壽命，預(yù)警發(fā)布剩余電壽命。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 采集單元

采集單元主要實(shí)現(xiàn)3種功能：(1)對(duì)采集的電信號(hào)進(jìn)行濾波、積分、模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)；(2)監(jiān)控?cái)嗦菲鞣趾祥l輔助觸點(diǎn)，判斷斷路器開(kāi)、合信息，以此時(shí)間點(diǎn)確定捕捉開(kāi)、合瞬時(shí)電流值并進(jìn)行錄波；(3)對(duì)輸出信號(hào)作光電轉(zhuǎn)換，避免電磁干擾的影響。采集單元原理圖如圖3所示。

圖3 采集單元硬件結(jié)構(gòu)圖

由于普通電流互感器基于電磁感應(yīng)原理，動(dòng)態(tài)性能差、測(cè)量范圍小。在斷路器開(kāi)斷過(guò)程中，暫態(tài)大電流導(dǎo)致鐵芯磁飽和現(xiàn)象所得量測(cè)線(xiàn)性度和SCADA系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)刷新頻率均無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量斷路器開(kāi)斷電流的要求。為此，在斷路器出口安裝羅氏線(xiàn)圈和積分器構(gòu)成光電互感器，具有線(xiàn)性度好、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大、通頻帶寬大和暫態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

光電互感器輸出的A、B、C三相積分信號(hào)經(jīng)過(guò)特定電阻形成電壓信號(hào)回傳，進(jìn)入系統(tǒng)采集單元進(jìn)行獨(dú)立處理。選用時(shí)鐘頻率高的主控芯片，滿(mǎn)足開(kāi)斷電流采樣頻率的要求。光電互感器所獲電氣信號(hào)與ARM芯片所求信號(hào)范圍不匹配，需進(jìn)一步設(shè)置信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。

圖4 采集單元運(yùn)行邏輯

信號(hào)存儲(chǔ)分為EPROM及SPI兩種方式。由于斷路器開(kāi)斷電流持續(xù)時(shí)間極短，選擇SPI存儲(chǔ)芯片滿(mǎn)足開(kāi)斷電流采樣數(shù)據(jù)頻率高的要求，同時(shí)考慮系統(tǒng)可靠性采用I2C總線(xiàn)存儲(chǔ)于EPROM用于正常信息通訊并接收SPI芯片內(nèi)斷路器開(kāi)斷、關(guān)合瞬時(shí)數(shù)據(jù)存取，并采用RS485或RS232兩種通訊模式。

采集單元工作運(yùn)行邏輯如圖4所示。

3.3 合并單元

合并單元通過(guò)多路通道接收光纖傳輸?shù)碾娏鞴庑盘?hào)，再將信號(hào)通過(guò)RS485/RS232傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。合并單元解碼電路CPU負(fù)責(zé)光信號(hào)的接收和解析，主板負(fù)責(zé)信號(hào)同步和邏輯處理。

3.4 上位工控機(jī)

上位工控機(jī)是整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)中心，不僅實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，還實(shí)現(xiàn)斷路器電壽命分析、預(yù)警和預(yù)測(cè)。安裝在上位工控機(jī)的軟件系統(tǒng)顯示斷路器實(shí)時(shí)電流，通過(guò)斷路器輔助觸點(diǎn)觸發(fā)存儲(chǔ)斷路器燃弧期間開(kāi)斷電流，再對(duì)信息進(jìn)一步識(shí)別處理，基于電弧能量加權(quán)累積法評(píng)估斷路器剩余電壽命，更新儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，剩余電壽命過(guò)低時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并完成各種方式查詢(xún)和預(yù)測(cè)功能。系統(tǒng)具體功能包括：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能：對(duì)斷路器開(kāi)斷電流次數(shù)和電流數(shù)值等重要參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

(2)智能判斷功能：根據(jù)斷路器開(kāi)斷電流，綜合考慮該斷路器的電壽命曲線(xiàn)、機(jī)械特性曲線(xiàn)、故障性質(zhì)等因素，采用電弧能量加權(quán)累積法，能客觀評(píng)估斷路器實(shí)際的剩余壽命。

(3)軟件預(yù)警功能：系統(tǒng)軟件根據(jù)剩余壽命比例進(jìn)行提示和報(bào)警，剩余壽命不及50%進(jìn)行提示，剩余壽命不及20%進(jìn)行報(bào)警。

(4)歷史存儲(chǔ)查詢(xún)功能：可對(duì)斷路器故障開(kāi)斷電流的歷史數(shù)據(jù)及波形進(jìn)行Web查詢(xún)，并可根據(jù)需要設(shè)定查詢(xún)的范圍。

(5)初始數(shù)據(jù)維護(hù)功能：系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)斷路器可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行增減，可人工設(shè)定斷路器的型號(hào)、額定開(kāi)斷電流值、額定開(kāi)斷次數(shù)、初始?jí)勖然A(chǔ)數(shù)據(jù)。

(5)預(yù)測(cè)分析功能：根據(jù)斷路器電壽命評(píng)估值以及過(guò)去一年電壽命變化情況，預(yù)測(cè)未來(lái)一年剩余電壽命發(fā)展趨勢(shì)，并綜合電網(wǎng)檢修試驗(yàn)計(jì)劃，為斷路器管理維護(hù)提供輔助決策。

3.5 系統(tǒng)工作流程

圖5 運(yùn)行流程圖

綜上，系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某110 kV變電站部署投切電抗器/電容器用斷路器剩余電壽命預(yù)警系統(tǒng)。在斷路器出口處安裝光電傳感器，和分合閘輔助觸點(diǎn)接線(xiàn)一起，接入采集單元，部署如圖 6 所示。引出光纖至主控室合并單元，匯集到工控上位機(jī)。系統(tǒng)一次主接線(xiàn)圖、初始?jí)勖芾?、剩余電壽命查?xún)界面分別如圖7、圖8和圖9所示。

圖6 采集單元安裝現(xiàn)場(chǎng)

圖7 系統(tǒng)一次主接線(xiàn)圖

圖8 初始?jí)勖芾?/p>

圖9 剩余電壽命查詢(xún)

對(duì)已掛網(wǎng)的斷路器可能已進(jìn)行了多次開(kāi)、合影響了初始?jí)勖?，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研評(píng)估每臺(tái)已掛網(wǎng)的斷路器必不可少。投切電抗器/電容器用斷路器一般開(kāi)斷電流大小固定，在最大燃弧時(shí)間內(nèi)積分獲得電磨損值，結(jié)合斷路器機(jī)械壽命獲得已掛網(wǎng)斷路器的剩余電壽命置入預(yù)警系統(tǒng)中。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研發(fā)了投切電抗器/電容器用斷路器剩余電壽命預(yù)警系統(tǒng)， 并部署在某110 kV變電站。系統(tǒng)采用光電互感器提高采集系統(tǒng)性能；采用EPROM和SPI相互配合保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性和高速性； 通過(guò)光纖傳輸克服電磁干擾； 基于波形辨識(shí)技術(shù)獲得

斷路器開(kāi)斷的燃弧時(shí)間，進(jìn)而量化斷路器觸頭磨損情況。系統(tǒng)不僅能記錄斷路器開(kāi)斷電流的波形，還能根據(jù)剩余電壽命閾值發(fā)出告警提示，預(yù)測(cè)剩余電壽命發(fā)展趨勢(shì)，為斷路器管理維護(hù)提供輔助決策。

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