云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局 董 昊 崔 軍 戴 曉 段志云 饒永杰

1 引言

隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展和電網(wǎng)的不斷升級，真空斷路器在電力系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。然而，由于其特殊的工作環(huán)境和高要求的安全性能，真空斷路器的運行狀態(tài)評估一直是電力工程領(lǐng)域的一個重要研究方向。傳統(tǒng)的真空斷路器運行狀態(tài)評估方法多依賴于人工解讀和分析數(shù)據(jù)，存在主觀性和不確定性，難以滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的需求[1]。因此，基于智能評估方法的真空斷路器運行狀態(tài)評估方法成為當(dāng)前的研究熱點之一，通過采用機器學(xué)習(xí)和人工智能算法對真空斷路器的大量數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練和建模，實現(xiàn)對真空斷路器的運行狀態(tài)進行全面的評估，提高其安全性能和可靠性，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供保障。

2 一二次融合真空斷路器的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 一二次融合真空斷路器的分類和應(yīng)用場景

2.1.1 分類

一二次融合真空斷路器型號配置見表1。 一二次融合真空斷路器型號說明如圖1所示。

表1 一二次融合真空斷路器型號配置

圖1 一二次融合真空斷路器型號說明

根據(jù)額定電壓的不同，真空斷路器可分為低壓、中壓和高壓三種；根據(jù)開斷能力的不同，真空斷路器可分為普通型、快開型和超快開型三種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，真空斷路器可分為單柱式、雙柱式和固定式三種；根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和要求的不同，真空斷路器還有一些特殊類型，如航天用真空斷路器、鐵路用真空斷路器等[2]。

2.1.2 應(yīng)用場景

一是電力系統(tǒng)中的應(yīng)用：真空斷路器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，主要用于電力輸變電、電力配電等場合。由于其體積小、重量輕、可靠性高等特點，已成為主流的高壓開關(guān)設(shè)備。

二是工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用：真空斷路器在工業(yè)生產(chǎn)中也有廣泛的應(yīng)用，主要用于保護各種設(shè)備和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，如電動機、變壓器、電焊機等。

三是航空航天用途：真空斷路器還廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用于空間艙內(nèi)的電源、配電系統(tǒng)和推進系統(tǒng)等場合。

四是其他領(lǐng)域的應(yīng)用：真空斷路器還可以用于高速鐵路、地鐵、礦山等場合，保障各種設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

2.2 一二次融合真空斷路器的結(jié)構(gòu)和特點

2.2.1 結(jié)構(gòu)

一二次融合真空斷路器是一種廣泛應(yīng)用于高壓電力系統(tǒng)中的斷路器，其結(jié)構(gòu)主要由一次側(cè)和二次側(cè)兩個部分組成。一次側(cè)主要由真空滅弧室、電子式傳感器、絕緣極柱、彈操機構(gòu)等組成，具備承受和斷開主電路的電流，采集線路電流和電壓信號，隔離線路故障等功能。二次側(cè)則包括繼電器、單片機、測量電路、計量板和后備電源等，用于測量一次側(cè)采集的線路數(shù)據(jù)，進行線路電流和電壓數(shù)據(jù)分析和反饋，控制和斷開斷路器的輔助電路 ，精準(zhǔn)分析和隔離線路故障。

在一二次融合真空斷路器中，一次側(cè)和二次側(cè)緊密結(jié)合，相互協(xié)調(diào)工作，通過二次側(cè)終端下發(fā)命令，控制一次側(cè)機械動作，實現(xiàn)斷路器的閉合和斷開操作。同時，其采用真空滅弧室（電弧滅弧介質(zhì)為真空），具有快速滅弧、低噪聲、低污染等優(yōu)點，能夠滿足高壓電力系統(tǒng)對斷路器的安全、可靠和經(jīng)濟的要求。

2.2.2 特點

一二次融合真空斷路器是一種新型的高壓電力系統(tǒng)斷路器，具有高可靠性、高靈敏度、維護簡便、高安全性、可靠性高等特點，一二次融合真空斷路器采用真空作為電弧滅弧介質(zhì)，能夠快速滅弧，避免電弧延續(xù)時間過長而導(dǎo)致的設(shè)備損壞，具有非常高的可靠性，提升了配電網(wǎng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 一二次融合真空斷路器的工作原理和故障形態(tài)

2.3.1 工作原理

一二次融合真空斷路器的工作原理是通過一次側(cè)和二次側(cè)的協(xié)同作用實現(xiàn)對電路的斷開和閉合。

當(dāng)需要閉合電路時，二次側(cè)終端下發(fā)合閘命令，后備電源輸出電能，驅(qū)動斷路器彈操機構(gòu)運轉(zhuǎn)儲能完成，再驅(qū)動合閘電磁鐵動作，實現(xiàn)斷路器合閘，此時電流從進線端流入，經(jīng)過真空滅弧室內(nèi)的觸頭系統(tǒng)，再經(jīng)過出線端流出，實現(xiàn)線路的閉合。

當(dāng)需要斷開電路時，當(dāng)二次側(cè)終端下發(fā)分閘命令后，后備電源提供電能，驅(qū)動斷路器分閘電磁鐵動作，實現(xiàn)斷路器分閘，此時真空滅弧室觸頭處于打開狀態(tài)，由于真空具有良好的絕緣作用，電流不能流通，電壓不能導(dǎo)通，實現(xiàn)線路的斷開。

在真空滅弧室內(nèi)，電弧熄滅后，殘留的離子會隨著電場作用被吸附在觸頭和真空滅弧室之間的絕緣表面上，絕緣強度得以恢復(fù)。

2.3.2 故障形態(tài)

一二次融合真空斷路器在使用過程中可能會出現(xiàn)的故障形態(tài)包括：

觸頭燒損：由于長期電弧熔融的作用，觸頭表面可能會出現(xiàn)燒損、氧化等情況，導(dǎo)致接觸不良，影響斷路器的使用效果。

觸頭彈簧失效：斷路器觸頭的彈簧系統(tǒng)可能會因為彈力減弱、疲勞等原因而失效，導(dǎo)致觸頭無法緊密閉合，影響斷路器的使用效果。

氣密性能下降：由于真空滅弧室和絕緣表面長期受到電弧的作用，可能會出現(xiàn)表面燒傷、氧化等情況，導(dǎo)致氣密性能下降，從而影響斷路器的使用效果。

絕緣部件損壞：由于斷路器的絕緣部件長期經(jīng)受風(fēng)吹日曬、紫外線照射和線路高電壓，以及可能經(jīng)受雷擊等自然災(zāi)害，可能會導(dǎo)致出現(xiàn)絕緣性能降低，甚至絕緣異常等情況，從而導(dǎo)致斷路器不能正常工作。

控制系統(tǒng)故障：斷路器的電子控制系統(tǒng)可能會出現(xiàn)軟件或硬件故障，導(dǎo)致斷路器無法控制或失去響應(yīng)，從而影響斷路器的使用效果。

此類故障形態(tài)可能會導(dǎo)致一二次融合真空斷路器無法正常工作，需要及時進行維修或更換，以保證高壓電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。

3 一二次融合真空斷路器運行狀態(tài)智能評估技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)挖掘和特征提取

一二次融合真空斷路器的運行狀態(tài)智能評估技術(shù)結(jié)合了數(shù)據(jù)挖掘和特征提取兩種技術(shù)手段，旨在從大量的斷路器運行數(shù)據(jù)中提取有效信息，對斷路器的運行狀態(tài)進行智能評估和預(yù)測。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要用于從大量的歷史運行數(shù)據(jù)中挖掘出對斷路器運行狀態(tài)具有關(guān)聯(lián)性和預(yù)測能力的數(shù)據(jù)特征。

特征提取技術(shù)則主要用于從原始數(shù)據(jù)中提取有效的特征，以便更好地描述和表示斷路器的運行狀態(tài)。這些特征可能包括時間序列分析、頻域分析、小波變換等方法得到的幅值、相位、頻率等參數(shù)，通過這些參數(shù)的組合和建模，可以更準(zhǔn)確地描述斷路器的運行狀態(tài)和特征，為斷路器的智能維護和故障診斷提供有力的支持。

3.2 機器學(xué)習(xí)算法和模型構(gòu)建

機器學(xué)習(xí)算法可以自動從大量的歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并建立模型，從而可以對未知的數(shù)據(jù)進行預(yù)測和分類。在一二次融合真空斷路器的狀態(tài)評估中，可以使用機器學(xué)習(xí)算法來訓(xùn)練模型，預(yù)測斷路器的狀態(tài)和可能出現(xiàn)的故障。

在模型構(gòu)建方面，可以使用支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機森林等機器學(xué)習(xí)算法來構(gòu)建預(yù)測模型。這些模型可以通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和分析，識別出與斷路器運行狀態(tài)有關(guān)的因素和特征，并對未知的數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確預(yù)測和分類。將機器學(xué)習(xí)算法和模型構(gòu)建技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘和特征提取技術(shù)相結(jié)合，可以提高斷路器運行狀態(tài)的預(yù)測和評估的準(zhǔn)確性和精度。

3.3 運行狀態(tài)預(yù)測和診斷方法

一二次融合真空斷路器的運行狀態(tài)智能評估技術(shù)可以結(jié)合運行狀態(tài)預(yù)測和診斷方法，來進一步提高斷路器運行狀態(tài)的評估和預(yù)測的準(zhǔn)確性和精度。運行狀態(tài)預(yù)測方法主要是基于歷史數(shù)據(jù)的趨勢和模式分析，通過預(yù)測未來一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，來推斷斷路器未來的運行狀態(tài)和可能出現(xiàn)的故障。運行狀態(tài)診斷方法則是通過對實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，來判斷當(dāng)前的斷路器狀態(tài)和可能存在的問題。

將運行狀態(tài)預(yù)測和診斷方法結(jié)合起來，可以實現(xiàn)全面、準(zhǔn)確的斷路器狀態(tài)評估和預(yù)測。具體來說，可以利用歷史數(shù)據(jù)進行運行狀態(tài)預(yù)測，然后結(jié)合實時數(shù)據(jù)進行狀態(tài)診斷和修正，以實現(xiàn)更加準(zhǔn)確的狀態(tài)評估和預(yù)測。

4 一二次融合真空斷路器運行狀態(tài)智能評估方法試驗案例分析

本案例分析采用一臺10kV 電壓等級的一二次融合真空斷路器作為研究對象，試驗過程中采用了智能評估方法對其運行狀態(tài)進行評估，并與傳統(tǒng)評估方法進行對比。

一是數(shù)據(jù)采集：在斷路器運行過程中，使用高精度電子式傳感器采集線路數(shù)據(jù)，包括相電流、零序電流、相電壓、零序電壓、線電壓以及電池電壓。通過采集的數(shù)據(jù)，建立真空斷路器的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

二是特征提?。簩Σ杉降臄?shù)據(jù)進行處理和分析，提取出各項運行參數(shù)的特征，包括電流、電壓、溫度、頻率、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等，形成真空斷路器的特征數(shù)據(jù)庫。

三是建立評估模型：采用機器學(xué)習(xí)和人工智能算法，對特征數(shù)據(jù)庫進行訓(xùn)練和建模，建立了真空斷路器運行狀態(tài)評估模型。該模型能夠自動學(xué)習(xí)真空斷路器各項運行參數(shù)之間的關(guān)系，進而判斷其運行狀態(tài)是否正常。

四是評估試驗：通過對真空斷路器的運行狀態(tài)進行評估試驗，驗證了評估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗結(jié)果表明，基于智能評估方法的真空斷路器運行狀態(tài)評估方法具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

五是與傳統(tǒng)評估方法對比：通過與傳統(tǒng)的真空斷路器運行狀態(tài)評估方法進行對比，發(fā)現(xiàn)基于智能評估方法的評估結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。傳統(tǒng)評估方法往往需要人工解讀和分析數(shù)據(jù)，存在主觀性和不確定性，而基于智能評估方法的評估結(jié)果更加客觀和準(zhǔn)確。

本案例研究基于智能評估方法的一二次融合真空斷路器運行狀態(tài)評估方法具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠為真空斷路器的安全運行提供重要保障。

5 結(jié)語

基于智能評估方法的一二次融合真空斷路器運行狀態(tài)評估方法是一種全新的評估方法，相比傳統(tǒng)評估方法具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。通過采用機器學(xué)習(xí)和人工智能算法對真空斷路器的大量數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練和建模，實現(xiàn)了對真空斷路器的運行狀態(tài)進行全面的評估。