（电力系统及其自动化专业论文）sf6断路器状态检修技术研究.pdf

丝竖量丛查丝笙垄生笙苎三 s u m m a r y w i t l lt h ed e v e l o p i n go fe c o n o m i ci no u rc o u n t r y , t h es c a l eo fe l e c t r i cw i l lb e i n o r ea n dm o r el a r g e ，a n dt h ee q u i p m e n to fe l e c t r i cs y s t e mw i l lb er e n o v a t i n gd a ya n d d a y s ot h em a n a g e m e n to fe q u i p m e n tw i l lb em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i i l2 0c e n t u r y5 0 s o u rc o h n t r yu s e dt h em e t h o df r o mr u s s i at om a n a g e m e n t e l e c t r i ce q u i p m e n t ，t h a tc a r r yo u tt h em e t h o do fp r e v e n t i n em a i n t e n t a n c e t h e c l a s s i f i c a t i o no fm a i n t e n a n c e ，i t e m so fm a i n t e n a n c ea n dp e r i o do fm a i n t e n a n c ew e r e b eu n i t e db ye l e c t r i cp r o f e s s i o n i n2 0c e n t u r y8 0 s m a n ye l e c t r i ce n t e r p r i s ec o m b i n ea d v a n c e de x p e r i e n c ei n a b r o a d ，a n da n a l y s e st h es h o r t c o m i n gi nr m s ow ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tr m n e g l e c t e dt h ed i f f e r e n c eo fi n d i v i d u a l ，s u c ha sq u a l i t y , e n v i r o n m e n ta n dp r o p e r t ys o s o m ee l e c t r i ce q u i p m e n ti nw e l lc o n d i t i o nw i l lb er e p a i r e d o nt h ec o n t r a r ys o m ei n b a d w i l lb en o tb em p a i r ei nt i m e w i 恤t h et e c h n i c a li n n o v a t i o ni ne l e c t r i c ，a n dt h ed e v e l o p i n go fm a r k e te e n o m v d e m a n dt h ep o w e rs u p p l ys t a t i o nr e l i a b l e o nt h eo t h e rh a n d ，a s kf o rb e s te c o n o m i c e f f e c t i v e n e s s r e l i a b i l i t yc e n t e r e dm a i n t e n a n c em e e tt h en e e d so fe l e e t r i cs y s t e r n b a s e do ns u c ha n a l y s e s ，t h ep a p e re x p o u n d st h ep r i n c i p l eo fo n l i n ec o n d i t i o n m o n i t o t i n ga n df a u l td i a g n o s i st e c h i q u ei ns f 6c i r c u i tb r e a k e r , a n dr a i s e sa c t u a l m e t h o d so f t h a ti np r a c t i s ew a y a n dt h ep a p e ra n a l y s e st h ea p p l yo ff a u l td i a g n o s i s ，t h a tb a s e do nr o u g hs e ta n d r e m o t em o n i t o r i n gi nt h es t a t em a i n t e n a n c et e c h n i q u e i no r d e rt oa d a p tt h ed e v e l o p i n go fe l e c t r i cm a n a g e ，t h i sp a p e rb r i n gu pt om a r k t h es t a t eo fe l e c t r i ce q u i p m e n t c o n t a c tt od i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，t h ep a p e r b r i n gu dm a ts e n ds t a t ed a t at od i s t r i b u t i o nt e r m i n a l i no r d e rt om a k ed a t an e t w o r k i n g a n dt h ep a p e ra n a l y s e st h ei m p o r t a n c ea n dp r a c t i c a l i t yo fs e tu pd a t aw a r e h o u s e t h i sp a p e rw i t ht h ed i r e c tb yp r o f e s s o rx uk em i n ga n dc h i e fe n g i n e e rs h e n g u a nq u a n a n ds om a n yt e a c h e r sa n df r i e n d s t h a n k st ot h e n la l l ， k e y w o r d s ：s f 6c i r c u i tb r e a k e r ；s t a t em a i n t e n a n c et e c h n i q u e ；o n l i n ec o n d i t i o n m o n i t o r i n g ；f a u l td i a g n o s i s s f 6 断路基状态瞳修技术研究 d 第一章状态检修的概述 第一节状态检修的由来 在电力行业的发展史上，经历了事故后检修( c o r r e t i v em a i n t e n a n c e ) 和预防性检修 ( p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ) 的阶段。2 0 世纪4 0 年代，因电网电压等级低、容量小，电气设 备发生故障所带来的损失和影响不大，因此一般采用事故后检修制度，即设备损坏后，停电 进行检修，随着电网容量的逐渐增大，电压等级的提高，设备故障所引起的影响也相应增大 随着供电可靠性要求的提高，使得从6 0 年代起，各国相继出现了比较规范的停电预防性试 验及检修标准，从而进入了预防性检修( p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ) 的阶段。这是通过停运运 行设备，施加高压来判断该设备的绝缘状况。同时根据设备的一般运行状况来编制设备的检 修周期，这样进行有目的的检修，遵循“到期必修，修必修好”的原则，这就是长期以来。 我国电力系统沿用的设备检修制度。比如原部颁少油断路器检修工艺规定：1 1 0 2 2 0 k v 少油 断路器，投运一年后进行一次大修，以后每5 一l o 年进行一次大修。 近年来随着电力系统装备水平的提高，为开展围绕可靠性为中心的设备维护管理 ( r c m r e l i a b i l i t yc e n t e r e dm a i n t e n a n c e ) 具各了基础的物质条件。专业技术管理人员 正在逐步从传统的检修理念束缚中解脱出来，开展电力设备“状态检修( s t a t e m a i n t e n a n c e ) ”的尝试，这为进一步推行r c m 创造了条件。 第二节状态检修与计划检修的优缺点比较 l 、计划检修及其缺点； 现行的预防性检修的检修计划( 计划检修) 是依据运行经验而定，作为独立的设备个 体及特定的运行环境，以统一的计划检修周期进行设备检修的要求，不一定是适用的。与状 态检修相比，计划检修有以下缺点： ( 1 ) 预防性检修不能及时发现设备缺陷： 以设备的绝缘1 监测为例，由于设备按预试周期进行预试，这样在预试周期间隔中，设 备的绝缘状况就没有进行监测，从而失去监督。所以可能茂生设备的故障或缺陷未被及时发 现，就会造成检修不足。 ( 2 ) 预防性检修会影响供电可靠性： 由于预防性检修需要静电，这就降低了供电可靠性，特别是一些重要设备停电对，会 降低系统的运行可靠性。目前国内的一些大中城市的供电可靠性只能达到9 9 8 ，即全年累 计停电时间超过1 7 小时，其中预防性检修造成的停电占停电时间的5 0 6 0 。而国外发达国 家的人中型城市由于执行状态检修，他们的供电可靠性达到9 9 9 9 ，即全年累计停电时间 不超过1 小时。 ( 3 ) 预防性检修会造成人、财、物的浪费： 当设备运行良好时，预防性的计划检修会造成人力和物力的浪费，甚至可能因为拆卸 过多而造成设备损坏，即造成所谓过度检修。并且年度的设备预防性检修费用居高不下，且 日趋膨胀。 ( 4 ) 预防性检修技术支撑不完全合理。 2 、状态检修相对于计划检修的优点。 状态检修由于运用了在线检测技术，对电力设备的运行状态进行实时监测，依据具体设 备的运行状况来安排检修，相对而言就具有以下几个明显的优点： ( 1 ) 状态检修能及时发现缺陷： 由于采用了针对设备的在线监测和故障诊断技术，从而实现了对设备状况的实时监 测，就能及早发现设各的早期缺陷，避免设各缺陷发展成为严重的设备故障从一定程度上 s f 6 断路嚣状杰检修技术研究 减少了发生设备事故的可能性，提高了设各运行的安全可靠性。 ( 2 ) 状态检修能提高供电可靠性； 由t 。到期必修”过渡到“当修必修，不当修就不修”，这样就提高了设备的可用系数， 延长了设备的检修周期，减少了不必要的停电时间和次数，提高了供电可靠性。 ( 3 ) 状态检修能节约人、财、物力； 由于在检修之前就了解设备需要检修的部位，所以检修时就能有的放矢，从而节约了人、 财、物的投入，提高了检修的质量和效率。虽然状态检修需要投入前期的监测设备的费用投 入，但是相对于预防性检修长期的、盲目的检修费用投入，以及更加可靠的设备运行水平所 带来的优良供电质量而言，从长远观点看，却是经济的。前期在线监测设备的投入，也会在 逐年的设备运行费用中收回。 ( 4 ) 状态检修的技术支撑较为合理。 由于状态检修建立在状态监测和故障诊断技术之上，所以能根据设备的状态安排检修的 周期及项目，这就较计划检修模式更为合理。 止是网为状态检修能为电力企业自身和社会带来良好的经济效益，所以国家有关部门对 此给予了高度的关注，并多次发出通知，要求“企业应当积极学习先进的设备管理方法和 维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法”，改革“维修制度”，要“破除单纯 以时间为基础的设备维修制度，建立以状态监测为基础的设备维修制度”。基于状态监测技 术而编制状态检修计划，相对于预防性检修的计划更能使设备检修科学而合理，所以电力部 颁布的d l t 5 9 6 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程4 9 中明确规定：“如经实用考核证明， 利用带电测量和在线监测技术能达到停电试验的效果，经批准可以不做停电试验或适当延长 试验周期”。并指出“这是企业实现管理现代化、提高综合实力的有效途径之一，也是管理 创新、技术创新的具体体现。”所以，无论是从国家还是从企业自身利益的角度出发，状态 检修必将成为今后设备检修的发展方向。 第三节实现电力设备状态检修的条件 要保证设备状态检修的有效实施，要满足三个方面的软、硬件条件： 1 、运行中的高压电气设备应具备基本的质量水平，或者说设备本身的故障率在允 许的范围内。 2 、对设备具备较全面的离线、在线监测手段。以及基于成熟理论的故障诊断系统。 3 、具有较高水平的专业管理手段。 随希电力技术的进步，发、供电单位的电气设备健康水平普遍提高，给状态检修创造 了第条什。在第二个条件中，离线监测技术已发展成熟，而状态监测和故障诊断则正在发 胜之中。状态监测是对运行设备的各项数据进行实时采集，并显示设备的健康状态。而故障 诊嘲i ! j 【l j 是利圳状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数以及环境条件，以及设备 的历史运行状况( 包括曾经发生过的设备故障和维修记录) ，对设备可能要发生的故障进行 预报，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，使检修有的放矢。设备的故障诊断包括 信号采集与信号处理、状态识别、诊断决策几个部份，它的流程可用图l 进行说明： 在流程图中，信号采集是通过传感器传递设备各种状态特征量的变化，例如振动、压力、 温度等。信号处理则是将采集到的信号进行处理、加工，提取出特征值。状态识别是将特征 值与设备的允许参数进行对比，作出是否存在故障以及故障性质的判断。根据以上的判断， 决定应采取的措施，加上对设备的趋势分析就形成了诊断的决策。 ! 兰巡丝蕉堂丝笪垄! 堕一生 图1设备故障诊断流程 第二章s f 6 断路器状态检修的现状 第一节断路器检修的现状 相对于其它静止的变电站电力设备而言，断路器要在频繁的正常开闭和故障时切断中保 证正确动作，无疑较变压器、电抗器、电容器等更为困难。但是在电力系统的生产考核指标 中有着严格的规定：断路器的可用率指标是9 9 ，故障率是5 台，次百台年。以1 l o k v 及 以上断路器为研究对象，开展状态检修技术的研究，无疑对提高断路器的健康水平、提高电 网运行的安全可靠性，从而提高城市电网的供电可靠性有着重要意义。 长期以来，编制断路器的检修计划，是按照原能源部颁发的检修工艺要求，并参考制造 厂的规定编制计划检修的周期。以s w 6 1 1 0 2 2 0 断路器为例，其大修周期一股是间隔4 - 6 年。在对到大修周期的断路器的检修过程中，经常发现大量断路器的灭弧室内动、静触头运 行良好，没有烧伤的痕迹；反映断路器绝缘油绝缘性能的介损、耐压等指标良好等，诸如此 类的问题，反映出检修过剩的问题，这造成了投资的浪费。同时，因为检修过程中要将运行 断路器停运，还不可避免地造成电网可靠性的降低和供电可靠性的降低。在断路器无油化改 造中，1 l o k v 及以上系统将少油断路器基本上己更换为s f 6 断路器。根据各断路器生产厂的 规定，s f 6 断路器满容量开断1 0 一2 0 次左右才需进行一次解体检修，但断路器在运行寿命内， 绝人多数是达不到额定满容量的开断次数的，行业或国标的又没有一个统一的标准，所以一 般s f 6 断路器投运后就不安排相应的检修。一些运行单位也只是安排进行年度的预防性试验 等少量的维护工作，与少油断路器相对比，s f 6 断路器的检修工作量就仅仅局限在暴露出来 的缺陷处理上，这样又会造成检修不足。运行当中，s f 6 断路器的一些缺陷往往会造成设备 停运，例如：用作绝缘的s f 6 气体泄漏等，因为缺陷暴露突然，所以不得不l 临时停电处理。 而s f 6 微水超标、灭弧室内动、静触头烧损造成接触电阻增大等缺陷，要在年度的预防性试 验中才能发现，在预防性试验的周期之间就没有发现的手段，如果检修不及时，很可能造成 设备事故。 怎样解决这一问题，引起了全国各发、供电单位的普遍重视。2 0 0 0 年9 月2 8 日，原国 家电公司发布的防j e 电力生产重大事故的二十五项重点要求中，在1 6 7 条明确规定： “断路器设备应按规定的检修周期进行检修。按实际累计短路开断电流及状态进行检修”， 这即是断路器状态检修的要求。 s f 6 颤路器状态检修技隶研究 7 第二节s f 6 断路器在线监测技术的现状 随着电力电子技术的发展，针对断路器的在线监测技术正逐步运用于电力生产实际。目 前的s f 6 断路器的在线监测和故障诊断系统，主要由传感器、单片机监测系统、故障诊断系 统三个部分组成，它包括以下两方面功能： 1 、断路器开断电流监测：通过监测断路器开断电流的大小、次数进行监测。 2 、机械状态监测：通过装设在断路器本体的传感器监测开关分、合闸电磁铁线圈电流 的状态，同时也对断路器操作时的机构振动信号、分合闸时间、辅助开关的动作波形等进行 监测。 在下面的方框图中，简要说明了断路器在线监测系统框图。就地装设的单片机系统，将 装在断路器本体的传感器及开关量监测回路监测到的断路器动作情况、开断的电流、辅助开 关的动作行为、s f 6 气体的含水量和气体密度等信号，上传至断路器的在线监测系统进行处 理。上位机根据下位机传送来的数据，分别计算出断路器的触头磨损量、以及分、合闸的时 问、s f 6 气体的含水量和气体密度等。并将这些数据与断路器的额定参数进行对比，给出趋 势分析，f i - 给出断路器当修、不当修的判断。 断 + |振动传感器 路 断路器在线 器 _ 一电流传感器l 斗 监测系统 太 ( 从机) l i 体 一霍尔元件l 斗 7 i上位机 一辅助开关l 斗 图2 现阶段s f 6 断路器在线监测的原理框图 第三节 s f 6 断路器故障诊断技术的现状 现阶段的s f 6 断路器故障诊断的主要内容是：对s f 6 断路器的运行现状进行评价和预测， 如果识别出异常状态，即对缺陷的原因、部位和危害程度进行诊断和评价。 s f 6 断路器故障诊断的主要功能是： 1 、寿命诊断：通过监测s f 6 断路器开断电流的大小、次数、触头磨损的情况，判断s f 6 断路器是否需要检修。 2 、机械状态诊断：对s f 6 断路器的机构振动信号、分合闸时间、辅助开关的动作波形、 储能电机的动作情况等的在线监测信号进行诊断。 s f 6 断路器的故障诊断基于计算机技术和专家诊断系统，通过对状态监测的信号进行分 析、处理，从而得出断路器是否存在故障的判断。较人工诊断而言，计算机诊断较人工诊断 减少了主观随意性。只要采集信号满足诊断要求，且精度合格；故障判断判据合理：趋势分 析计算正确、全面就能得到正确的诊断结果。 ! ! 丝篓丛生丝丝堂垄! 堕旦 第四节 s f 6 断路器在线监测和故障诊断系统现状 在传统的变电站中，断路器在线监测及故障诊断系统结构层次划分为站控层和间隔层， 其中站控层义细分为系统层和通信层。系统层为断路器故障诊断单元，间隔层为各断路器在 线监测单元，中间为通信网络线组成的通信层。 系统层 断路器故障 诊断单元 彳丫 通信层 j 通信网络 介介介 uuu 间i 单元l 茎i 誓翥单元 | 茎i 誓翥单元 i 蒌i譬翥 图3 现阶段s f 6 断路器在线监测及故障诊断系统结构示意图 系统的网络结构采用总线方式，传送数据采用主从站方法。断路器故障诊断系统安装在 工业控制p c 机内，作为上位机( 主站) 。断路器在线监测单元采用单片机，作为下位机( 从 站) 。主站启动并控制网上的每一次通信，每一个从站有一个地址。 对于一个综合自动化的变电站，如果采取建设一套独立的s f 6 断路器在线监测及教障诊 断系统，将有两个方面的弊病： 1 、管理的重复性； 如果在一个综合自动化的变电站中，再建立套独立的s f 6 断路器在线监测及故障诊断 系统，如果要了解一台s f 6 断路器的运行状况，运行管理人员就要巡视两套系统，这样巡视 小作就山现了重复。 2 、部分设备的重复投资。 网为在变电站综合自动化系统中，监控系统已经具备了对包括断路器在内的设备运行数 据的实时采集，例如对断路器的位置和通过三相交流电流的监测功能。作为s f 6 断路器在线 监测及故障诊断系统，也具备了上述功能这样无疑增) j u t 部分设备的重复投资。 随着变电站综合自动化技术的推广，电网新上的变电站基本上都是综合自动化的变电 站，而s f 6 断路器在线监测及故障诊断系统在电力系统的应用正在开展，所以以上问题已凸 显出来。 墨兰燮堂蕉堂笙茎垄至堕 一生 第三章综自站s f 6 断路器在线监测及故障诊断 系统的工程设计 针对上述问题，本文提出一个将s f 6 断路器在线监测及故障诊断系统，整合进变电站 综合自动化系统的方案。即将变电站综合自动化系统的功能扩大，囊括现有s f 6 断路器在线 监测的所有功能。为完成状态检修的需要，增加对s f 6 气体密度和含水量的监测，提高对设 备运行状态的在线监测水平。 这样，s f 6 断路器在线监测及故障诊断系统，成为变电站的综自系统的任务之一，进行 模块化设计。在与调度端的通信中，综自系统又可以将重要的s f 6 断路器在线监测及故障诊 断的数据一并向上传送。 目 ，i 变电站综合 自动化系统 丁了 通信层 之岁 通信网络 介介俞 豳南t 南 图4s f 6 断路器在线监测及故障诊断系统结构示意图 第一节上位机、从机单片机的选型 l 、上位机的选型； 本系统采用变电站的综自系统的上位机进行与各从机的通信，以及数据的处理。 上位机选择目前主流的工业控制p c 机即可。系统平台采用w i n d o w s 简体中文操作系统， 显示采用商用图形软件。p c 机配r s 4 8 5 网卡。 数据库采用商用数据库管理系统：采用目前效率最高、具有c 1 i e n t s e r v e r 模式、支持 s q l 访问的关系型数据库8 y b a s e 。采用该数据库的目的是进行数据库建模、历史数据存储、 告警信息的登录、设备信息的存储等。在系统中，断路器在线监测单元的从机需用单片机进 行数据的处理和上传， 2 、从机单片机的选型。 从机的监测功能主要由单片机系统完成。8 0 c 1 9 6 是i n t e l 公司目前推出的9 6 系列第三 代增强型单片机，其指令系统和8 0 9 6 8 0 9 8 兼容，硬件结构保留了8 0 9 6 8 0 9 8 的功能外，还 增加了许多内部i o 和其它功能。晶振频率达1 6 h h z ，工作速度相当于8 0 9 8 的两倍。8 0 c 1 9 6 同样具备了片内1 6 位数据总线和片外8 位数据总线的功能。在计算机的集散控制系统应用 s f 5 断路嚣状态检修技术研究 l o 中，较前两种机型更容易实现系统的各项技术指标。据此，本系统的在线监测单元采用 8 0 c 1 9 6 单片机。 第二节上位机与各从机的通信方案的设计 因为系统采用轮询的方式与各从机通信，所以面i 临一个通信排队的问题，即按什么次序 进行轮询。同时，我们还要根据变电站的运行情况，决定断路器轮询次数的问题，哪些断路 器需要多轮询，哪些断路器可以少轮询。 这里我们可以按照谁跳闸次数的多少，来决定轮询的先后和次数。假定对一个2 2 0 k v 变电站进行分析，假设高压侧2 2 0 k v 共有5 台s f 6 断路器，中压侧l l o k v 共有1 0 台s f 6 断 路器，低压侧l o k v 除主变出口断路器外，还有到l o k v 站用变和电容器、电抗器的真空断路 器。各电压等级断路器通常的故障跳闸次数规律是1 l o k v 的线路断路器较2 2 0 k v 进线断路器 跳闸更为频繁；而2 2 0 k v 的进线断路器又较l o k v 站用变和电容器、电抗器的断路器跳闸更 为频繁；电容器、电抗器的断路器又较主变三侧出口的断路器和各电压等级的分段断路器跳 1 1 4 业为频繁。所以我们可以按照这个规律，对该变电站的各断路器跳闸的频繁次序进行大致 排列如r ： 1l o k v 的线路断路器： 2 2 0 k v 的进线断路器； l o k v 站用变和电容器、电抗器断路器； 主变三侧山口断路器和各电压等级的分段断路器。 这样我们对系统的轮询作如下设定，在一个全站断路器的一个轮询周期中，对1 l o k v 的线路断路器轮询两次，即2 等分一个轮询周期时，在第一个时间段的开始和第二个时间段 的开始各轮询一次。在2 2 0 k v 进线和l o k v 站用变等断路器只轮询一次。而主变出口断路器 两个周期轮询一次。当然我们也可以按照设备的重要性划分，即2 2 0 k v 的设备较1 l o k v 设各 重要，1 l o k v 设备又较l o k v 设备重要。这样就可以得到下面的轮询频繁次序：2 2 0 k v 断路器 优先于1 l o k v 断路器，而1 l o k v 断路器又优先于l o k v 断路器。 第三节 s f 6 断路器在线监测单元的方案设计 本系统在线监测单元的程序框架设计如下： s f 5 断路器扶巷检修技术研究 图9从机程序框架图 根据程序框架，画程序流程图如下 图1 0从机程序流程 在f 面的论述中，主要以1 l o k vs f 6 断路器为主要研究对象，进行在线监测单元的设 ，其一l i 包括触头寿命的在线监测、机械状态的在线监测、s f 6 气体含水量、s f 6 气体密度 | r | j ：线临测方案的设计。图1 l 所示为s f 6 断路器在线监测单元的构成原理。 a - h 】i 所示的系统中，采用分压网络的作用是考虑是：将测量插件前端传感器采集到 怕改备参数信息变成电压量。同时因为隔离放大器的输入电压很底，以 i p 公司生产的h p 7 8 0 0 为例，输入电压为直流o - 2 0 0 m v ，所以要经过电阻分压网络的分压，以满足隔离放大器的电 压输入范围。 隔离放大器的输出再经过运算放大器，实现与模数变换插件v f c 的隔离。 因为一个v f c 元件一次只能对一个模拟量进行转换，所以要设置多路开关进行选择。 s f 6 断路器状态检修技表研究 2 图1 1 断路器在线监测单元与传感器的连接示意图 第四节s f 6 断路器在线监测单元硬件的设计 本系统的在线监测单元采用就地的形式，即在每台断路器的端子箱旁安装一台本系统的 在线监测数据采集箱，尺寸以满足各插件安装为准。 面板采用整体形式，配置为8 块插件，从左至右依次为：交流插件( a c ) 、模数变换插 件( v f o 两块、模拟量处理插件( c p u l ) 、湿度测量插件( f i l j k l ) 、气压测量插件( p r e ) 、 直流测量插件( d c ) 、开入插件( d i ) 、电源插件( p o w e r ) 。 s f 6 断路器捩惑检修技术研究 表2 插件布置情况 序号 l23456789 插件交流模数模数中央湿度气压直流开入电源 名称插仆变换变换处理测量测量测量 插件插件 插件插件插件插件插件插件 缩写 f i e v f cv f cc p u删mp r ed cd i p o w e r 1 、交流插件( a c ) ； 对应断路器通过的三相交流电流，本插件有三路交流输入，对三相交流电流进行测量。 2 、模数变换插件( v f c ) ； v f c 为电压频率变换器，将电压的模拟输入量变换成脉冲频率量，并随输入模拟量 幅值大小变化而变化，并经光耦光电隔离后送至在线监测c p u 系统中的计数器计数，以实 现模数变换，并向上位机上传。 j 4 1 0 v c ( v ) 图1 2v f c 芯片电压频率特性 以v f c l l 0 芯片为例，有1 2 路电路结构完全相同的电压频率变换器，分别将8 路电压 和4 路电流变换成脉冲量。在本系统中，为提高运行可靠性，采用两块v f c 插件。 3 、i | j 央处理插什( c p u ) ； ， | 央处理艄什是一个单片机c p u 系统，对采集到的数据进行处理和上传。 1 、泓艘测齄插件( i t u m ) ： 小捕仆改有两路直流输入，通过插件内部的含水量监测电路，监测s f 6 气体含水量。 5 、气胝测姑插件( p r e ，印制板) 奎插什殴仃两路直流输入，通过插件内部的气压监测电路，监测s f 6 气体含水量。 6 、直流测量插件( d e ，印制板) ； 本插件有4 路直流输入，分别对分、合闸线圈中通过的电流，以及辅助开关、直线位 移传感器通过的直流量进行监测。 7 、开入插件( d i ) ： 可输入1 6 路开关量和8 路脉冲量。 8 、电源插件( p o w e r ) 。 本插件为直流逆变电源插件取直流2 2 0 电压输入经抗干扰滤波回路后，输出本装置 需要的三组直流电源：土5 v 、1 5 v 、2 4 v 。 5 v 、士1 5 v 用于d c 插件、 i u n 插件、p r e 插件、c p u 插件、v f c 插件、d i 插件。 + 2 4 v 用于开入的正电源。 s f 6 断路器状志检修技术研究 4 断路器的t 作位置可以通过辅助开关来反映，在本系统中，取一对常开辅助开关来表 示断路器的位置。 因为辅助开关的切换相对于单片机的速度来说是缓慢的，所以读进单片机前要经过一 个三态缓冲器。三态缓冲器因为有多个输入和输出口，以7 4 l s 2 4 4 为例，有8 个输入和8 个输山，所以能同时为多台断路器的位置变化时共用。缓冲器的输出接到单片机的总线上， 当某一台断路器的辅助开关闭合时，用来表示该辅助开关位置的二进制数a l 变为低电平， 否则为高电平。同时因为辅助开关处于强磁场中，电磁干扰严重，可能会干扰与辅助开关相 连的单片机，干扰程序的正常运行，造成“飞车”的软故障，甚至会损坏c p u ，所以要采取 必要的隔离措施，本系统采用高压光电隔离。 第五节s f 6 断路器在线监测单元功能的设计 1 、触头寿命的在线监测单元的功能设计； 对于s f 6 断路器而言，影响电寿命的主要因素是电磨损，包括触头、灭弧室和灭弧介 质三个部分。其中起决定作用的是触头的电磨损，触头的电磨损又取决于电弧能量，所以 以开断电流的人小次数作为寿命诊断的间接判据。 触头寿命的在线监测是在s f 6 断路器端子箱内的c t 二次绕组引出线( 继电保护绕组或 计量绕组) 上套装穿芯式电流传感器以获取断路器开断电流值，并向从机上传。从机对数据 进行处理，向上位机上传，上位机根据断路器每一次的开断电流情况进行记录，并作出趋 势分析和是否检修的诊断。 2 、 机械状态的在线监测单元的功能设计： 断路器机械特性的在线监测，针对的是断路器的行程一时间曲线、分、合闸线圈电流、 振动波形。断路器的分、合闸线圈电流信号取自套装于分、合闸线圈回路的霍尔元件。振动 波形取至断路器本体，将断路器正常时的振动波形，与运行时断路器的操作情况进行比较， 就可以得出断路器分、合闸时振动是否正常的判断。断路器动作有故障时，例如机构出现裂 纹、卡涩等问题，其振动的固有频率就会与断路器正常动作时有所区别。此外，分、合闸过 程中，动触头撞击的力度改变也会影响振动信号的幅度。并且因为振动传感器安装位置不同， 记录r 振动波形也不同。所以监测装置在投运前，应以五次断路器正常条件下的合、分操作 所录f i q 波彤米提取该断路器机械状态的各种“指纹”波。装置应对运行中后续操作所录的波 j b ，“指纹”波比较作出初步判断，并给出“正常、异常、故障”三类状态指示，进而可按 川心f i j 功能键观察“异常”或“故障”的大致说明，如“分( 合) 闸线圈波形变异”、“分( 合) 过样振动灶度变异”、“分( 合) 闸过程振动事件变异”等，以利于工程技术人员据波形分 w i 彳1 + 山更具体的诊断结论。开关量的动作信号取自与断路器有机械连动的辅助开关。 s f 6 嘶路器救卷检修技术研究 菡麟 振动被彤 确助开关 开断电汽 一一 i j l 。，l w ”“r 一 一t t 一 、。i 。h 图1 3 断路器分闸动作波形 在图1 3 所示断路器的分闸过程中，断路器振动的波型、分闸线圈动作的波形、辅助开 关的动作波形，并在同一时间坐标轴上进行显示。其中t 1 为固有分闸时间，t 2 为熄弧时 间，t 3 为开断时间，t 4 为操动机构特征分闸时间，在断路器操作正常时，t 1 、t 4 均不会发 生很人的变化。以上时间参数如果发生很大的变化，就是断路器故障的征兆。 当断路器分、合闸时，分、合闸线圈启动从机开始采样，同步记录振动信号、分、合闸 线圈的电流信号、开关量波型信号，并向上位机上传。上位机对路器每一次的动作情况进行 记录，并作出趋势分析和是否检修的诊断。 3 、s f 6 气体含水量、气体密度的在线监测单元的功能设计。 s f 6 气体含水量在线监测单元的功能设计； s f 6 气体中水分含量在2 0 时，新设备按照电力设备交接试验标准的规定，与灭弧 室相通的气室不大干1 5 0hl l ；运行设备按照电力设备预防性试验规程的规定，与灭 弧室相通的气室不大丁_ - 3 0 0ul la 近来的些研究发现，s f 6 气体的水分含量随着环境温度 的升高而上升，但具体的允许范围没有标准规定，所以当检测时的温度与标准温度相差太远 时，检测结果往往不具备可比性。些s f 6 断路器的生产厂家，给出了s f 6 气体水分含量随 温度变化的经验曲线，使不同温度下的检测结果具有可比性。 s f 6 蘸路器状态捡谬技求研究 ， ， | 3 0 0 p p m 。 一( 2 0 。c ) | ， y 尸 ( 2 0 ) 图1 4s f 6 气体水分含量随温度变化的曲线 交接试验时s f 6 气体允许含水量随温度变化曲线 预试时s f 6 气体允许含水量随温度变化曲线 ( ) 测量插件的数据传递到从机c p u 系统，从机c p i j 系统对数据进行处理，并向上位机上传。 上位机对断路器s f 6 气体的含水量进行判断，并作出趋势分析和是否检修的诊断。 s f 6 气体密度的在线监测单元的功能设计。 压力、温度变送器将s f 6 气体压力和温度信号，传递至从机的c p u 系统。在进行数字运 算并进行温度补偿后，得到在线的s f 6 气体密度值，并向上位机上传。同样上位机对断路器 s f 6 气体的密度值进行判断，并作出趋势分析和是否检修的诊断。 第六节s f 6 断路器在线监测单元中断方案的设计 l 、谯奉系统中，采用上位杌轮询的方式与各在线监测单元的从机进行通信，却对变电 站的彩仃从机按定次序进行数据上传。当轮询到某一台从机时，则该从机要立即暂停c p u 系统【i m 运 j ：的实现在线监测功能的所有程序，转而向上位机上传数据。 2 、突发事件的通信中断问题； 往上何机按照一定次序对各从机进行轮询的过程中，如果某一台断路器的运行参数超过 额定值时，中请中断轮询，转而由对该台断路器进行在线监测的从机向上位机上传数据。 3 、在线监测单元内部中断的问题。 当在线监测单元在对断路器进行在线监测时，其内部的单片机c p u 系统对传感器上传 的、反映断路器触头寿命、机械动作、s f 6 含水量、s f 6 气体密度的数据处理，也是按照一 定顺序进行的。这里我们也会遇到一个中断优先级排队的问题，即监测单元绝大多数时间处 理的是s f 6 含水量、s f 6 气体密度的数据，而当断路器故障跳闸后，才中断上述处理，转而 进行触头寿命和机械动作数据的处理。当处理完后，又恢复到对s f 6 气体含水量、s f 6 气体 密度的数据处理。 本系统的方案设计基本恩想是把采集到的三相c t 交流电流量、分、合 回线圈直流电流 量、辅助开关量、在线监测单元与上位机通信、s f 6 气体含水萤、s f 6 气体密度共8 个数据 s f 6 断路嚣状杰捡修技术研究 7 对象的处理程序模块分别设置8 个中断，中断的优先级次序是从前到后。当断路器跳闸时中 断优先权最高的触头诊断程序模块先取得c p u 系统的数据处理权，先进行三相开断电流量的 处理，然后才是s f 6 气体密度、温度的处理。同时当断路器处于静止状态时，在线监测单元 与上位机的通信中断又优先于s f 6 气体含水量、s f 6 气体密度。这样如果没有其它的中断申 请，c p u 系统就一直处理s f 6 密度和温度传感器的数据。当然正是因为断路器绝大多数时间 是静止状态，所以绝大多数时间是在进行s f 6 气体密度和含水量监测的工作。 第七节s f 6 断路器故障诊断单元的方案设计 s f 6 断路器故障诊断的功能在上位机实现，所以在上位机中就包括了各诊断的软件模 块：触头寿命的诊断模块、机械状态的诊断模块、s f 6 气体含水量、s f 6 气体密度的诊断模 块等。程序的框架如f ： 图1 5上位机程序框架 根据程序框架，画程序流程图如下 图1 6 上位机程序流程 s 确壤路器状奄检修技隶研充 当各断路器在线监测单元将实时监测的数据上传至上位机后，上位机内的故障诊断系统 就根据数据进行诊断。诊断的结果在上位机显示的同时，还供变电站综合自动化系统查询。 第八节s f 6 断路器故障诊断单元触头寿命诊断模块的设计 i 、建立触头寿命诊断的数学模型： s f 6 断路器电寿命诊断根据在线监测到的开断电流的加权累计来计算触头磨损量，并 将触头累计磨损量作为s f 6 断路器电寿命的依据。我们设定新s f 6 断路器，其触头寿命为 1 0 0 ，额定开断电流i e 下可以开断n 次，即额定开断次数为n 次，则每次开断的电流i k 若等于额定开断电流i e 时，则其相对磨损为i n 。根据不同s f 6 断路器的等效磨损曲线n - i ， 可求出不同开断电流对应的开断次数n i ，对应的单次开断相对电磨损量为l n i ，定义为q i ， 累计相对电磨损为q m 。 试验得出的s f 6 断路器相对电磨损公式如下： q i ：i 5 9 2 n ( 0 3 5 i e i k ) 。 0 1 5 i e i k = o 3 5 i e q i = i 3 2 4 7 n ( 0 5 l e i k ) ” i k 0 3 5 i e 式中o 、p 均为试验统计系数。 同时，一些s f 6 断路器生产厂也给出了允许开断次数和开断电流之间的关系式，便于工 程计算。 f a 系列s f 6 断路器允许开断次数与开断电流的函数关系式如下： n i = ( 2 2 3 5 i k ) 1 ”i k l l k a 时 n i = ( 4 9 5 i k ) 3 。“i k 1 i k a 时 按照函数关系算得开断电流4 0 k a 时，允许开断次数为2 0 6 5 8 次，计为2 0 次。开断电流 2 0 k a 时，允许开断次数为7 0 次。因为不是断路器每一次开断都是满容量开断，所以n i 不 是恒定的值。 根据各型s f 6 断路器额定开断电流的允许开断次数，得出各种百分数下的允许开断次 数。 表3s f 6 断路器满容量百分数下的允许开断 次数和相对磨损次数一览表 i x i 。 1 0 0 7 5 6 0 5 0 4 0 3 5 2 5 1 0 3 s s f 6 断路器允 n1 6 5 n2 4 5 n3 3 n5 n6 3 n1 1 4 n1 9 9 n4 7 7 n 许开断次数 相对磨损址i n 1 1 6 5 n i 2 4 5 nf 1 3 3 n1 5 1 4i 6 3 n1 1 1 4 n1 1 9 9 n1 4 7 7 n l w 6 允许j i ：l 勾i 次数 h 1 4 2 3 13 4 3 4 7 2 7 08 8 51 6 02 7 8 56 6 8 0 1 w 2 5 允确：_ 1 ：断 次数相 2 03 34 96 6i 0 01 2 62 2 83 9 8 0 9 5 4 0 i w 3 6 允许开断 次数相 1 52 53 6 85 07 59 51 7 12 9 8 57 1 5 5 阿尔斯通( a l s t o m ) 提供的5 0 0 k vg l 一3 1 7s f 6 断路器开断次数与开断电流的函数关系 式如下： n 1 2 = 1 6 0 0 0 k a 2 下图所示为开断电流和允许开断次数的函数关系。 s f 6 断路器杖态捡修鼓术研宠 1 9 i ( k a ) 3 0 l 。 02 03 04 05 01 0 0 5 0 0 ( 次) 图1 7 乱一3 1 7s f 6 断路器额定开断次数与短路电流之间的关系曲线 2 、触头寿命在线监测及诊断单元单片机的程序设计。 该程序设计包括触头的磨损量计算程序模块、触头累计磨损量计算程序模块、磨损量超 上限值中断通信模块。 下面以f a 系列s f 6 断路器为对象进行触头的磨损量计算程序模块设计。 n i = ( 2 2 3 5 i k ) 1 ”i k 1 l k a 时 n i = ( 4 9 5 i k ) 3 ”i k 1 l k a 时 计算方法一： 为简化编程计算，可以将ik _ i ”和i k 3 ”的指数计算转化为近似的乘除运算： t k l l k a 时，分别将断路器开断电流的大小所对应的允许开断次