真空斷路器狀態(tài)評價及壽命評估

摘

要：首先對真空斷路器的壽命進行了分析，接著介紹了真空斷路器電壽命計算及評估方法，提出了斷路器最優(yōu)檢修及更換策略。解決方案具體實施后，從根本上突破了斷路器剩余壽命盲區(qū)，能切實保障斷路器剩余壽命預警功能的發(fā)揮；減少和消除斷路器拒動，提高電網(wǎng)可靠性水平以及斷路器在線監(jiān)測設備的應用效果和經(jīng)濟效益，提高設備的可用率；延長設備的檢修周期，有效降低電網(wǎng)運行成本；防止重大事故發(fā)生；實現(xiàn)對真空斷路器壽命的實時監(jiān)測，方便通過物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)進行查詢。

關鍵詞：真空斷路器；壽命監(jiān)測預警；燃弧時間；計算及評估方法

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引言真空斷路器作為電力系統(tǒng)中的重要設備，它的運行狀態(tài)受隨機性和模糊性因素影響，比如自身質量、檢修維護、運行環(huán)境等。為了實現(xiàn)對真空斷路器壽命的準確評估，就必須充分考慮隨機、模糊雙重不確定性的影響。斷路器運行狀態(tài)的隨機性和模糊性影響因素主要有以下方面：（1）機械因素：包括不同期合分閘、合分閘時的速度等參數(shù)。機械因素直接影響斷路器的穩(wěn)定性和可靠性。（2）開斷磨損因素：包括斷路器開斷次數(shù)、開斷時的電流和電流燃弧時間。開斷性能是斷路器的關鍵技術指標，斷路器通過的負荷電流在其正常運行時要比短路時小很多，而斷路器是按保證安全開斷一定次數(shù)的短路電流設計的。斷路器合分閘動作時，動觸頭和靜觸頭之間碰撞及摩擦，引起斷路器觸頭的形狀改變及材料損失，造成機械磨損。一般情況下，影響斷路器開斷性能的主要因素不是斷路器觸頭的機械磨損，而是短路電流的大小和開斷次數(shù)。斷路器快速切斷短路電流時會產(chǎn)生超強的電弧，斷路器觸頭表面被電弧高溫燒蝕，造成觸頭的金屬材料減少和形狀改變的結果，稱之為“電磨損”。電磨損會影響斷路器滅弧室滅弧時的性能。（3）用于變電站的真空斷路器，存在電壽命縮短、回路電阻變大、過電壓等問題，作為變電站高頻切換設備使用的斷路器，較常規(guī)使用的斷路器動作更為頻繁，供電公司往往采用定期檢修的方式來保證真空斷路器的可靠運行。統(tǒng)計顯示，維修斷路器時，因為維修技師技術及維修工藝問題，拆卸和安裝又會造成新的隱患，維修費時、費錢，不正確的維修可能導致維修費額外增加10%。在有些地區(qū)，對斷路器的例行檢修和小修占了電力設備維護費的很大部分。所以，從經(jīng)濟性和安全性兩方面考慮，制訂一套全新的檢修方案刻不容緩。1

真空斷路器壽命分析真空斷路器壽命包括儲存壽命、機械壽命和電壽命，如圖1所示。（1）儲存壽命，一般為20年。（2）機械壽命，以開斷次數(shù)計算，可以高達上萬次。（3）電壽命，由開斷電流的次數(shù)和開斷時的電流大小共同決定，短路時的開斷電流次數(shù)僅為機械壽命的千分之幾。機械壽命和電壽命比較，由較小的決定斷路器壽命。斷路器實際運行數(shù)據(jù)表明，機械壽命比電壽命長。

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真空斷路器電壽命計算及評估方法由于不同電流下斷路器觸頭的燒損與電流的大小并不遵從線性比例關系，應用模糊理論，提出斷路器電壽命的判斷方法。影響電壽命的主要因素有：首開相的燃弧時間、后開相的燃弧時間、開斷速度、開斷時間等。在一定條件下，燃弧時間起著決定性的作用?；诖耍褂糜嫾叭蓟r間的加權評估法，公式如下：式中：C為常數(shù)（根據(jù)斷路器的型號不同而不同），與斷路器的滅弧介質、觸頭速度有關；β為常數(shù)，與觸頭的材質等有關；t為燃弧時間；it為開斷時瞬時電流。該方法因充分考慮到斷路器觸頭的材質、滅弧介質、燃弧時間及在投切瞬間瞬時電流各個因素對斷路器觸頭的影響，可以較準確地判斷斷路器電壽命。斷路器開斷過程中：（1）三相斷路器觸頭不同步開斷，造成A、B、C三相燃弧時間差異化。（2）三相瞬時工況不同，所以斷路器開斷電流也不相同。（3）需要獲得在燃弧時間內每相開斷電流的波形，才能計算出斷路器電壽命。（4）每臺斷路器A、B、C三相需獨立測量。在斷路器開斷期間，波形奇異點位置標記為起弧時間，電弧熄滅時間記為滅弧時間，兩者之差即為燃弧時間。不考慮直流分量的影響，正常狀態(tài)下斷路器一次暫態(tài)電流只含有周期分量，且頻率穩(wěn)定。當斷路器接到開斷命令、觸頭開始分離時，生成電弧。根據(jù)電弧的特性，其可以等效為一個非線性電阻，阻值隨著電流的增大而減小，這是電導率隨電流增大而急劇增大，電弧截面也隨之增大的緣故。因此，在產(chǎn)生電弧的時刻，暫態(tài)電流會產(chǎn)生一定程度的畸變，幅值變化的同時引入一些高頻分量，如圖2所示，這一特點為確定燃弧時間提供了機會。電流過零點的時刻即為電弧熄滅時刻，可以方便得到，而奇異點的位置就是起弧的時刻，電弧熄滅時刻與起弧時刻之差就是燃弧時間，從而為計算開斷電磨損補齊了未知的參數(shù)。3

斷路器最優(yōu)檢修及更換策略3.1斷路器的維護斷路器的最優(yōu)運行維護及更換策略就是降低投入的一次性平均成本和周期性的年均成本，而降低這兩項成本的共同要點就是做好斷路器的運行維護管理。通常，斷路器的維護主要有以下幾種形式：（1）定檢維護。按一定周期對設備進行測試、檢查，并根據(jù)測試結果進行診斷，調整、修復和更換個別零件，保證設備處于穩(wěn)定可靠狀態(tài)。（2）消除設備故障和缺陷，將設備恢復到正常狀態(tài)。（3）技術改造和修理。技改修理是設備維護工作中耗費成本最多的一種維修方式。然而，隨著電氣設備數(shù)量和定檢工作量逐年增長，缺陷數(shù)量也逐年增加，致使周期性投入重復進行，耗費較高。因此，基于全壽命成本周期的最優(yōu)斷路器運維管理及更換策略需要在以下幾方面進行加強：（1）完善設備管理標準。從變電站安全可靠性考慮，對可靠性要求較高的點，采用性能較高的設備；對重要性一般的點，采用性能一般的設備。（2）開展狀態(tài)檢修。通過壽命狀態(tài)評估工具對斷路器的運行狀態(tài)進行評價，了解設備的運行狀態(tài)。（3）優(yōu)化設備檢修管理。在對高壓斷路器壽命狀態(tài)進行準確評估的基礎上，對傳統(tǒng)的設備檢修管理工藝、方式方法進行優(yōu)化升級，改進檢修工藝、方法，減少關鍵檢修步驟上所消耗的作業(yè)時間。3.2壽命監(jiān)測預警真空斷路器電壽命監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、采集器、通信網(wǎng)、合并單元、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成，如圖3所示。該系統(tǒng)基于光電傳感器、高速處理芯片及光電轉換技術，通過前面提到的算法，計算斷路器剩余的電壽命，并與初始壽命進行比較，給出檢修的建議。因此，可以根據(jù)該系統(tǒng)的統(tǒng)計結果，科學地安排設備檢修周期，避免斷路器因為未能及時檢修而導致的電網(wǎng)事故；同時相對于固定周期檢修方式，這樣也降低了維修成本。而且，該系統(tǒng)可以作為斷路器設備實現(xiàn)狀態(tài)檢修的一個重要依據(jù)，為推動狀態(tài)檢修工作奠定基礎。4

解決方案4.1真空斷路器壽命監(jiān)測預警系統(tǒng)真空斷路器壽命監(jiān)測預警系統(tǒng)由傳感器、采集器、合并單元及后臺預警軟件組成，如圖4所示，可實時在線監(jiān)測斷路器開斷及關合瞬時電流值，結合預警系統(tǒng)軟件算法實現(xiàn)對高壓斷路器開斷次數(shù)及電壽命的實時在線監(jiān)測；控制和數(shù)據(jù)處理中心作為后臺軟件，是斷路器電壽命計算及人機交互的中心。軟件實時監(jiān)控真空斷路器，收集監(jiān)測斷路器處大電流，實時計算電壽命的損耗，將計算結果儲存在數(shù)據(jù)庫，具備多種方式的預警和查詢功能。其中的采集器是系統(tǒng)的關鍵部分，負責關鍵數(shù)據(jù)的采集和傳輸。采集器實時監(jiān)控斷路器，記錄斷路器斷開、閉合狀態(tài)信息，確定采集斷開、閉合瞬時電流值信息，如圖5所示。采集器將采集的信號進行A/D轉換，并將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶喜卧?，進而傳輸?shù)焦た胤掌鬟M行分析處理。4.2實施實例基于以上討論，在某變電站進行了相關試驗，該變電站一個主變是星轉三角的變壓器，通過加裝在主變低壓側（10kV）的一組光電傳感器（每相一個，共三個）測量出主變出線電流，系統(tǒng)實時記錄5min的電流數(shù)據(jù)。在高壓斷路器發(fā)生短路開斷的情況下，采集系統(tǒng)收到斷路器變位信息自動識別斷路器位置，并自動存儲，計算出此時刻斷路器的短路開斷電流，從而計算出這個斷路器的剩余電壽命。為了降低傳輸信號失真，采用光纖傳輸信號，最后供監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和分析?，F(xiàn)場安裝圖如圖6所示。經(jīng)過現(xiàn)場驗證，該系統(tǒng)可靠監(jiān)測電流范圍為100A～20kA；誤差為5P/20。圖7為2021年底實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體如表1所示。該壽命監(jiān)測預警系統(tǒng)于2020年3月份試驗投運以來工作可靠，已為其中一臺斷路器的實際檢修提前發(fā)現(xiàn)故障，提供了大量前期數(shù)據(jù)和檢修依據(jù)。5

結