高壓斷路器機(jī)械部件生命周期模型研究

趙旭州，周 剛

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

隨著高壓斷路器使用時間的增加，機(jī)械機(jī)構(gòu)、觸頭磨損，分合閘二次機(jī)構(gòu)等故障問題日益凸顯，此類問題導(dǎo)致斷路器相關(guān)部件老化、損壞，引起斷路器運行失常，直接影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，甚至導(dǎo)致地區(qū)大面積停電，給企業(yè)及用戶帶來了不可逆轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。為了預(yù)防上述問題的出現(xiàn)，須檢修人員定期對高壓斷路器進(jìn)行全方面的“體檢”，及時發(fā)現(xiàn)斷路器機(jī)構(gòu)故障并安排檢修計劃。為了合理地制定檢修計劃，幫助檢修人員減少工作，提高工作效率，須對高壓斷路器機(jī)械部件進(jìn)行生命周期研究。然而生命周期的結(jié)果是否準(zhǔn)確，取決于評估模型的合理性，精準(zhǔn)的生命周期評估模型可以降低用戶的停電時間，提高社經(jīng)濟(jì)效益、設(shè)備利用率及保障電網(wǎng)安全運行。

近年來，越來越多學(xué)者開始研究高壓斷路器的生命周期模型，但大多數(shù)研究基本針對斷路器各部分成本作為邊界條件，以經(jīng)濟(jì)成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，建立斷路器的剩余經(jīng)濟(jì)生命周期模型。上述這些成果僅分析了斷路器全生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)成本的合理性，但是對斷路器機(jī)械部件生命周期模型建立與研究所述較少。不能很好預(yù)測尚未出現(xiàn)故障的高壓斷路器剩余生命周期，不能幫助檢修人員及時發(fā)現(xiàn)高壓斷路器存在的隱患，無法起到安全運行指導(dǎo)性的作用。

因此本文建立了高壓斷路器機(jī)械部件生命周期模型方法。對于尚未出現(xiàn)故障的高壓斷路器，能夠針對機(jī)械部件的生命周期進(jìn)行評估，通過主動設(shè)置故障源，解決故障下的檢測數(shù)據(jù)樣本數(shù)量少的技術(shù)問題，且使檢測數(shù)據(jù)與故障的關(guān)聯(lián)性更密切，有助于提高故障分析的準(zhǔn)確度。

1 現(xiàn)狀分析

不同型號的斷路器發(fā)生的故障現(xiàn)象是不同的，通過研究總結(jié)為斷路器內(nèi)部構(gòu)件在受到環(huán)境、電流的熱效應(yīng)等影響所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而引發(fā)性能降低。

絕緣性劣化：斷路器在長時間運行時，內(nèi)部會流過較大的負(fù)荷電流，電流的磁效應(yīng)以及熱效應(yīng)會導(dǎo)致絕緣材料劣化，當(dāng)劣化到臨界位置時，還會進(jìn)一步引起局部放電，最終導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)故障。

機(jī)械性劣化：斷路器在磁場的變化下，內(nèi)部會受到應(yīng)力的作用。應(yīng)力會造成斷路器零部件松動以及結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空隙，進(jìn)而影響絕緣性能。

熱劣化：在長時間受到電流熱效應(yīng)的作用下，斷路器的材料內(nèi)部會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，進(jìn)一步影響絕緣性能，分內(nèi)部絕緣物質(zhì)的熱劣化、密封材料的熱劣化等。

環(huán)境劣化：斷路器長時間經(jīng)受風(fēng)吹雨打，惡劣天氣會在絕緣物表面產(chǎn)生污穢從而引發(fā)絕緣性能降低；酸雨會導(dǎo)致金屬材料表面發(fā)生腐蝕；高溫天氣會促使SF6氣體在接觸電弧后發(fā)生高溫分解等。

斷路器故障的發(fā)生有著其自身的規(guī)律。如果檢修人員能夠通過檢測裝置獲得高壓斷路器的典型參數(shù)并結(jié)合合理的生命周期模型進(jìn)行分析，就可以得到該斷路器的狀態(tài)，從而實現(xiàn)預(yù)測斷路器性能發(fā)展趨勢的功能，對電氣設(shè)備檢修、電網(wǎng)安全運行、企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

2 技術(shù)方案

2.1 制定方案

在尚未出現(xiàn)故障的高壓斷路器的每個機(jī)械運動部件上均安裝非接觸式位移傳感器，在斷電條件下反復(fù)分合閘直至斷路器損壞，將平均分合閘次數(shù)作為該型號斷路器壽命，并記錄對應(yīng)機(jī)械部件位移量，建立同型號高壓斷路器的機(jī)械特性與機(jī)械部件生命周期的關(guān)聯(lián)模型、同型號高壓斷路器帶電分合閘次數(shù)與接觸電阻的關(guān)聯(lián)模型。將待評估高壓斷路器的機(jī)械特性檢測數(shù)據(jù)輸入所述機(jī)械特性與機(jī)械部件生命周期的關(guān)聯(lián)模型，獲得待評估高壓斷路器的機(jī)械部件生命周期評估結(jié)果；獲得待評估高壓斷路器帶電分合閘的次數(shù)，與同型號高壓斷路器帶電分合閘次數(shù)與接觸電阻的關(guān)聯(lián)模型對比，獲得接觸電阻的評估結(jié)果作為機(jī)械部件生命周期評判依據(jù)。

2.2 方案實施

2.2.1 建立同型號高壓斷路器的機(jī)械特性與機(jī)械部件生命周期模型

在正常高壓斷路器的每個機(jī)械運動部件上均安裝非接觸式位移傳感器；根據(jù)高壓斷路器的維護(hù)要求，依次選擇一項維護(hù)要求使其不達(dá)標(biāo)，在斷電條件下，對該高壓斷路器不斷重復(fù)分合閘試驗，直至該高壓斷路器的機(jī)械部件出現(xiàn)損壞，記錄試驗過程中分合閘次數(shù)N；記錄試驗過程中各個機(jī)械運動部件在分合閘過程中的位移數(shù)據(jù)并關(guān)聯(lián)對應(yīng)維護(hù)要求不達(dá)標(biāo)對應(yīng)故障，而后修復(fù)高壓斷路器，并進(jìn)行下一項維護(hù)要求不達(dá)標(biāo)的試驗。

在待評估的高壓斷路器的每個機(jī)械運動部件上均安裝非接觸式位移傳感器，對待評估的高壓斷路器進(jìn)行一次分合閘，獲得非接觸式位移傳感器所測得的位移數(shù)據(jù)，將待評估的高壓斷路器的非接觸式位移傳感器所測得的位移數(shù)據(jù)與歷史位移數(shù)據(jù)對比，獲得最接近的歷史位移數(shù)據(jù)對應(yīng)的分合閘試驗次數(shù)n，將（N-n）作為待評估的高壓斷路器的剩余使用生命周期。

非接觸式位移傳感器包括激光發(fā)射器、限流電阻、光敏電阻、供電模塊、反射貼紙、電壓傳感器和通信模塊，激光發(fā)射器固定安裝在高壓斷路器的外殼內(nèi)，沿法向?qū)?zhǔn)機(jī)械運動部件外表面的一個對準(zhǔn)點，調(diào)整使激光發(fā)射器出射光與機(jī)械運動部件外表面法向具有夾角，在機(jī)械運動部件的行程內(nèi)，激光發(fā)射器的對準(zhǔn)點沿機(jī)械運動部件的外表面移動，形成移動范圍，反射貼紙貼附在機(jī)械運動部件上并覆蓋所述對準(zhǔn)點的移動范圍，所述反射貼紙具有若干個沿機(jī)械運動部件行程等間距排列的高反射區(qū)，相鄰高反射區(qū)之間為低反射區(qū)，高反射區(qū)寬度與低反射區(qū)寬度相等，激光發(fā)射器的光斑直徑等于該間隔寬度的整倍數(shù)，光敏電阻安裝于激光發(fā)射器關(guān)于機(jī)械運動部件外表面法向?qū)ΨQ的另一側(cè)，光敏電阻一端接地，另一端通過限流電阻與供電模塊連接，電壓傳感器采集光敏電阻與限流電阻連接點的電壓，電壓傳感器與通信模塊連接。

2.2.2 建立同型號高壓斷路器帶電分合閘次數(shù)與接觸電阻的關(guān)聯(lián)模型

獲得同型號高壓斷路器全部歷史檢測數(shù)據(jù)中的帶電分合閘次數(shù)，以及對應(yīng)次數(shù)時測得的接觸電阻。

將接觸電阻按對應(yīng)的帶電分合閘次數(shù)分組，獲得每個帶電分合閘次數(shù)下的全部接觸電阻，并求均值。

將帶電分合閘次數(shù)作為自變量，將帶電分合閘次數(shù)對應(yīng)的接觸電阻均值作函數(shù)值，進(jìn)行擬合，將擬合函數(shù)作為同型號高壓斷路器帶電分合閘次數(shù)與接觸電阻的關(guān)聯(lián)模型。將待評估高壓斷路器的接觸電阻與關(guān)聯(lián)模型輸出的接觸電阻的商，作為待評估高壓斷路器的接觸電阻的評估結(jié)果。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2022年1月，在浙江省某地市供電公司作為試點單位，實現(xiàn)高壓斷路器設(shè)備剩余生命周期的應(yīng)用。目前已在該供電公司所屬多個單位和部門推廣應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

通過建立合理的高壓斷路器機(jī)械部件生命周期模型提高了公司變電安全運行的管理水平，提高了班組工作質(zhì)量、工作能力、工作效率，提升業(yè)務(wù)質(zhì)效和基層班組“獲得感”，支撐公司設(shè)備管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型；同時提升了電網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)感知、智能互動能力，為電力行業(yè)提供了典型范例，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 效益分析

高壓斷路器作為電網(wǎng)中關(guān)鍵的電氣設(shè)備，旨在建立合理的高壓斷路器機(jī)械部件生命周期模型。對于尚未出現(xiàn)故障的高壓斷路器，給出機(jī)械部件的生命周期評估結(jié)果，作為高壓斷路器狀態(tài)評估的結(jié)果。

通過建立高壓斷路器機(jī)械部件生命周期模型使檢修人員能夠全方位、多角度地分析和掌握斷路器運行狀態(tài)和生命周期，根據(jù)現(xiàn)有信息制定合理的檢修維護(hù)策略。

檢修人員根據(jù)結(jié)果制定合理的檢修計劃，可以在一定程度上減少不必要的作業(yè)，同時還能降低設(shè)備的檢修費用。

通過對高壓斷路器機(jī)械部件生命周期的檢測，幫助檢修人員及時發(fā)現(xiàn)高壓斷路器存在的隱患，將隱患從根源上消滅，防患于未然，對安全可靠供電具有重要指導(dǎo)意義。

主動設(shè)置故障源可以解決故障下檢測數(shù)據(jù)樣本數(shù)量少的技術(shù)問題，同時通過主動設(shè)置故障源可以讓檢測數(shù)據(jù)和機(jī)械部件故障兩者之間更具有關(guān)聯(lián)性，從而有助于提高故障分析的準(zhǔn)確度對保障電網(wǎng)的安全運行、提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

5 結(jié)束語

本文所建立的高壓斷路器機(jī)械部件生命周期模型，適用于全電壓等級高壓斷路器，不同型號不同電壓等級的產(chǎn)品可以通過前期故障數(shù)據(jù)和故障模擬建立相應(yīng)機(jī)械特性相關(guān)的生命周期評估模型和分合閘次數(shù)相關(guān)故障判斷模型，可實現(xiàn)高壓斷路器狀態(tài)評估和生命周期預(yù)判。研究過程中秉承電力系統(tǒng)生產(chǎn)“安全第一”的原則，致力于解決重要而又傳統(tǒng)的狀態(tài)評估中存在的低效、有安全隱患、過分依賴人工經(jīng)驗的問題，幫助檢修人員及時發(fā)現(xiàn)高壓斷路器存在的隱患，將隱患從根源上消滅，起到防患于未然的作用。