熊建軍

（湖南長(zhǎng)高高壓開(kāi)關(guān)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410219）

斷路器是保證電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全水平。斷路器的主要作用是實(shí)現(xiàn)電流的開(kāi)端。對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，斷路器可以實(shí)現(xiàn)如過(guò)負(fù)荷電流、短路電流等故障電流的開(kāi)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的有效保護(hù)。因此，穩(wěn)定有效的斷流能力是衡量短路器質(zhì)量的關(guān)鍵，斷路器實(shí)現(xiàn)斷流的關(guān)鍵是其滅弧結(jié)構(gòu)的存在。目前，電力系統(tǒng)中較常見(jiàn)的斷路器主要有六氟化硫斷路器（SF6斷路器）、壓縮空氣斷路器、真空斷路器等，不同的短路器由于具備各自的特點(diǎn)，因此，都有一定范圍的應(yīng)用。

由于斷路器的重要性，準(zhǔn)確獲取其工作狀態(tài)是目前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員開(kāi)展了一系列有關(guān)斷路器工作狀態(tài)評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)的等相關(guān)的研究工作，其中，如何準(zhǔn)確獲取斷路器觸頭的磨耗情況是較重要的研究?jī)?nèi)容。傳統(tǒng)計(jì)算斷路器觸頭電磨損的方法一般為基于設(shè)備所開(kāi)斷的電流的大小以及開(kāi)斷次數(shù)，該方法雖然監(jiān)測(cè)的指標(biāo)簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)，但是，由于未考慮燃弧發(fā)生的時(shí)間、故障相和非故障相之間開(kāi)斷的電流不同等因素，計(jì)算的誤差一般偏大，無(wú)法達(dá)到相關(guān)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，只能用于簡(jiǎn)單的、安全性要求不高的電力系統(tǒng)。斷路器磨損一般分為機(jī)械磨損和電氣磨損，由于磨損狀態(tài)的多變性，因此，目前在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法也得到了大量應(yīng)用，其中主要的方向有監(jiān)測(cè)斷路器開(kāi)始分閘開(kāi)斷電流時(shí)，電弧開(kāi)始起弧的時(shí)間，以及對(duì)斷路器觸頭表面平滑度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，斷路器觸頭的機(jī)械特性進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)等。此外，基于估算電磨損量和開(kāi)斷電流加權(quán)累計(jì)法估算電磨損量的方法也較為常見(jiàn)。

隨著國(guó)家電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，高壓、特高壓等應(yīng)用愈加廣泛，因此，如何更加智能、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)斷路器觸頭磨耗狀態(tài)的獲取，對(duì)于保障電力系統(tǒng)安全，助力國(guó)家電力系統(tǒng)的發(fā)展意義重大。本文重點(diǎn)分析了斷路器觸頭磨耗狀態(tài)的分析方法，首先，對(duì)觸頭的相對(duì)電磨損與相對(duì)電壽命的關(guān)系進(jìn)行了介紹，分析了傳統(tǒng)的基于開(kāi)斷電流累計(jì)次數(shù)的電磨損量計(jì)算的方法的不足，針對(duì)以上問(wèn)題提出了一種基于電弧功率的斷路器觸頭電磨損狀態(tài)評(píng)估方法。仿真結(jié)果表明，該方法具有較好的應(yīng)用效果。

1 基于電弧功率的觸頭電磨損狀態(tài)分析

目前，較為傳統(tǒng)和簡(jiǎn)單的斷路器觸頭磨耗狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，一般只是對(duì)于某一型號(hào)斷路器開(kāi)斷固定大小的電流，當(dāng)斷路器開(kāi)關(guān)達(dá)到了一定次數(shù)后，再對(duì)其進(jìn)行計(jì)劃維修。該方法的弊端是在斷路器整個(gè)工作過(guò)程中，實(shí)際上發(fā)生開(kāi)斷滿容量的額定短路電流的情況較為少見(jiàn)，大部分情況下，造成短路器觸頭磨損的原因是燃弧電氣磨耗，只針對(duì)開(kāi)關(guān)次數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并不能真實(shí)有效地反映斷路器觸頭的磨耗狀態(tài)，該方法雖然簡(jiǎn)單，但是，容易造成大量人力資源的浪費(fèi)，且由于無(wú)法實(shí)時(shí)獲取斷路器的工作狀態(tài)，從而造成一定的安全隱患。因此，只針對(duì)開(kāi)斷額定短路電流的開(kāi)斷次數(shù)去評(píng)價(jià)一臺(tái)斷路器的電壽命是不科學(xué)的，且無(wú)法滿足大規(guī)模電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在充分總結(jié)現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于電弧功率的短路器觸頭磨耗狀態(tài)分析方法，該方法以獲取斷路器工作狀態(tài)下觸頭兩端的瞬時(shí)功率為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)分析斷路器觸頭的磨損量，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器磨耗狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。斷路器工作狀態(tài)下，觸頭兩端的瞬時(shí)功率值可由斷路器端子上的瞬時(shí)電壓V(t)和通過(guò)斷路器的瞬時(shí)電流I(t)計(jì)算得到，其計(jì)算公式如下所示：

由公式可知，當(dāng)斷路器在工作狀態(tài)中，無(wú)論出于打開(kāi)或者閉合狀態(tài)，斷路器兩端的功率值總是保持為0，但是，短路器產(chǎn)生電弧反應(yīng)時(shí)功率的消耗是以光、熱等形式存在的，因此，斷路器在工作中兩段功率是不為0的，斷路器產(chǎn)生電弧時(shí)的功率損耗等于斷路器兩端測(cè)得的功率值，這個(gè)功率值為電弧功率。基于電弧功率的短路器觸頭磨耗狀態(tài)分析方法一般分為電弧功率獲取、狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)確定、累積電弧能量的計(jì)算等。各步驟具體實(shí)施方法如下：

（1）電弧功率獲取。電弧功率的獲取通過(guò)采集短路器端子的瞬時(shí)電壓和電流獲取，計(jì)算公式如下：

式中，VCB為斷路器兩端電壓，iCB為斷路器的電流瞬時(shí)值，s為采樣指數(shù)，代表采樣點(diǎn)為第s個(gè)TS周期，為采樣周期。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)響應(yīng)值。斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的響應(yīng)值可初步確定基于電弧功率的閾值，計(jì)算方法如下：

式中，nbr為產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規(guī)定的斷路器額定電流允許開(kāi)斷的次數(shù)，k為電弧功率的加權(quán)系數(shù)，Ei為斷路器每次開(kāi)斷的電弧能量的估算值。

（3）累積電弧能量。累積電弧能量的計(jì)算方式為將每次斷路器啟動(dòng)操作后測(cè)得的電弧放電功率進(jìn)行積分或累加，其計(jì)算公式如下所示：

式中，m為斷路器啟動(dòng)操作次數(shù)。

最后，通過(guò)比較每次斷開(kāi)過(guò)程中累積電弧能量與狀態(tài)監(jiān)測(cè)閾值，可以確定狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法的報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)，如式（5）所示：

系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警的標(biāo)準(zhǔn)為短路器當(dāng)斷路器任一相的累積電弧能量超出預(yù)設(shè)的閾值時(shí)。通過(guò)該算法，可實(shí)現(xiàn)斷路器觸頭磨耗狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該方法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了電氣磨耗狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。當(dāng)累計(jì)磨耗量達(dá)到規(guī)定限值后，對(duì)斷路器進(jìn)行維修檢查，一方面?？梢杂行p少維修工人的工作量，提高工作效率；另一方面?？梢詫?shí)現(xiàn)集中規(guī)范管理，確保電網(wǎng)系統(tǒng)的長(zhǎng)久安全運(yùn)行。

2 仿真分析

針對(duì)上述提出的基于電弧功率的斷路器觸頭磨耗狀態(tài)分析方法，通過(guò)建立近區(qū)故障線路仿真模型對(duì)方法的有效性進(jìn)行仿真分析。選用單相系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的短路故障進(jìn)行仿真，系統(tǒng)的采用20kV的交流電壓源，線電壓為35kV，為真實(shí)有效地還原實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)，在系統(tǒng)中加入工頻電抗、暫態(tài)恢復(fù)電壓控制支路和電源側(cè)時(shí)延電容。利用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行仿真，圖1為具有斷路器的35kV短線路故障模型仿真電路圖。

仿真采用的斷路器規(guī)格參數(shù)為：額定電壓40kV，額定電流1200A，額定功率50MVA。

圖1 35kV故障線路模型圖

額定斷開(kāi)容量1250MVA，額定頻率 50/60Hz，額定開(kāi)斷電流（均方根）20kA，額定關(guān)合電流（峰值）50kA。故障電路模型中使用的電路元件參數(shù)為：R1、R2、R3、R4的電阻值分別為0.15Ω、100Ω、0.2Ω、0.5Ω；C1、C2、C3、C4分 別 為 0.5μF、0.02μF、1.8nF、1.2nF；L1、L2分別為11mH、1μH。

采用本文提出算法，斷路器額定電流在40ms時(shí)開(kāi)斷的狀態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示。由圖2可以看出，斷路器在穩(wěn)定運(yùn)行、開(kāi)斷的瞬態(tài)過(guò)程以及開(kāi)斷等情況下電壓電流信號(hào)、采樣得到的電弧功率值及累積的電弧能量，斷路器開(kāi)斷起弧時(shí)間為5ms，斷路器觸頭斷開(kāi)次數(shù)達(dá)到10000次的累積電弧能量達(dá)到了1.4355（pu.ms）。在40ms時(shí)，斷路器開(kāi)斷故障電流，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)暫態(tài)過(guò)程后，在45ms時(shí)變?yōu)?，與此同時(shí)，電弧功率值也隨之等于0。在斷路器開(kāi)斷電弧的5ms時(shí)間段內(nèi)，累積電弧能量逐漸增加，最終達(dá)到了1.4355(pu.ms)并維持不變，直到完成一次故障的開(kāi)斷。該方法能夠有效過(guò)去短路器實(shí)際工作過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器觸頭磨耗狀態(tài)的有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，累積電弧能量具有良好的狀態(tài)保持功能，從而可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)超限報(bào)警功能。

圖2 開(kāi)斷斷路器額定電流的響應(yīng)圖

3 結(jié)語(yǔ)

準(zhǔn)確地獲取斷路器觸頭磨耗狀態(tài)，對(duì)于保障電力系統(tǒng)安全，助力國(guó)家電力系統(tǒng)的發(fā)展具有積極意義。本文以目前斷路器觸頭磨耗狀態(tài)獲取為切入點(diǎn)，綜合分析了傳統(tǒng)斷路器壽命管理的不足，提出了一種基于電弧功率的斷路器觸頭磨耗狀態(tài)分析方法，并建立了仿真模型，計(jì)算了同一型號(hào)斷路器在同一線路40ms時(shí)開(kāi)斷額定電流的響應(yīng)情況，通過(guò)分析燃弧時(shí)間、累積電弧能量等指標(biāo)去評(píng)價(jià)斷路器觸頭電磨損程度，仿真結(jié)果表明，該方法具有較好的應(yīng)用效果。