孫 華,王 賓
基于分合閘電氣量的真空斷路器滅弧能力在線檢測研究
孫 華1,王 賓2
(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255049;2.電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)電機(jī)系),北京 100084)
高壓真空斷路器滅弧性能的退化易導(dǎo)致斷路器觸頭動(dòng)作過程中持續(xù)性電弧的產(chǎn)生,將會(huì)破壞觸頭表面粗糙度,導(dǎo)致滯后分合閘時(shí)間,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)擊穿爆炸事故。因此,亟待開展高壓真空斷路器滅弧性能監(jiān)測研究?,F(xiàn)有對(duì)高壓真空斷路器滅弧性能的研究主要采用對(duì)滅弧室真空度的測量,但是存在測量周期較長、無法保證氣密性等問題。通過分析滅弧室內(nèi)熄弧原理,發(fā)現(xiàn)根據(jù)介質(zhì)恢復(fù)時(shí)電弧電阻對(duì)電弧電流衰減特性的影響可以反演滅弧室內(nèi)的熄弧水平。據(jù)此提取電弧電流趨勢項(xiàng)作為滅弧能力的表征量,提出了一種僅基于電氣量的高壓真空斷路器滅弧能力在線檢測方法。該方法具有能夠快速實(shí)時(shí)監(jiān)測及測量手段安全的優(yōu)勢,現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及數(shù)字仿真驗(yàn)證了其有效性。
高壓真空斷路器;滅弧室;電弧電流;在線檢測;電氣量
隨著配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的快速發(fā)展,饋線中越來越多地使用斷路器作為開關(guān)設(shè)備,并且基于斷路器動(dòng)作延時(shí)級(jí)差配合實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)段的選擇性隔離[1-3]。此時(shí)一旦斷路器滅弧性能不佳,無法熄滅持續(xù)性電弧,將滯后分合閘時(shí)間[4],嚴(yán)重威脅配電網(wǎng)運(yùn)行安全,因此亟待開展基于電氣量的斷路器滅弧能力在線檢測技術(shù)研究。
現(xiàn)有對(duì)真空斷路器滅弧室的檢測方法一般采用對(duì)滅弧室內(nèi)真空度的量測,分為在線檢測與離線檢測兩類。離線檢測的特點(diǎn)在于可以定期檢查與維護(hù),常見的主要方法有:觀察法[4-5],工頻耐壓法[6-8],磁控放電法[9-10]。觀察法原理為:玻璃外殼隨滅弧室內(nèi)真空度降低其表面顏色由于電弧燃燒及器件氧化而發(fā)生變化,在滅弧室仍具備良好真空度時(shí)其內(nèi)部明亮,而當(dāng)嚴(yán)重受損時(shí)其內(nèi)部灰暗;該方法雖然簡單直接,但僅限于檢測玻璃鋼真空滅弧室。工頻耐壓法的原理是固定觸頭兩端間距后通過逐漸增大極間電壓,判斷能在固定時(shí)間內(nèi)不被擊穿認(rèn)為真空度合格;該方法只能定性判斷真空度上限,不適用于臨界狀態(tài)的滅弧室性能檢測。磁控放電法通過向滅弧室施加電場和磁場,檢測離子電流與真空度的關(guān)系,判斷真空度的大?。蝗欢摲椒ㄔ诜烹姾鬁缁∈覂?nèi)有氣體交換過程,不能循環(huán)重復(fù)測量,導(dǎo)致檢測過程周期時(shí)長,且存在誘發(fā)斷路器接地或短路故障的風(fēng)險(xiǎn)。
為了提高供電可靠性和減少時(shí)間,常見的在線檢測方法有:光電變化法[11-12]、屏蔽電位法[13-15]等。光電變換法利用電光效應(yīng),基于傳感器在不同電場中的光學(xué)性能變化判別真空狀態(tài);該方法傳感器元件成本高,操作復(fù)雜且工作穩(wěn)定性較差。屏蔽電位法利用正常情況下,滅弧室屏蔽罩無靜電荷附著,但隨著真空度絕緣度的降低,屏蔽罩的直流電位將隨之發(fā)生改變的原理,通過測量屏蔽罩累積電荷判別真空度;但該方法在實(shí)現(xiàn)屏蔽罩電氣連接時(shí)無法保證滅弧室的氣密性,導(dǎo)致測量精度較低。
針對(duì)上述問題,本文摒棄以斷路器滅弧室真空度來表征斷路器滅弧能力的傳統(tǒng)做法,基于弧隙能量平衡熄弧原理,以介質(zhì)恢復(fù)時(shí)電弧電阻對(duì)電弧電流衰減特性的影響來反演滅弧室內(nèi)熄弧水平,提出了一種僅基于電氣量的真空斷路器滅弧能力在線檢測方法。
高壓真空斷路器中核心部件為真空滅弧室[16],又名真空開關(guān)管,如圖1所示,主要包括氣密絕緣外殼、導(dǎo)電回路、屏蔽系統(tǒng)、波紋管等部件。
其中,波紋管主要承擔(dān)電極能在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)和長期保持高真空的作用,保證真空滅弧室的剩余壽命。在真空斷路器分合閘過程中,波紋管受到伸縮作用,而且波紋管內(nèi)外存在氣壓差時(shí),表面應(yīng)力發(fā)生改變,同時(shí),其在切合短路電流時(shí),導(dǎo)電桿的余熱將傳遞至波紋管上,高溫會(huì)影響波紋管的疲勞程度。屏蔽系統(tǒng)能夠吸收一部分電弧能量,有利于提高觸頭間介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度,但長時(shí)間使用后,其冷凝電弧的生成物將附著在屏蔽罩表面,將會(huì)影響其滅弧水平??梢?,滅弧室的滅弧工況與溫度氣壓密切相關(guān)。
圖1 真空滅弧室結(jié)構(gòu)圖
為了進(jìn)一步探尋滅弧室內(nèi)溫度氣壓對(duì)滅弧能力的影響,分析滅弧的機(jī)理如下。對(duì)于穩(wěn)定燃燒的電弧,其輸入能量與耗散能量相等[17];一旦耗散能量大于輸入能量時(shí),電弧將逐漸趨于熄滅。單位時(shí)間單位體積下,散熱形式包括三種形式:傳導(dǎo)散熱T、輻射散熱S、對(duì)流散熱K,電弧的能量平衡方程表達(dá)式[18]為
式中,為單位體積下電弧的輸入能量。
1) 傳導(dǎo)散熱T
式中:為平均熱導(dǎo)率;為滅弧室氣體溫度;0為弧柱表面溫度;0為電弧軸心半徑;表示距離電弧軸心半徑處。由式(2)可見,當(dāng)滅弧室內(nèi)溫度升高,溫差絕對(duì)值減小,其傳導(dǎo)散熱值減小。
2) 輻射散熱S
式中:為輻射散熱系數(shù),其值為由實(shí)驗(yàn)獲取的常數(shù);1為滅弧室內(nèi)氣壓;2為滅弧室的大氣壓(pa);m為激發(fā)粒子的高能統(tǒng)計(jì)值。斷路器操作過程中,滅弧室中可能會(huì)發(fā)生放體、吸氣、擴(kuò)散、滲透、漏氣等現(xiàn)象,由于滅弧室內(nèi)外存在壓力差,空氣會(huì)通過細(xì)微小孔慢慢進(jìn)入滅弧室引起內(nèi)壓上升。根據(jù)式(3)可知輻射散熱表達(dá)式為溫度和氣壓的函數(shù),內(nèi)壓上升引起輻射散熱降低。
3) 對(duì)流散熱K
式中:為氣體流動(dòng)速度;為電弧直徑。對(duì)流散熱受氣體流動(dòng)速度影響較大,真空滅弧室雖然不具備SF6滅弧室中的氣體吹弧功能,但其觸頭產(chǎn)生的橫向磁場同樣對(duì)弧道電子的擴(kuò)散起到積極作用[19]。
綜上可知,當(dāng)滅弧室內(nèi)溫度較高時(shí),意味著波紋管疲勞程度較高,不利于傳導(dǎo)散熱;氣壓較高時(shí),滅弧室內(nèi)外壓差不利于輻射散熱;滅弧室觸頭受損嚴(yán)重則不利于對(duì)流散熱??梢?,滅弧室內(nèi)主要器件受損劣化將直接影響滅弧室內(nèi)電弧的散熱性。
電弧的輸入能量與耗散能量平衡時(shí)維持穩(wěn)定燃燒,且電弧的熄滅過程與其散熱性密切相關(guān)。因此,本文接下來將從電氣量角度探尋可量化表征斷路器滅弧室滅弧能力的特征量,分析如下。
采用三段式電弧模型模擬滅弧室的燃弧-熄弧特性[20],其核心Mayr電弧模型基于能量平衡理論,描述了電弧的弧隙耗散功率(散熱性、熄弧特性)與電弧間隙輸入功率(來自外施電源)之間的函數(shù)關(guān)系,如式(5)所示。
式中:為電弧電導(dǎo);為電弧時(shí)間常數(shù);為單位長度弧隙輸入功率;0為單位長度弧隙耗散功率。
與式(1)相同,式(5)中0同樣為式(2)—式(4)的和,其值受溫度、氣壓影響。溫度升高氣壓變大使耗散功率0減小,dd的正負(fù)號(hào)可表征電弧電阻增大或者減小的變化趨勢。當(dāng)耗散功率0小于輸入功率時(shí),dd0,說明電弧電阻值呈減小趨勢,可見,電弧的散熱性可由電弧電阻值的變化趨勢來量化表示。但斷路器內(nèi)電弧電阻與電弧電壓無法直接測量,可量測的只有測量點(diǎn)電壓和電流,因此接下來分析量測點(diǎn)和斷路器內(nèi)部電氣量之間的關(guān)系。
以斷路器所在交流濾波器支路為例[21],繪制電弧等值高頻振蕩回路,如圖2所示。
圖中:為電源內(nèi)阻、線路電阻和回路損耗電阻之和;a為電弧電阻電源,由母線側(cè)發(fā)出;分別為回路等值電感、電容,其值大小主要取決于所在交流濾波器支路;a為非線性電弧電阻。
根據(jù)基爾霍夫定律,將電阻電壓值、回路等效電感電壓、回路等效電容電壓、動(dòng)態(tài)電阻電壓分別用R()L()C()Ra()表示,可列寫回路電壓方程:
圖2 電弧電流衰減振蕩回路
當(dāng)斷口間隙剛被擊穿,電弧尚未完全燃燒,處于起弧階段時(shí),電弧阻值較大,有[(arc())/(2)]2>1/(),式(6)所描述系統(tǒng)回路將呈現(xiàn)過阻尼狀態(tài),一旦電弧進(jìn)入穩(wěn)態(tài)燃燒階段,電弧電阻值將明顯減小,此時(shí)系統(tǒng)將從過阻尼狀態(tài)過渡到欠阻尼狀態(tài)。由于()=d/d,式(6)經(jīng)拉普拉斯變換最終得電流表達(dá)式,如式(7)所示。
式中:a為穩(wěn)態(tài)初始電流幅值;0為振蕩頻率;為衰減系數(shù),其定義為
分析式(6)—式(9)可見,電弧電流()的衰減特性主要取決于(+a())/(2),由于同一系統(tǒng)固定,可見()衰減受電弧電阻值R的直接影響,如圖3所示,并且結(jié)合如圖4所示實(shí)際錄波數(shù)據(jù)可見[22],仿真與實(shí)際燃弧波形在起弧時(shí)刻都有迅速起弧上升趨勢,并在第一次過零后衰減呈穩(wěn)態(tài)振蕩狀態(tài),經(jīng)皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算后得出兩組電流波形相似系數(shù)為0.886,即呈現(xiàn)高度相關(guān)性,證明了本文仿真結(jié)果的較高準(zhǔn)確性。
圖3 高頻電弧電流
圖4 實(shí)際燃弧故障錄波數(shù)據(jù)
本文基于“控制論”電弧模型[23-24],利用不同弧長模擬弧隙散熱不再恒定的工況,仿真不同工況下過零時(shí)電弧電阻值的不同。記高頻電弧電流第一次過零后峰值為p,對(duì)應(yīng)過零時(shí)電弧阻值為p。由表1可見,隨著弧隙長度的增加,電弧阻值增大會(huì)加快電弧電流的衰減。
表1 不同弧長下Rp、ip
綜上,電弧電流衰減趨勢項(xiàng)可以描述滅弧室熄弧能力,根據(jù)熄弧阻值的不同變化,歸一化后電弧電流衰減趨勢項(xiàng)的形態(tài)一般有3種,如圖5所示。滅弧室性能正常時(shí)如圖5(c)所示,而隨著熄弧阻值的減小,電弧電流衰減趨勢項(xiàng)將逐漸向圖5(b)、5(a)劣化轉(zhuǎn)變。因此,在原有采樣數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,有效甄別出電弧電流衰減趨勢狀態(tài)是后續(xù)判斷滅弧室滅弧性能是否優(yōu)良的關(guān)鍵。
圖5 不同狀態(tài)下電弧電流趨勢項(xiàng)形態(tài)
首先是對(duì)于電弧電流趨勢項(xiàng)的提取,本文采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)實(shí)現(xiàn),EMD可以根據(jù)信號(hào)的局部尺度特征自適應(yīng)地將其逐一分解為本征項(xiàng)和趨勢項(xiàng),EMD具體分解實(shí)現(xiàn)過程詳見文獻(xiàn)[25],原始信號(hào)經(jīng)EMD分解后可表示為
式中:c為本征項(xiàng),為平穩(wěn)信號(hào),分別包含不同頻段及不同時(shí)間尺度內(nèi)的信號(hào)成分;r為殘余分量,表示信號(hào)趨勢。
對(duì)某支路斷路器分閘時(shí)的電弧電流數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解,即可得到原始電流信號(hào)的趨勢項(xiàng),結(jié)果如圖6所示。圖6中,signal為原始信號(hào),imf為各本征項(xiàng),res.為電弧電流趨勢項(xiàng)。
圖6 EMD分解
得到電流趨勢項(xiàng)后,本文采用均值偏移聚類算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電流趨勢項(xiàng)的檢測分析。K-means聚類算法原理為:將數(shù)據(jù)集中的個(gè)體通過不斷迭代直到滿足相應(yīng)距離函數(shù)或迭代要求后歸類到不同聚類中心。本文為減小計(jì)算量,將單條趨勢項(xiàng)用一個(gè)積分值表示,簡化聚類過程,最終通過聚類后點(diǎn)群個(gè)數(shù)大于1時(shí)認(rèn)為出現(xiàn)異常。
采用EMD分解得到電弧電流趨勢項(xiàng)后,確定趨勢項(xiàng)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù),計(jì)算趨勢項(xiàng)采樣點(diǎn)積分值,這里引入一階累加算法代替積分值計(jì)算。將若干計(jì)算后的積分值進(jìn)行最短距離迭代計(jì)算后實(shí)現(xiàn)聚類,具體實(shí)現(xiàn)過程見文獻(xiàn)[26]。
式中:x為積分值;C為聚類中心點(diǎn)值,其值在聚類過程中不斷更新;為維度,本文取1。當(dāng)聚類過程結(jié)束后,當(dāng)出現(xiàn)明顯一個(gè)以上聚類中心,則認(rèn)為滅弧室性能出現(xiàn)異常,需要停電檢修。
具體檢測過程如圖7所示。
圖7 滅弧能力檢測流程圖
步驟1:以合閘過程為例,合閘過程中,觸頭未完全閉合,此時(shí)斷路器所在支路開關(guān)量記為0,觸頭完全閉合,開關(guān)量記為1,額定負(fù)荷電流記為p。實(shí)時(shí)監(jiān)測支路開關(guān)量為1前電流瞬時(shí)值,當(dāng)連續(xù)三個(gè)采樣值均大于p時(shí),初步檢測到電弧電流,進(jìn)入步驟2,否則繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測電流瞬時(shí)值。其中取值小于1,為了保證靈敏性,建議取值1/3。
步驟2:檢測到大于p瞬間對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)為電弧電流采樣初值,在之后時(shí)窗內(nèi)取個(gè)采樣點(diǎn)構(gòu)成電弧電流序列a(),建議取值大于30(整個(gè)燃弧時(shí)長約為3~5 ms),進(jìn)入步驟3。
步驟3:基于式(11)對(duì)序列a()進(jìn)行EMD分解,提取分解得到的res.記為電弧電流趨勢項(xiàng)序列r,將r序列進(jìn)行一階累加計(jì)算,計(jì)算結(jié)果的最終數(shù)值存入序列(=)中,記為(1),隨后實(shí)時(shí)等待監(jiān)測下次斷路器合閘過程,循壞步驟1—4,直至=結(jié)束,構(gòu)成檢測對(duì)象序列。為了盡量減小步驟5中檢測算法因小樣本對(duì)聚類效果的影響,建議>15,進(jìn)入步驟4。
步驟4:基于式(12)對(duì)序列進(jìn)行K-means聚類,聚類過程結(jié)束后,聚類中心明顯存在兩個(gè)或以上時(shí),則需要立即發(fā)出嚴(yán)重告警信號(hào)。
本文算法驗(yàn)證基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),某換流站在進(jìn)行升功率操作過程中,3631交流濾波器在投入過程中零序電流保護(hù)動(dòng)作跳閘,3631交流濾波器未正常投入,后臺(tái)相繼報(bào)出“AFP31A/B保護(hù)動(dòng)作”、“FBP3A/B失靈動(dòng)作”、“3631開關(guān)出口跳閘”等報(bào)文,雙極直流功率調(diào)整未受影響?,F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)A、C相正常,B相發(fā)生一次過電壓擊穿事故,滅弧室未及時(shí)快速熄弧,導(dǎo)致拐臂斷裂、瓷套爆炸。根據(jù)本文檢測算法,首先將提取事故前每次分合閘的電弧電流趨勢項(xiàng),并進(jìn)行積分值計(jì)算,結(jié)果如表2所示。
表2 A、B相斷路器電弧電流趨勢項(xiàng)積分值部分?jǐn)?shù)據(jù)
再分別將A、B相數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類計(jì)算處理,其中橫軸為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),縱軸為積分值,結(jié)果如圖8。
由圖8可見,B相聚類結(jié)果存在兩個(gè)聚類中心,滿足本文所設(shè)故障檢測閾值要求>1,因此判斷該斷路器滅弧室滅弧性能存在嚴(yán)重缺陷,現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)斷路器B相擊穿,驗(yàn)證了本文所提檢測方法的有效性。
基于PSCAD仿真軟件,搭建交流濾波器用斷路器三段式電弧模型,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 換流站濾波器支路仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
其中,1、2、3為隔離或接地開關(guān),CB表示斷路器,1、2、3為電流互感器,1表示對(duì)地間隙,1表示濾波器組,其等效電容值為5.8 μf,1為電抗器,其等效電感值為0.004 1 H。其余模型相關(guān)參數(shù)可參考文獻(xiàn)[27],仿真結(jié)果如圖10所示。
圖10 電弧重燃過程
以第一次燃弧故障為例,根據(jù)滅弧能力檢測流程圖,采樣第一次燃弧電流a進(jìn)行EMD分解提取其趨勢項(xiàng)res.,并對(duì)res.進(jìn)一步做一階累加處理,將最后的數(shù)值結(jié)果存入()中,作為()中的一個(gè)元素。累加過程如圖11所示。其中,為res.樣本個(gè)數(shù)。
圖11 一階累加過程
上述為完成一次()元素的計(jì)算過程,改變電弧長度實(shí)現(xiàn)電弧阻值的變化,重復(fù)進(jìn)行15次燃弧仿真計(jì)算,最終經(jīng)聚類計(jì)算后得到序列()存在兩個(gè)聚類中心,檢測判斷該序列滿足本文檢測故障閾值要求>1。其中,初始設(shè)定電弧長度20 cm(取極端情況,觸頭合閘過程一般以20 cm[28]開始合閘),每次仿真電弧長度減小10 mm,初次與最后一次仿真結(jié)果如圖12所示。
圖12 初次與終次仿真結(jié)果示意圖
由圖12可以明顯看出,當(dāng)電弧長度減小至5 cm時(shí),燃弧持續(xù)時(shí)間延長且燃弧峰值較大,此時(shí)斷路器熄弧能力較弱,存在投切時(shí)不易分合的風(fēng)險(xiǎn)。
本文分析了影響滅弧室內(nèi)電弧散熱性的影響因素,并探尋可表征滅弧室滅弧能力的特征量,利用受電弧電阻值決定的電弧電流趨勢項(xiàng)反映滅弧室滅弧性能,提出了一種僅基于電氣量的斷路器滅弧能力在線檢測方法,并經(jīng)仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其有效性。
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Arc-quenching ability detection of a high voltage vacuum circuit breaker based on switching and closing current
SUN Hua1, WANG Bin2
(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Large-scale Generation Equipment (Department of Electrical Engineering, Tsinghua University), Beijing 100084, China)
The degradation of the arc extinguishing performance of high-voltage vacuum circuit breakers can easily lead to the generation of continuous arcs, damage to the contact surface and delay of the opening and closing time. In severe cases, a breakdown and explosion may occur. Therefore, research on monitoring the arc extinguishing performance of high voltage vacuum circuit breakers is important. Existing research methods for the arc extinguishing performance of high voltage vacuum circuit breakers consist mainly of measuring the vacuum degree of the arc extinguishing chamber, but there are problems such as long measurement period and inability to guarantee air tightness.The arc extinguishing principle in the arc extinguishing chamber is analyzed. Obtaining the arc extinguishing level in the chamber can be inverted using the influence of the arc resistance on the attenuation characteristics of the arc current when the medium is restored. Using this, the arc current trend item is extracted as the representative quantity of the arc extinguishing ability. An online detection method for the arc extinguishing ability of the high voltage vacuum circuit breaker based only on electrical quantities is proposed. This has the advantages of fast real-time monitoring and safety of measurement. The effectiveness of the method is verified by field measured data and digital simulation.
This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077116).
high voltage vacuum circuit breaker; vacuum interrupter; arc current; on-line inspection; electrical quantity
10.19783/j.cnki.pspc.210321
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(52077116);電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題資助(SKLD21M09)
2021-03-25;
2021-06-23
孫 華(1996—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障檢測;E-mail: qianyish308@163.com
王 賓(1978—),男,通信作者,博士,副研究員,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障檢測與繼電保護(hù)。E-mail: binw_ee@ mail.tsinghua.edu.cn
(編輯 葛艷娜)