梁睿光，陳 鵬，呂鵬飛，王丁一，李晟宇

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧省丹東市 118000）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組出口斷路器（Generator Circuit Breaker，GCB）是保證抽水蓄能機(jī)組正常啟停的開關(guān)設(shè)備，GCB的電氣壽命決定其正常運(yùn)行周期，因此，對(duì)GCB電氣壽命進(jìn)行評(píng)估，判斷其使用狀態(tài)顯得尤為重要。

GCB開斷電流是其弧觸頭磨損量的決定因素，以GCB開斷電流為研究對(duì)象分析斷路器電氣壽命也是常用的電氣壽命評(píng)估方法。文獻(xiàn)[1-2]使用累計(jì)開斷電流法評(píng)估斷路器電氣壽命，但該方法靈敏度低，評(píng)估GCB電氣壽命誤差較大。文獻(xiàn)[3-5]根據(jù)開斷電流數(shù)值賦予不同加權(quán)系數(shù)，使用累計(jì)開斷電流加權(quán)系數(shù)法評(píng)估斷路器電氣壽命，該方法相比累計(jì)開斷電流法，評(píng)估精度更高，但測(cè)量程序顯得煩瑣，也因?yàn)闇y(cè)量裝置的安裝，增加了設(shè)備成本。

本文通過分析GCB電氣壽命評(píng)估方法，并結(jié)合某抽水蓄能電站機(jī)組電動(dòng)工況停機(jī)過程開斷電流的研究，選取更適于某抽水蓄能電站GCB電氣壽命評(píng)估方法，根據(jù)優(yōu)化停機(jī)過程前后的開斷電流大小對(duì)GCB進(jìn)行了電氣壽命評(píng)估。

1 基于Nk-Iki壽命曲線的相對(duì)電壽命法

對(duì)某類型的SF6斷路器進(jìn)行大量的開斷試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到針對(duì)該類型SF6斷路器電壽命的經(jīng)驗(yàn)公式，稱為Nk-Iki壽命曲線[6-7]?；贜k-Iki壽命曲線的相對(duì)電壽命法根據(jù)不同類型斷路器特定的等效開斷電流和等效開斷次數(shù)曲線，提出用相對(duì)電壽命的概念來進(jìn)行斷路器電氣壽命評(píng)估。

Nk-Iki壽命曲線即相對(duì)開斷電流Iki/Ie與等效開斷次數(shù)Nk/Ne之間的關(guān)系，也稱為等效觸頭損耗定律，Nk=f（Ie/Iki）。觸頭損耗定律定義以開斷一次0.5Ie的電磨損作為參考，獲取不同開斷電流與觸頭燒損量之間的折算關(guān)系。當(dāng)Iki＜0.35Ie時(shí)，與開斷一次0.5Ie產(chǎn)生的電磨損相當(dāng)?shù)男‰娏鱅ki的等效開斷次數(shù)Nk：

當(dāng)Iki≥0.35Ie時(shí)，與開斷一次0.5Ie所產(chǎn)生的電磨損等價(jià)Iki的等效開斷次數(shù)Nk：

若以開斷電流值為Ie的允許開斷次數(shù)作為參考，當(dāng)Iki＜0.35Ie時(shí)，與開斷一次0.5Ie產(chǎn)生的電磨損相當(dāng)?shù)男‰娏鱅ki的等效開斷次數(shù)Nk：

當(dāng)Iki＜0.35Ie時(shí)，與開斷一次Ie產(chǎn)生的電磨損相當(dāng)?shù)男‰娏鱅ki的等效開斷次數(shù)Nk：

圖1是根據(jù)觸頭損耗定律Nk=f（Ie/Iki）得出的Nk-Iki曲線。

圖1 Nk-Iki壽命曲線Figure 1 Nk-Iki life curve

根據(jù)Nk-Iki壽命曲線可以得知斷路器任意開斷電流所對(duì)應(yīng)的等效開斷次數(shù)。定義GCB的額定開斷電流為Ie時(shí)，額定開斷次數(shù)為Ne，則單次開斷GCB的相對(duì)電磨損為1/Ne，當(dāng)開斷電流值為任意Iki時(shí)，等效開斷次數(shù)為Nk，則單次開斷GCB的相對(duì)電磨損為1/Nk。若：

由能量守恒定則，有：

斷路器剩余的相對(duì)電壽命為：

式（5）與式（6）中的Qe、Qk皆表示GCB單次開斷的電磨損量，L0為GCB總允許磨損量，0≤L0≤1，對(duì)于全新的GCB，L0取值為1。

基于Nk-Iki壽命曲線的相對(duì)電壽命法與其他評(píng)估GCB電氣壽命的方法相比，存在以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 適用于任何類型SF6斷路器的電氣壽命評(píng)估。

（2） 評(píng)估參量為GCB開斷電流，數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單易行，便于現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。

（3） 可根據(jù)任意開斷電流計(jì)算其等效開端期數(shù)，可精確計(jì)算GCB的電氣壽命。

（4） 可計(jì)算每次開斷對(duì)GCB弧觸頭引起的相對(duì)電磨損，及時(shí)反映GCB的使用情況。

2 抽水工況停機(jī)過程GCB開斷電流仿真分析

通過對(duì)抽水工況停機(jī)過程的仿真研究，收集GCB開斷時(shí)刻的電流有效值，可對(duì)GCB的電氣壽命進(jìn)行評(píng)估。圖2為抽水蓄能機(jī)組的仿真模型。該仿真模型主要由同步電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、水輪機(jī)、GCB等組成，通過模擬抽水工況下抽水蓄能機(jī)組停機(jī)過程收集GCB開斷電流數(shù)值。本次仿真用到的相關(guān)數(shù)據(jù)由某抽水蓄能電站提供。

圖2 抽水蓄能機(jī)組仿真模型Figure 2 Pumped storage unit simulation model

為了采集不同的開斷電流數(shù)值，通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)葉開度y（0≤y≤1）值，使其值分別為0.26、0.2、0.15、0.1，仿真得到停機(jī)時(shí)刻GCB開斷電流值見表1，為了消除仿真試驗(yàn)的偶然性，導(dǎo)葉開度取值為0.26、0.2、0.15、0.1時(shí)，分別進(jìn)行100次重復(fù)試驗(yàn)。

表1 GCB開斷電流值與開斷次數(shù)Table 1 GCB’s switching current value and switching times

仿真實(shí)驗(yàn)選取的GCB額定開斷電流為15kA，額定開斷次數(shù)為1300次，根據(jù)Nk-Iki曲線，可計(jì)算得出導(dǎo)葉開度分別為0.26、0.2、0.15、0.1時(shí)GCB的等效開斷次數(shù)以及相對(duì)電磨損見表2。

表2 GCB等效開斷次數(shù)與相對(duì)電磨損Table 2 GCB′s equivalent breaking times and relative electrical wear

根據(jù)表2可知，當(dāng)導(dǎo)葉開度為0.10或者0.15時(shí)，GCB的開斷磨損很小，若GCB每次的開斷電流低于289.19A，則GCB的開斷次數(shù)可以接近機(jī)械開斷次數(shù)20000次。根據(jù)表2，GCB的剩余相對(duì)壽命為：

由L＞0可以判斷該GCB處于正常運(yùn)行狀態(tài)，且此時(shí)GCB的電氣壽命損耗已達(dá)2%，當(dāng)L接近于0時(shí)，則意味著該GCB需要檢修或更換。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以開斷電流為研究對(duì)象，分析了基于Nk-Iki壽命曲線的相對(duì)電壽命法，并結(jié)合某抽水蓄能電站抽水工況停機(jī)過程仿真分析，得出導(dǎo)葉開度分別為0.26、0.2、0.15、0.1時(shí)GCB的開斷電流值，使用相對(duì)電壽命法對(duì)GCB進(jìn)行電氣壽命評(píng)估，計(jì)算得到GCB的剩余電氣壽命為0.998，表明GCB處于正常運(yùn)行狀態(tài)。