宋晉紅

（華東宜興抽水蓄能有限公司，宜興市 214205）

淺析宜興電站GCB電壽命評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

宋晉紅

（華東宜興抽水蓄能有限公司，宜興市 214205）

本文主要介紹了累計(jì)開斷電流法和動(dòng)態(tài)電阻法在江蘇宜興抽水蓄能電站GCB電壽命評(píng)估中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了兩種方法的原理、計(jì)算方法，用實(shí)例對(duì)兩種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出將兩種方法結(jié)合修正，提高評(píng)估準(zhǔn)確度的觀點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)電阻法；累計(jì)開斷電流法；GCB

0 引言

發(fā)電機(jī)電能的安全輸出對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，而發(fā)電機(jī)出口斷路器（Generator Circuit Breaker，下文簡(jiǎn)稱GCB）作為保證發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行和同期的一次高壓開關(guān)設(shè)備，當(dāng)發(fā)電機(jī)或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以安全切斷線路中的故障過(guò)電壓和過(guò)電流，保護(hù)發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)中的設(shè)備安全。

隨著抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的作用越來(lái)越明顯，GCB事故給電網(wǎng)和電站帶來(lái)的影響及損失越來(lái)越大，因此保證GCB的安全運(yùn)行越來(lái)越重要，準(zhǔn)確評(píng)估GCB壽命顯得尤為重要。近年來(lái)，各抽水蓄能電站開始開展動(dòng)態(tài)電阻檢測(cè)來(lái)評(píng)估GCB電壽命，收到了較好的效果。

1 概述

江蘇宜興抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱電站）共裝設(shè)4臺(tái)250MW立式抽水蓄能機(jī)組，采用在發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器的接線方式，機(jī)組的并網(wǎng)與解列通過(guò)發(fā)電機(jī)斷路器的合、分操作來(lái)完成。在機(jī)組剛投運(yùn)后，由于機(jī)組小開度振動(dòng)問(wèn)題，機(jī)組抽水停機(jī)時(shí)須接近滿負(fù)荷拉開發(fā)電機(jī)斷路器，造成了發(fā)電機(jī)斷路器經(jīng)常須要開斷9000A左右的負(fù)荷電流。同時(shí)，抽水蓄能機(jī)組頻繁啟停的運(yùn)行方式也造成了發(fā)電機(jī)斷路器操作次數(shù)較多的問(wèn)題。因此，在電站投產(chǎn)后，就開始了GCB電壽命評(píng)估探討和應(yīng)用，經(jīng)過(guò)5年多的應(yīng)用實(shí)踐，電站摸索出一套行之有效的GCB電壽命評(píng)估方法。

2 GCB滅弧室結(jié)構(gòu)和開斷電流過(guò)程

電站GCB采用瑞士ABB公司生產(chǎn)的HECPS-3S型SF6斷路器，觸頭系統(tǒng)包含靜主觸頭、靜弧觸頭、動(dòng)主觸頭和動(dòng)弧觸頭。主觸頭采用的是導(dǎo)電性能良好的銅鍍銀材料，弧觸頭采用的是耐高溫的鎢合金材料。發(fā)電機(jī)斷路器處于合閘位置時(shí)，靜觸頭是主導(dǎo)電回路。

圖1 SF6斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)示意圖

斷路器分閘操作時(shí)，主觸頭先分開，然后弧觸頭再分開（毫秒級(jí)）。斷路器合閘時(shí)，過(guò)程相反。

SF6斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。當(dāng)斷路器開斷電流時(shí)，主觸頭先分開，電流轉(zhuǎn)移到弧觸頭上，當(dāng)弧觸頭分開時(shí)，產(chǎn)生電弧，滅弧腔由于空間變化推動(dòng)SF6氣吹弧從而達(dá)到滅弧效果。雖然弧觸頭采用了耐高溫的鎢合金材料，但電弧燒蝕仍無(wú)法避免。隨著累計(jì)開斷電流的增長(zhǎng)，弧觸頭的燒蝕程度加劇，長(zhǎng)度變短。當(dāng)弧觸頭的長(zhǎng)度不足以保證在斷路器分閘過(guò)程中主觸頭先分開時(shí)，將在主觸頭上直接燃弧，由于主觸頭采用的是導(dǎo)電性能好的銅鍍銀材料，不耐高溫，將嚴(yán)重磨損主觸頭。

3 GCB電壽命檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方法

電壽命是指滅弧室成功開斷額定短路電流的次數(shù)或開斷額定電流的次數(shù)。SF6斷路器的電壽命診斷指的是通過(guò)對(duì)各種檢測(cè)方法（離線或在線）取得的信息，經(jīng)過(guò)科學(xué)全面綜合分析，掌握設(shè)備的當(dāng)前狀況和壽命期望，它是電力設(shè)備狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)和前提。國(guó)內(nèi)外常用于斷路器電壽命診斷的方法有模糊診斷法、累計(jì)開斷電流法、動(dòng)態(tài)電阻法、信號(hào)特征提取法等。目前模糊診斷法和信號(hào)特征提取法不適用于現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，因此，電站利用累計(jì)開斷電流法和動(dòng)態(tài)電阻法開展GCB電壽命評(píng)估。

3.1 累計(jì)開斷電流法

累計(jì)開斷電流法以斷路器的電壽命曲線為依據(jù)。觸頭電磨損由開斷電流和開斷次數(shù)決定，開斷電流越大，觸頭的電磨損越大，允許開斷的次數(shù)就越少。ABB公司對(duì)HECPS-3S型SF6滅弧開關(guān)開斷電流計(jì)算提供了加權(quán)系數(shù)，見(jiàn)表1，加權(quán)系數(shù)f（I）計(jì)算公式為：

電站GCB累計(jì)開斷電流為20000kA，當(dāng)斷路器開斷電流小于0.755kA時(shí)，每動(dòng)作一次損耗電壽命為1；當(dāng)開斷電流大于等于0.755kA小于等于150%額定運(yùn)行電流時(shí)，每動(dòng)作一次損耗電壽命為f（I）；當(dāng)開斷電流大于150%額定運(yùn)行電流時(shí)，每動(dòng)作一次損耗電壽命為5000kA。

表1 電站GCB累計(jì)開斷電流加權(quán)系數(shù)表

3.2 動(dòng)態(tài)電阻法

斷路器在分閘期間主觸頭和弧觸頭電阻變化是同趨勢(shì)變化，根據(jù)歐姆定律，在穩(wěn)流（DC）試驗(yàn)中，電壓降是隨著斷路器主回路電阻值突變而突變的。所以在主觸頭分開瞬間和弧觸頭分開瞬間，整個(gè)回路的電阻都會(huì)發(fā)生突變，從而施加在斷路器兩端的電壓會(huì)出現(xiàn)兩次突變，這兩次突變時(shí)間差就是斷路器的動(dòng)態(tài)電阻，單位為ms，動(dòng)態(tài)電阻與斷路器動(dòng)作速度的乘積就是弧觸頭長(zhǎng)度。斷路器在投運(yùn)后，其動(dòng)作速度變化量可以忽略，所以檢測(cè)動(dòng)態(tài)電阻就可以估算弧觸頭剩余壽命。

下面利用瑞典保伽瑪公司生產(chǎn)的TM1600/MA61斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀檢測(cè)GCB動(dòng)態(tài)電阻，接線如圖2所示，電壓、電流線直接接在GCB滅弧室兩端，儀器控制線接入GCB分合閘線圈，試驗(yàn)前GCB兩側(cè)接地隔離開關(guān)至少需拉開一把，避免并聯(lián)回路對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。試驗(yàn)時(shí)，開關(guān)測(cè)試儀通過(guò)電流線在GCB上施加大于100A直流電流，控制斷路器分閘，記錄下電壓波形。試驗(yàn)電流大小對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響，電流偏小時(shí)，觸頭分閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中易出現(xiàn)斷續(xù)，電壓波形會(huì)發(fā)生畸變，對(duì)分辨出主觸頭和弧觸頭的分離點(diǎn)造成一定的困難，甚至無(wú)法辨認(rèn)出分離點(diǎn)。而試驗(yàn)電流大于100A時(shí)，測(cè)試所得的電壓曲線可以明顯看出主觸頭分離和弧觸頭分離在曲線上所表現(xiàn)的突變。

圖2 動(dòng)態(tài)電阻試驗(yàn)接線

圖3 GCB動(dòng)態(tài)電阻檢測(cè)波形

圖3是電站GCB某相分閘期間電壓波形圖，圖中橫軸為時(shí)間值，縱軸為電壓值和斷路器行程。光標(biāo)1處為斷路器主觸頭分開時(shí)間，此刻電壓波形出現(xiàn)一個(gè)尖波量；光標(biāo)2為斷路器弧觸頭分開時(shí)間，此刻電壓波形突升，此后電壓波形為一穩(wěn)態(tài)量。光標(biāo)1、光標(biāo)2與斷路器行程曲線交于點(diǎn)A、B，點(diǎn)A與點(diǎn)B橫坐標(biāo)之差為該相GCB的動(dòng)態(tài)電阻，縱坐標(biāo)之差為該相主觸頭分開后弧觸頭的長(zhǎng)度。

4 電壽命評(píng)估

4.1 宜興電站GCB電壽命評(píng)估

對(duì)電站2號(hào)GCB電壽命分別用累計(jì)開斷斷流法和動(dòng)態(tài)電阻法進(jìn)行評(píng)估，電站機(jī)組在抽水方向和發(fā)電方向停機(jī)時(shí)，負(fù)荷均在10MW以下拉開GCB，累計(jì)開斷電流按表1加權(quán)系數(shù)為1進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，其歷年動(dòng)態(tài)電阻檢測(cè)值和累計(jì)開斷電流計(jì)算值見(jiàn)表2?？梢钥闯?，GCB每年電壽命損耗在0.2～0.3ms或700～1000kA。根據(jù)廠家資料，宜興電站GCB動(dòng)態(tài)電阻檢測(cè)值應(yīng)大于3ms或累計(jì)開斷電流大于5000kA，則電站該臺(tái)GCB還可運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間。

表2 2號(hào)GCB動(dòng)態(tài)電阻和累計(jì)開斷電流統(tǒng)計(jì)表

4.2 兩種評(píng)估方法對(duì)比

計(jì)算GCB兩次動(dòng)態(tài)電阻檢測(cè)間隔電壽命損耗值值見(jiàn)表3，動(dòng)態(tài)電阻利用間隔間損耗值除以新設(shè)備檢測(cè)值，累計(jì)開斷電流法用間隔間損耗值除以廠家給的電壽命值。從表中可以看出，累計(jì)開斷電流法計(jì)算壽命與動(dòng)態(tài)電阻檢測(cè)壽命存在一定的偏差，這是由于：

表3 2號(hào)GCB電壽命損耗比率統(tǒng)計(jì)表

（1）GCB開斷時(shí)刻所處電流相位不確定，且燃弧時(shí)對(duì)弧觸頭的燒蝕過(guò)程非常復(fù)雜，其開斷時(shí)的電流值并不一定是其有效值且三相一定存在差別，而在計(jì)算累計(jì)開斷電流時(shí)利用的是開斷電流有效值，因此不能真實(shí)的反映GCB剩余的電氣壽命。

（2）檢測(cè)動(dòng)態(tài)電流是直接檢測(cè)GCB主、弧觸頭分離時(shí)的電壓波形變化間的時(shí)間差，其值與弧觸頭長(zhǎng)度成正比，在斷路器速度特性不變或變化及其微小的情況下，可以認(rèn)為動(dòng)態(tài)電阻直接反應(yīng)弧觸頭長(zhǎng)度。

（3）故通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻測(cè)試可直接反映GCB的電氣壽命，其結(jié)果要比計(jì)算GCB的累積開斷電流有效值準(zhǔn)確、可靠。

4.3 評(píng)估方法的結(jié)合

累計(jì)開斷電流法可以實(shí)時(shí)計(jì)算，動(dòng)態(tài)電阻法必須離線檢測(cè)，可以將累計(jì)開斷電流法與動(dòng)態(tài)電阻法相結(jié)合，找出之間關(guān)聯(lián)差值。根據(jù)表3，利用動(dòng)態(tài)電阻法和累計(jì)開斷電流法評(píng)估2號(hào)GCB損耗比率差值最大為0.05%（2010年），之后幾年的差值在0.01%～0.02%。在設(shè)備評(píng)估壽命時(shí)按最壞情況考慮，取最大誤差，每月結(jié)合設(shè)備月度分析時(shí)利用累計(jì)開斷電流法計(jì)算出GCB電壽命，再考慮0.05%損耗比率，從而計(jì)算出GCB最惡劣情況下的電壽命。電站依據(jù)本文方法來(lái)開展了兩臺(tái)次GCB本體大修。從GCB解體、試驗(yàn)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等方面來(lái)看，上述的方法是合理和準(zhǔn)確的。

另外，在積累了一定數(shù)據(jù)后，可以建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，推出兩者之間更為精確的聯(lián)系，編制計(jì)算程序，也可以收集全系統(tǒng)GCB相關(guān)數(shù)據(jù)，建立模型，找出規(guī)律。

5 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能電站機(jī)組出口斷路器性能完好與否對(duì)機(jī)組啟停成功率和事故處理有著極為重大的影響，而抽水蓄能電站機(jī)組斷路器電壽命評(píng)估對(duì)斷路器大修周期和日期確定有著舉足輕重的作用，故在平時(shí)的運(yùn)行維護(hù)中，特別是在開斷短路電流后，對(duì)GCB電壽命評(píng)估一定要重視。下面結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，筆者提出以下建議：

（1）新投產(chǎn)設(shè)備應(yīng)檢測(cè)動(dòng)態(tài)電阻、計(jì)算累計(jì)開斷電流作為原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）每臺(tái)GCB實(shí)際情況不完全一樣，應(yīng)定期計(jì)算累計(jì)開斷電流值并與動(dòng)態(tài)電阻值對(duì)比修正，有條件的可以安裝錄波儀，檢測(cè)GCB開斷電流波形，提高累計(jì)開斷電流計(jì)算精度。

（3）與動(dòng)態(tài)電阻相比，雖然累計(jì)開斷電流法精確度較低，但累計(jì)開斷電流法可以實(shí)時(shí)計(jì)算，故可以將兩種方法結(jié)合起來(lái)，來(lái)評(píng)估GCB電壽命。

（4）GCB開斷大電流特別是短路電流后，應(yīng)立即開展電壽命評(píng)估，計(jì)算電壽命損耗和剩余壽命。

（5）GCB大修時(shí)應(yīng)測(cè)量弧觸頭長(zhǎng)度，算出損耗壽命，與動(dòng)態(tài)電阻法和累計(jì)開斷電流法計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，并進(jìn)行相應(yīng)修正，進(jìn)一步提高電壽命評(píng)估準(zhǔn)確度。

[1]蔣明君.江蘇宜興抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)斷路器電氣壽命探討[J]. 抽水蓄能技術(shù)，2011（03）.

[2]王明勝，袁平.降低開關(guān)觸頭接觸電阻的方法[J].電氣試驗(yàn)，2001（01）.

宋晉紅，女，工程師，主要從事抽水蓄能電站技術(shù)管理工作。E-mail：Jinhong-Song@sgxy.sgcc.com.cn

The Analysis and Application about Electrical Life of GCB on Yixing Pumped Storage Power Station

SONG Jinhong
（East China YiXing Pumped Storage Power，YiXing 214205，China）

This paper describes the application of the accumulated breaking curren and dynamic resistance in Jiangsu Yixing Pumped Storage Power Station GCB electrical life Evaluation.This paper describes the principlescalcu，lation methods of the accumulated breaking curren and dynamic resistance，and comparative analysis of the two methods with examples of calculation results.Finally，the proposed amendment would combine the two methods to improve the assessment of the accuracy of methods can be used

dynamic resistance ；accumulated breaking current；GCB