王碩君， 陳義龍， 麥榮煥， 崔佩儀

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東 江門 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)行機構(gòu)，在保障電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行發(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、重燃和過電壓等嚴(yán)酷運行工況，極易超出斷路器壽命造成重?fù)舸?，降低無功補償設(shè)備的絕緣性能，甚至破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行誘發(fā)大面積停電。斷路器壽命包括：儲存壽命、機械壽命和電壽命。儲存壽命以時間年為單位，按等級劃分為15年或20年；機械壽命以機械操作次數(shù)統(tǒng)計，可高達(dá)數(shù)千到上萬次；電壽命按電流開斷次數(shù)計算，與開斷電流大小有關(guān)，其額定短路開斷電流次數(shù)僅十幾次。因此，斷路器壽命是機械壽命和電壽命的較短者。根據(jù)斷路器維護(hù)經(jīng)驗，電壽命較機械壽命短。綜上，有必要監(jiān)測投切電抗器、電容器用斷路器壽命，其壽命評價的難點體現(xiàn)在電壽命監(jiān)測。

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)行電容器組開合電流的電壽命試驗。試驗方法正在考慮中”。試驗方法長期沒有確定的重要原因是電壽命監(jiān)測手段和試驗研究的缺失。

在斷路器電壽命狀態(tài)監(jiān)測方面，先后經(jīng)歷了開斷電流累積法[1]、開斷電流加權(quán)累積法[2]和電弧能量加權(quán)累積法[3]。開斷電流累積法認(rèn)為電壽命是開斷電流與次數(shù)的乘積和，對比試驗分析得累積開斷電流和相等的情況下不同開斷電流的滅弧室燒損情況差異極大。開斷電流累積加權(quán)法在開斷電流加權(quán)累積法基礎(chǔ)上，考慮了開斷電流的權(quán)重能擬合工程實踐結(jié)果，且操作性強，被斷路器生產(chǎn)廠家、電網(wǎng)公司廣泛接受[4]?；陂_斷電流加權(quán)累積法出現(xiàn)了一批斷路器電壽命在線監(jiān)測系統(tǒng)[5]，有效推動了斷路器在線監(jiān)測與狀態(tài)評價技術(shù)的發(fā)展。但是，開斷電流加權(quán)累積法的權(quán)重并未計及燃弧時間，而燃弧時間是電壽命重要影響因素，與開斷相位、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，對單次開斷電流作燃弧時間積分，可精確獲得斷路器電壽命。文獻(xiàn)[6]通過理論分析開斷電流加權(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)用的難點體現(xiàn)在燃弧時間測量的裝置及算法上。

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

為此，在研究斷路器開斷過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、上位機軟件功能和系統(tǒng)運行流程。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)測剩余電壽命發(fā)展趨勢，為斷路器管理維護(hù)提供輔助決策。

1 斷路器開斷過程

高壓斷路器靠動作元件確保順利完成關(guān)合、承載和開斷正常負(fù)荷電流和故障電流，動作元件包括滅弧室和觸頭。開斷電流操作需要使觸頭運動，其動力來自于斷路器的操動機構(gòu)。斷路器在開斷短路電流時產(chǎn)生強電弧，電弧的高溫作用會使觸頭表面燒損、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。

開斷電流時，斷路器觸頭從一個位置運動到另一個位置，如圖1所示。同時系統(tǒng)經(jīng)歷復(fù)雜的暫態(tài)過程。

圖1 斷路器開斷過程

從圖1可見：(1)斷路器三相觸頭分?jǐn)嗖⒎峭剑组_相燃弧時間最長；(2)開斷電流與當(dāng)前工況有關(guān)，三相工況差異導(dǎo)致開斷電流各不相同。因此，監(jiān)測斷路器電壽命須獲得三相開斷電流在燃弧時間內(nèi)的波形，其中開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次開斷的電磨損量和燃弧時間；n為開斷次數(shù)；K為常數(shù)，與斷路器型號有關(guān)，涉及滅弧介質(zhì)、冷卻條件、觸頭運動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。燃弧時間決定了電壽命評估的準(zhǔn)確度。剩余電壽命Wl為

Wl=Wt-W

(2)

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

(3)

(4)

式中T為燃弧時間，N為采樣點數(shù)量，i(k)為第k個時間點的采樣電流。

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圈和積分器構(gòu)成光電互感器，采集單元實時采集斷路器三相開斷電流，電光轉(zhuǎn)換后輸出光信號；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

采集單元主要實現(xiàn)3種功能：(1)對采集的電信號進(jìn)行濾波、積分、模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲；(2)監(jiān)控斷路器分合閘輔助觸點，判斷斷路器開、合信息，以此時間點確定捕捉開、合瞬時電流值并進(jìn)行錄波；(3)對輸出信號作光電轉(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，動態(tài)性能差、測量范圍小。在斷路器開斷過程中，暫態(tài)大電流導(dǎo)致鐵芯磁飽和現(xiàn)象所得量測線性度和SCADA系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)刷新頻率均無法滿足測量斷路器開斷電流的要求。為此，在斷路器出口安裝羅氏線圈和積分器構(gòu)成光電互感器，具有線性度好、絕緣結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍大、通頻帶寬大和暫態(tài)響應(yīng)能力強等特點。

光電互感器輸出的A、B、C三相積分信號經(jīng)過特定電阻形成電壓信號回傳，進(jìn)入系統(tǒng)采集單元進(jìn)行獨立處理。選用時鐘頻率高的主控芯片，滿足開斷電流采樣頻率的要求。光電互感器所獲電氣信號與ARM芯片所求信號范圍不匹配，需進(jìn)一步設(shè)置信號轉(zhuǎn)換電路。

圖4 采集單元運行邏輯

信號存儲分為EPROM及SPI兩種方式。由于斷路器開斷電流持續(xù)時間極短，選擇SPI存儲芯片滿足開斷電流采樣數(shù)據(jù)頻率高的要求，同時考慮系統(tǒng)可靠性采用I2C總線存儲于EPROM用于正常信息通訊并接收SPI芯片內(nèi)斷路器開斷、關(guān)合瞬時數(shù)據(jù)存取，并采用RS485或RS232兩種通訊模式。

采集單元工作運行邏輯如圖4所示。

3.3 合并單元

合并單元通過多路通道接收光纖傳輸?shù)碾娏鞴庑盘?，再將信號通過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)光信號的接收和解析，主板負(fù)責(zé)信號同步和邏輯處理。

3.4 上位工控機

上位工控機是整套監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和存儲中心，不僅實現(xiàn)人機交互，還實現(xiàn)斷路器電壽命分析、預(yù)警和預(yù)測。安裝在上位工控機的軟件系統(tǒng)顯示斷路器實時電流，通過斷路器輔助觸點觸發(fā)存儲斷路器燃弧期間開斷電流，再對信息進(jìn)一步識別處理，基于電弧能量加權(quán)累積法評估斷路器剩余電壽命，更新儲存在數(shù)據(jù)庫中，剩余電壽命過低時發(fā)出預(yù)警信號，并完成各種方式查詢和預(yù)測功能。系統(tǒng)具體功能包括：

(1)實時監(jiān)測功能：對斷路器開斷電流次數(shù)和電流數(shù)值等重要參數(shù)進(jìn)行長期連續(xù)的實時監(jiān)測。

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

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

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

(5)初始數(shù)據(jù)維護(hù)功能：系統(tǒng)所監(jiān)測斷路器可根據(jù)實際情況進(jìn)行增減，可人工設(shè)定斷路器的型號、額定開斷電流值、額定開斷次數(shù)、初始壽命等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(5)預(yù)測分析功能：根據(jù)斷路器電壽命評估值以及過去一年電壽命變化情況，預(yù)測未來一年剩余電壽命發(fā)展趨勢，并綜合電網(wǎng)檢修試驗計劃，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 運行流程圖

綜上，系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

4 現(xiàn)場應(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，和分合閘輔助觸點接線一起，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。系統(tǒng)一次主接線圖、初始壽命管理、剩余電壽命查詢界面分別如圖7、圖8和圖9所示。

圖6 采集單元安裝現(xiàn)場

圖7 系統(tǒng)一次主接線圖

圖8 初始壽命管理

圖9 剩余電壽命查詢

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

5 結(jié)束語

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)存儲可靠性和高速性； 通過光纖傳輸克服電磁干擾； 基于波形辨識技術(shù)獲得

斷路器開斷的燃弧時間，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)測剩余電壽命發(fā)展趨勢，為斷路器管理維護(hù)提供輔助決策。

[1] 黎斌．?dāng)嗦菲麟妷勖恼鬯?、跟值及其在線監(jiān)測技術(shù)四[J]．高壓電器，2005,41(6)：428-433．

[2] 李洪濤, 張雷, 王圈,等. 真空斷路器電壽命在線監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007,31(S1):112-114.

[3] 彭搏, 肖登明. 斷路器電壽命的在線監(jiān)測[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2012, 28(12):38-41.

[4] 孫晉萍. 真空斷路器電壽命狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J]. 科技資訊, 2011(3):73-73.

[5] 王鵬, 張軍, 余泳,等. 一種新型斷路器電壽命在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2009, 33(17):109-111.

[6] 彭搏. 高壓斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究[D]. 上海:上海交通大學(xué), 2013.

[7] 舒勝文, 阮江軍, 黃道春,等. 系統(tǒng)故障參數(shù)對真空斷路器開斷性能影響的建模與仿真研究[J]. 電力自動化設(shè)備, 2013, 33(11):81-87.

[8] 張振乾, 王學(xué)軍, 孫崗,等. 特高壓變電站大容量電容器組專用斷路器電壽命試驗研究[J]. 高壓電器, 2014,50(10):1-8.

[9] 宋錦剛, 許長青, 朱統(tǒng)亮. 基于波形辨識技術(shù)的SF6斷路器分/合閘線圈電流監(jiān)測[J]. 電力建設(shè), 2011, 32(3):65-68.