（电机与电器专业论文）真空断路器状态监测与知识管理系统设计.pdf

真空断路器状态监测与知识管理系统设计 t h ed e s i g no fc o n d i t i o n b a s e dm o n i t o r i n ga n dk n o w l e d g em a n a g e m e n t s y s t e mo nv a c u u m c i r c u i tb r e a k e r a b s t r a c t b a s e do nt h em a i n t e n a n c es y s t e mo fe l e c t r i cp o w e rd e v i c e s ，t h i sp a p e r , w h i c ht a k e st h e v a c u u l y lc i r c u i tb r e a k e ra sa l le x a m p l e ，d i s c u s s e st h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gc o n d i t i o n - b a s e d m o n i t o d n g n ev a g u n n lb r e a k e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c e si nt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m s oi t sv e r yi m p o r t a n tt oe t l s u 糟t h ev a c u u n lc i r c u i tb r e a k e rc o u l dr u nr e l i a b l y t h e p r e s e n tm a i n t e n a n c es y s t e mh a sb e e nu n s u i t a b l ef o rt h et u r no ft h ee l e c t r i cp o w e rm a r k e t ，s o i t sn e c e s s a r yt oa p p l yo n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so nt h er e a l - t i m es t a t eo ft h e v a c n u n lc i r c u i tb r e a k e r , t op r o v i d er e f e r e n c ef o rt h em a i n t e n a n c eo f t h ep o w e r p l a n t n l cp a p e ri n t r o d u c e st h es i t u a t i o no f c u r r e n tr e s e a r c ho ne q u i p m e n ts t a t em o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i sa tf i r s t , a n dp r o b e si n t od e v e l o p m e n th c a d i n gi nf u t u r e ，t h e na n a l y s e st h ew a y t oa p p l yc o n d i t i o n b a s e dm o n i t o r i n g ，a n da d v a n c e sa na n a l y t i cp r o c e d u r ew h i c hi sb a s e do n t h ef m e c af a i l u r em e c h a n i s m c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a ls i t u a t i o no f 也eh u a n e n gp o w e r p l a n t ，as u i to fs y s t e mf o ro n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sa r ed e v e l o p e d ，w h i c hi sa p a r to f t h ec o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c eo f t h ep o w e rp l a n td e v i c e s n 坞s y s t e mw h i c ha d o p t sw i n d o w sn to p e r a t i o ns y s t e m c h o o s e sm i c r o s o f tv i s u a lc h 6 0 醐ad e v e l o pi m p l e m e n t a n dh a sd e v e l o p e daw i n d o w se n v i r o n m e n tg r a p h i c ms y s t e m i n t e r f a c ep l e a s i n gt ot h ee y e r u n n i n gs p e e da n dc o m p a t i b i l i t y t h es y s t e mh a sd e s i g n e dt h r e e s c r e e ni n t e r f a c e s w h i c ha r ee x c h a n g e d b y m e n uo rt o o ls h o w ni nc o l u m ni c o n i n s t r u m e n t a t i o n s ，f 0 1 t i i sa n dc u l v e ss h o wd i f f e r e n tw a y so fm o n i t o r i n gd a t a , a n dv i s u a l i m a g e st or e f l e c tt h ec u r r e n ts t a t u so f c i r c u i tb r e a k e r s ，c o n d u c i v et ot h em a n a g e m e n to f v i e w n l es y s t e m w h i c hs e l e c t st h ea d od a t ab a s ei n t e r f a c ew a y , h a sb u i l ta c c e s s - b a s e d d a t a b a s ei ns e r v e r , a n dh a sr e a l i z e dt h ea u t o m a t i cs t o r a g ea n di n q u i r yf o rm o n i t o r i n g i n f o r m a t i o n t oc h e c ka n du p k e e pf o re q u i p m e n tc o n v e n i e n t l yi nt h ef u t u r e ，a n dr e a l i z e s e l f - d i a g n o s t i ca n ds e l f - l e a r n i n gf u n c t i o n , b r i n gf o r w a r dt o c o n s t r u c tt h ek n o w l e d g e m a n a g e m e ms y s t e r no nt h eb a s i so f t h ed a t ab a s e w 1 1 e ns t o r i n gf u n d a m e n t a li n f o r r n a t i o na n d c o n d i t i o n - b a s e dd a t ao f t h eb r e a k e r s ，s u p p l ym o r ee x p e r i e n c ea c q u i r e df r o mf i e l de x p e r t sa n d s p e c i a lf i e l dp e r s o n st ot h ed a t a b a s e ，w h i c ho r g a n i z e db ya na p p r o p r i a t ew a yt h a tc o u l db e i d e n t i f i e db yt h ec o m p u t c r ，a n dt h i sw i l lb ea na c c u m u l a t i o nf o rr e a l i z i n gs e l f - d i a g n o s ea n d s e l f - s t u d yf u n c t i o n n l es y s t e mc o u l dp r o v i d es e r v i c e si nt h ee n t i r el i r eo ft h ed e v i c e w h i c hi n c l u d e st h e m a n a g e m e n to f f t m d a m e n t a i i n f o r m a t i o no f t h ed e v i c e s t h em o n i t o r i n go f t h eh e a l t hs i t u a t i o n - i i - 大连理工大学硕士学位论文 o ft h ee q u i p m c n t ，m a i m c n a n c ei nd i n eo nt h ed e v i c e s ，a n d i n t e l l i g e n c ed i a g n o s i s0 1 1 e q u i p m e n t a n da l s ot h es y s t e mh a sg o o do p e n i n g ，a d a p t a b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t y k e rw o r d s ：v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r ；c o n d i t i o n b a s e dm o n i t o r lf a u l td i a g n o s i s ： k n o w l e d g em a n a g e m e n t ；d a t ab a s e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：逝亟盈日期：兰旦：! ：兰 真空断路器状态监测与知识管理系统设计 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 鱼垦望 瑾笸缸 一7 - 年互月生日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题提出的行业背景 随着电力行业改革的深化，“厂网分开、竟价上网”的实施，使发电企业面临着严 峻的市场挑战。在保证发电设备的可用率、可靠性，经济性、可调性、可控性的条件下， 切实降低发电成本，己成为发电厂提高竞争力的重要手段。这促使发电厂的运营模式从 以安全、可靠为中心逐步转变为以安全、可靠、经济为中心。寻求有效的方法来降低发 电成本，尤其是检修成本，己成为发电厂当前工作的重要内容。现行的以预防性计划检 修为主的旧检修体制已越来越无法满足企业经营决策者的要求。因此，探索和实行旨在 挖掘设备潜力、降低检修成本的更科学、更加符合电力市场规律的设备管理和检修体制 势在必行f 1 - 2 。 改革开放二十余年来，随着一大批高参数、大容量、高自动化机组的先后建成，电 力体制改革的深入以及与市场经济的接轨，迫切要求火电企业改变其原有的“计划检修” 设备管理模式，而现代计算机技术和设备诊断、监测技术的发展又为设备管理模式的转 变提供了契机p j 。 设备是生产的物质基础。随着现代工业生产与科学技术的迅猛发展，工程技术设备 越来越复杂，自动化水平越来越高，组成的系统也越来越庞大。由于许许多多无法避免 因素的影响，有时设备会出现故障，导致性能降低或失去其预定的功能，而这些设备一 旦发生故障，不但设备遭受极大破坏，可能带来巨大的经济损失，甚至给人们的生命造 成极大威胁。因此，为了防止设备出现故障，使其在整个生命周期内始终保持良好的状 态，必须不断地对其加以维护1 4 j 。 断路器，是开关电器中最为关键的一种电气设备，是作为绝缘和灭弧的装置，是发 电厂和变电所配电装置中必不可少的设备。正常运行时，用来进行倒换运行方式，把设 各或线路接入电路或退出运行，起着控制作用。当设备和线路发生故障时能快速切除， 保证无故障部分正常运行，起着保护作用。断路器在电力系统中肩负着控制和保护双重 任务，其状态的好坏直接影响着电力系统的安全运行【5 】。 电力系统中，断路器数量多、检修量大、费用高。有关统计表明，变电站维修费用 的一半以上是用在断路器上，而其中6 0 又是用在断路器的小修和例行检修上。据统计， 1 0 的断路器故障是由于不正确的检修所致，断路器的大修完全解体，既浪费时间，费 用又很高，而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。在目前相对保守的计划检修中， 检修缺乏一定的针对性【5 - 6 。因此，了解断路器的工作状态、缺陷的部位，减少过早或 真空断路器状态监测与知识管理系统设计 不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显 著提高电力系统可靠性和经济性。 作为电力输配电系统中应用最为广泛的开关电器设备，断路器经历了一个不断发展 的过程，从空气断路器，少油断路器到s f 6 断路器和真空断路器。真空断路器以其使用 寿命长、可频繁开断，无爆炸等优点，在电力系统中得到广泛的应用。再加上无火灾、 无污染、绝缘强度高、灭弧能力强、体积小、重量轻、使用维护方便等原因，多年来真 空断路器在中压开关领域保持领先地位。据统计在1 0 k v 、3 5 k v 配电系统中，国外真空 断路器的占有率已从1 9 8 0 年的1 9 增加到1 9 9 3 年的6 5 。国内真空断路器的占有率也 在逐年提高，1 9 9 8 年已达6 0 - , 7 0 t ”础。 近年来，真空开关发现缺陷和发生事故的次数有所增多，比例虽低但问题较突出， 主要表现为真空泡慢性漏气、机构卡阻等方面，这就要求切实加强真空开关在选型、安 装、运行、检修等方面的全过程质量管理工作。为了电网的安全、可靠、经济运行，迫 切需要对真空断路器进行适时的状态监测和故障诊断，努力掌握其工作状态，适量进行 以机构和真空度为主的状态检修，不断满足现代电网的发展要求 9 - 1 0 l 。 1 2 电力设备状态监测与诊断技术发展概述 电力设备是电力企业主要的生产手段，是现代化生产的物质基础。电力设备检修管 理的好坏，对设备的健康状况及运行性能影响非常大，直接影响电力安全经济运行水平。 由于电力设备比较复杂，目前的技术水平还无法使设备无检修安全运行，因此，在设备 运行过程中，必要的维护和检修工作是维持简单再生产的必要手段。如何搞好设备的检 修工作成为人们长期以来研究的课题【l ”。 电力设备的检修体制大致经历了事后检修、定期预防性检修，状态检修等方式，目 前我国电力企业对设备所采取的检修方式绝大多数是事后检修和预防性计划检修相结 合的方式。 事后检修是当电力设备发生故障，无法继续运行时才进行的检修，此时相关电力设 备已经发生故障，因此这种方式对于电力企业和社会来讲，都是极为不经济的。事后检 修只能应用于对电力生产影响极小的非重点设备、有冗余配置的设备或不适合采用其他 的检修方式的设备【l ”。 定期预防性检修即计划检修，是以时间为依据，预先设定检修工作内容与周期的检 修方式。目前，大多数发电厂均按照原电力工业部颁布的发电厂检修规程执行计划 性检修，用以指导检修安排。 随着电力系统供配电设计向高电压、大容量、多系统互联方向发展，加上经济发展 大连理工大学硕士学位论文 使得用户对电能质量的要求更加苛刻。定期检修制度存在的问题日益暴露出来：淡化 电力企业生产技术管理责任，不利于开拓进取。在此检修制度下，往往会导致如下的 现象：一是电力设备的检修项目抓不住重点，分不清主次，不是检修过剩就是检修不足； 二是由于不同系统的电力设备，其检修的间隔周期可能差别很大，而要准确界定各种设 备的检修周期是很困难的，出现有缺陷要检修，没有缺陷也要检修的现象；三是由于过 多过频繁的设备检修和解体重装，影响了设备的正常使用寿命。由于针对性不强，盲 目检修过多，降低了设备利用率，浪费了大量的人力，还增加了大量检修费用的无效支 出，很大程度上影响了企业的整体经济效益。造成电力设备检修质量下降。部分设备 尤其是负荷率高、服役周期长的重要设备往往很容易在两次检修的间隔期限内发生故 障，从而影响整个系统的正常运行【l a 。 设备状态检修是从定期预防性检修方式基础上发展而来的更适合现代电力行业实 际情况的设备检修体制。设备状态检修是以设备当前的实际工作状况为依据，通过高科 技状态监测手段，对设备进行纵向( 历史和现状) 、横向( 同类设备的运行状况) 的比 较分析，来识别故障的早期征兆，对故障部位严重程度及发展趋势做出判断，从而确定 其最佳检修时机。从技术角度而言，状态检修技术可以包含可靠性为中心的维修技术和 预测性为中心的检修策略( 简称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 ) 【l ”。 状态检修的技术基础是设备状态的监测，根据对被监测电力设备的日常巡检，定期 对设备重点检修。设备的离线、在线状态监测所获取的各种状态信息结合，建立设备的 健康状况数据库，对故障的早期征兆进行识别和判断，对故障部位、故障程度和发展趋 势做出诊断，根据诊断结果，依据设备的重要度采取不同的检修策略，并合理安排检修 时间和检修项目，使设备状态“可控、在控”，保证发电设备安全经济运行。其特点是： 能够建立某些反映设备健康状态的监视参数；有明确规定的相关参数的阀值或概念 明确、清晰的判断标准，据此来判断被监测的电力设备健康状况；状态检修可以减少 设备的损坏程度，减少维修费用，可以缩短大、小修时间。状态检修的所有工作都是围 绕被监测的设备进行的【l “】。 发电设备实施状态检修，其对象并不是所有设备。有些设备根本不需要进行状态检 修，有些设备的状态用现有技术还无法及时监测和诊断。应根据设备的重要性、故障类 型、可诊断性以及对可靠性的要求，并通过技术经济比较来选择合理的检修方式，逐步 在现有的基础上加大状态检修的比例。 真空断路器是电力系统中的重要设备，起着控制和保护的作用，它的好坏直接关系 到电力系统能否安全、可靠运行，所以，有必要对真空断路器进行以机构和真空度为主 的状态检修，实时掌握其工作状态，满足现代电网安全、可靠、经济运行的要求。 真空断路器状态监测与知识管理系统设计 美国、日本及前苏联等国早在2 0 世纪五六十年代就开展了电力开关设备在线监测 的研究工作，开始由定期检修向状态检修转变。我国自8 0 年代以来，在变电站高压设 备在线监测、故障智能诊断方面也进行了大量的研究工作，取得了很多成果，逐步积累 了一些经验，为开展状态检修打下了良好的基础。 1 3 电力设备状态监测与诊断的发展方向 随着传感技术与计算机技术的发展，电力设备的状态监测与诊断方法向着自动化、 智能化的方向发展。电力设备的状态监测涉及面广，大量的非电参量( 热学、力学、化 学参量等) 需要各种相应的传感器，传感技术的发展为此提供了可能。随着使用传感元 件的出现，装备各种传感器的具有状态监测功能的新型电力设备是构成自动化的电力系 统的基础。微电子技术与计算机技术的发展，为传感器信号的记录、处理与判断提供了 有力的工具，此外还可以执行必要的控制操作，为电力系统的智能化控制提供了可能【”】。 状态监测发展的方向是能够对运行状态下的电力设备直接进行检测，即在线检测， 检测要求既不影响系统正常的运行，又能直接反映运行中的设备状态，比停止运行时进 行的离线检测更为有效、及时和可靠。 在线检测的主要困难在于不能影响设备的运行状态。电力设备是在电力系统中运行 的，通常工作于额定电压，检测系统必须与高电压工作部位可靠隔离。电力设备一般是 封闭式结构，如变压器和开关，内部是充油或其他绝缘介质的，内部状态的检测，应有 相应的内部传感器，或通知外部状态检测进行判断。 人才是企业生存和发展的根本。随着现代科技在发电厂的应用，计算机监控已能代 替人来完成大部分设备的运行监视，但这些技术都需要人去控制、去操作。而状态检修 作为未来我国电力系统检修方式的发展方向更需要一专多能型技术人才，因此人才的培 养已成为急待解决的首要任务。 状态检修与纯计划性检修对人员素质要求的最大不同点在于纯计划性检修要求技 术人员熟练掌握一个专业面的知识就可，而状态检修则要求各单位、各级技术部门都要 有全面的专业知识、独立的判断能力、很强的事故处理能力，即需要一专多能型技术人 才，在设备运行、设备故障处理和设备检修过程中均能够把经济损失降低到最低点，以 确保设备利用率和整体效益的高起点【l “。 改革传统的计划检修体制，实施诊断性的状态检修制度，有利于保证安全生产、降 低检修费用、提高设备利用率和企业经济效益，是设备检修的发展方向。如何傲到防患 于未然，正确把握设备健康状况是状态检修成功与否的关键。过去通过计划检修，可以 及时发现设备隐患并及时处理，设备安全才得以保证。如果现在普遍实行状态检修，以 大连理工大学硕士学位论文 现有技术条件和管理体制，还有许多工作需要努力。为此，在改革检修管理体制方面建 议如下： ( 1 ) 取消指令性的计划检修，改为指导性的计划检修，将预防检修、状态检修和事 故后检修有机结合，逐步过渡到以状态检修为主的主动检修模式。 ( 2 ) 成立专业化的检修公司，实现集中检修进而实施终生检修承包制，改变现在以 设备检修规模的次数定效益的弊端，创造设备运行和检修的最佳经济效益。 ( 3 ) 不断实施、完善和推广各种状态监测手段，在全面监测各设备的同时，对异动 设备实行重点跟踪监测和分析，为状态检修提供可靠的技术依据。 ( 4 ) 充分发挥电厂分厂、车间、班组三级质量验收体系，对每台设备建立一套完整 的健康履历，了解分析设备现状、跟踪分析设备现状、跟踪细小缺陷的发展方向，对设 备状况做到了如指掌，只有这样才能把握设备健康的命脉。 状态检修作为我国电力系统实现体制转变，提高电力设备的科学管理水平的有力措 施，是电厂今后在电力生产中急需努力和发展的方向，尽管电厂要全面实施状态检修还 需做大量的工作，但相信在不久的将来，电厂有能力在状态检修方面走出自己的特色， 走出中国的模式。 1 4 本文研究的主要内容 本文针对真空断路器的故障机理，结合电厂的检修现状，分析了对断路器实行状态 监测和故障诊断的必要性，构建了一个基于知识的客户朋段务器模式的断路器故障诊断专 家系统，并且在此基础上，分析了基于专家系统的知识库管理应用技术。具体结构安排 如下； 第一章，重点介绍本文课题研究的行业背景，设备状态监测和诊断的现状及发展方 向，并简要描述本文的主要内容及所做的研究工作。 第二章，真空断路器状态监测与诊断的基础。对真空断路器的特点和基本结构作了 必要的描述，接着就目前真空断路器的状态监测情况分别对监测点做了详细的研究。 第三章，真空断路器的故障机理分析。提出基于f m e c a 的故障机理分析方法，并 对真空断路器进行了详细的f m e c a 分析，为实现故障诊断分析打下了良好的基础。 第四章，具体的真空断路器状态监测与诊断系统的架构设计，先从电厂总体角度出 发，设计了总体的架构，然后针对真空断路器，做了具体的流程设计实现，并将各模块 的功能和实现方法细化，通过流程图详细地展现了各模块的具体实现方法。， 第五章，知识管理系统的设计。先从知识管理的概念出发，将抽象的概念实例化， 然后数据库的具体设计，到知识库的构建，推理机及专家诊断系统的提出，使故障诊断 一5 一 真空断路器状态监测与知识管理系统设计 变得更快捷方便。 第六章，结论与展望。总结全文工作，并展望未来的研究工作。 大连理工大学硕士学位论文 2 真空断路器状态监测与诊断基础 真空断路器的状态监测是通过各种信号测量、检测、处理和分析方法，结合系统运 行的历史和现状，对断路器的运行状况进行评估，并且对当前状态进行显示、记录和趋 势分析，对异常情况进行及时处理，并为被监测设备的运行状况分析、设备性能评估提 供基础事实数据。 真空断路器故障诊断的任务则是要根据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，结合断路器的运行史( 包括运行记录和曾发生过的故障及维修 记录) ，确定断路器故障的性质、程度、类别和部位，明确故障征兆、原因和系统之间 的相互关系，并指明故障发展趋势。 2 1 真空断路器的基本介绍 利用真空介质来熄灭电弧的设想在1 9 世纪末就已提出，2 0 世纪2 0 年代制造出了最 早的真空灭弧室。但是由于受真空工艺、材料等水平的限制，当时并未实现实用化。2 0 世纪5 0 年代以后，随着电子工业发展起来的许多新技术，解决了真空灭弧室制造中的 很多难题，使真空开关逐渐达到实用水平。5 0 年代中期美国通用电气公司批量生产了 1 2 k v 额定开断电流为1 2 k a 的真空断路器。随后在5 0 年代末由于发展了具有横向磁场 触头的真空灭弧室，使额定开断电流提高到3 0k a 的水平。7 0 年代后，日本东芝电气公 司研制成功了具有纵向磁场触头的真空灭弧室，使额定开断电流又进一步提高到5 0 k a 以上。目前真空断路器易广泛应用于1 0 k v 、3 5 k v 配电系统中，额定开断电流已能做到 5 0k a 1 0 0k a 【8 1 。 我国自2 0 世纪6 0 年代开始真空开关的研究工作，7 0 年代初开始真空断路器的工业 生产，经过三十多年的努力，我国已进入真空断路器生产大国的行列，真空断路器技术 也达较高水平，但也有不少真空断路器厂生产设备落后，生产经验不足，产品质量波动 大。同发达国家的同类产品相比，断路器的可靠性有较大差距，突出表现为：国产真空 断路器在使用过程中，必须经常检查、调整、维修，尽管维修工作量大大降低，但同国 外发达国家的真空断路器相比，差距还比较大。由于真空断路器各组件的安装工艺水平 较低，突发性事故经常发生，给人身、设备及电网的运行带来极大危害。真空断路器的 性能可靠性直接关系到电力系统的可靠运行，在使用过程中需要经常检查、维护【9 】。 2 1 1 真空断路器的基本结构 真空断路器的基本结构主要由真空灭弧装置与操动机构两大部分组成。操动机构在 一7 一 真空断路器状态监测与知识管理系统设计 断路器分、合闸时，提供所需要的操作功，由于真空断路器的开距短、电弧能量小，与 开断参数相同的其它断路器相比，其操作功所需量远小于s f 6 断路器及油断路器。早期 真空断路器采用电磁机构，现在多数改用弹簧机构。就机构本身而言，除机械寿命次数 高外，与油断路器及s f 6 断路器的操动机构没有本质上的区别。真空断路器的结构特色， 主要是真空灭弧室，它与油断路器或s f 6 断路器相比，有本质上的差异。 真空断路器的触头置于真空灭弧室内，触头的开断与关合均在高真空度的环境中进 行。所以真空断路器的机构，实为真空灭弧室的结构。不论德国、英国、美国与日本， 各家制造厂生产的真空灭弧室都大致相似，但材料和触头结构方面却大不相同，且各有 专利，互相保密。真空灭弧室的基本结构如图2 1 所示，可分为以下几个主要部分【8 i 【17 1 ： 勒触簧 静触奂 _ 袁兰波! 囊管屏蔽罩外壳 图2 1 真空灭弧室结构 f i g ，2 1t h es t r u c t u r eo f t h ev a c u u me x p l o s i o nc h a m b e r ( 1 ) 外壳 外壳是为真空灭弧室造成一定真空度的机械承力空间，按制造材质分为玻璃、陶瓷 与金属壳( 将金属屏蔽罩外露于空气中，而在两端绝缘) 。我国以往使用玻璃外壳居多， 但陶瓷外壳的焙烘温度高，可实现一次排封封接工艺，易于实现机械化、自动化高效生 产，而且比玻璃外壳有更高的机械强度和真空度。8 0 年代开始，我国引进真空断路器制 造技术如：锦州七七七厂引进的美国西屋公司技术是采用陶瓷外壳。4 4 0 1 厂引进德国西 门子技术制造的真空灭弧室，亦为陶瓷外壳，呈“中”字型，陶瓷制成套管，焊接于两 个端路，而金属屏蔽罩外露，成为壳体的一部分，有人称之为金属外壳，采用两次排封 工艺。 为了使真空灭弧室具有足够的真空度，且在运行中保持真空度不变，因此，要求真 空灭弧室的外壳不漏气和内部零件不产气。为了保持高的真空度，不少真空灭弧室内装 大连理工大学硕士学位论文 有吸气剂以吸收真空灭弧室在储存和运行期间内部零件释放的气体。 ( 2 ) 触头 触头的结构和大小是影响断路器开断能力的重要因素。真空灭弧室的触头，一般采 用对接式，但对接式触头易产生触头弹跳现象，因此需要提高触头的初压力，以减少触 头的弹跳( 其弹跳时间不允许超过2 m s ) 。为了克服短路电流的电动斥力，触头还必须 具有足够大的终压力。常用触头材料有铜铋合金、铜铬合金、铜铋铝合金等，而触头表 面( 跑弧面) 则采用纯铜或铜铬。 触头的形式有圆盘式和磁吹式两种。触头的开距，1 0 k v 一般为1 0 1 6 m m ，3 5 k v 一般为2 4 - 4 0 m m 。 ( 3 ) 波纹管 波纹管是真空灭弧室重要的部件。利用波纹管的纵向可伸缩性，从真空灭弧室外部 用机械方法使内部的触头运动，而又不破坏外壳的气密性。真空断路器每合分一次，相 应的使波纹管产生一次机械变形，它是真空灭弧室中最易损坏的部件，其金属材料的疲 劳寿命，决定了真空灭弧室的机械寿命。真空灭弧室中常用的是壁厚为0 1 2 0 ，1 4 r a m 的 液压成型或机械滚压成型的波纹管。一般使用的材质为铬一镍一钛不锈钢。 ( 4 ) 屏蔽罩 屏蔽罩是包围在触头周围的金属圆筒，它的作用是吸收真空电弧产生的金属蒸气， 使其在罩壳上冷却并恢复到金属固体状态，熄弧后灭弧室的真空度得以恢复。屏蔽罩体 积愈大，开断过程中的温升变化愈小，冷凝金属蒸气的效率愈高，介质恢复过程愈好， 具体结构设计有中间封接式、瓷柱式、外屏蔽罩式和绝缘盖式等数种型式。 真空灭弧室的屏蔽罩通常是和动、静触头绝缘的，可防止真空电弧由触头表面转移 到屏蔽罩上，从而防止因电弧在屏蔽罩表面燃烧导致开断失败。屏蔽罩绝缘固定时，屏 蔽罩还有均压作用，可改善真空灭弧室的绝缘特性。 2 1 2 真空断路器的特点 真空断路器所采用的绝缘介质和灭弧介质是高真空( 真空度为1 0 4 p a 以上) ，具有 很强的绝缘强度，有利于熄灭电弧。 真空断路器与少油断路器或s f 6 断路器相比，由于灭弧原理独特，具有不同特点。 在全球范围内，德国西门子公司是真空断路器的主要生产厂之一，他们在介绍3 a f 型断 路器时，提出真空断路器有7 大优点：真空介质强度高；电弧开断时没有副产品产 生( 其他灭弧截至如油、s f 6 等受电弧分解后有二次生产物产生) 。介质不会老化： 不需要采用冷却电弧的技术措施；不需要控制灭弧介质流动的强制措施：电弧开断 一9 一 真空断路器状态监测与知识管理系统设计 后，介质强度恢复迅速；电弧能量小，使用寿命长 z t j 。 由于真空度断路器的独特优点，使其在中压领域的应用在欧洲和美国已占到7 0 ， 日本已接近1 0 0 ，俄罗斯已占5 0 以上，我国也占到8 0 以上。近2 0 年来，真空断路 器的理论研究水平和制造水平都有了长足的发展，真空断路器己不仅仅限于中压领域， 而是朝着高电压、大容量方向发展，特别是在人们对环境保护非常重视、s f 6 气体被确 认为温室效应气体而应用受到限制的大环境下，真空断路器更是得到了足够的重视和肯 定，将逐步取代s f 6 断路器。 真空灭弧室的真空度在1 3 3 1 0 2 p a - 1 3 3 1 0 5 p a 之间，在这样高的真空度下，气 体的密度很低，气体分子的平均自由路程很长，因此触头间隙的绝缘强度很高。真空断 路器开断电路时，灭弧室内碰撞游离不再是产生电弧的主要原因。真空电弧的击穿主要 是强场发射和热发射引起，维持电弧燃烧也不是气体分子，主要是来自触头电极蒸发的 金属蒸气。因此，触头的电极材料对真空电弧的性质起着决定作用。在交流电弧过零自 行熄灭后，只要弧隙介质强度大于弧隙的恢复电压，电弧就熄灭。由于弧柱外是真空状 态，使弧道中残余金属质点向周围迅速扩散，因而介质强度恢复很快，一般介质恢复时 间只有几微秒，对几千安以上的大电流恢复时间也只有几毫秒，所以真空灭弧时间很短， 灭弧能力很强，而且不会产生击穿重燃【8 】1 1 7 】。 真空断路器以其不爆炸、低噪声、体积小、可靠性高、检修周期长等特点。近年来 需求量急剧增长，在国外3 6 k v 及以下电压等级中占主导地位，1 2 k k v 及以下几乎全部 采用真空开关设备。我国自2 0 世纪6 0 年代开始真空开关的研究工作，7 0 年代开始真空 断路器的工业生产，经过三十多年的努力，我国已进入真空断路器生产大国的行列，真 空断路器技术也达较高水平，但也有不少真空断路器厂生产设备比较落后，生产经验不 足，产品质量波动大。为了电网的安全、可靠、经济运行，迫切需要对真空断路器进行 适时的状态监测和故障诊断，努力掌握其工作状态，适量进行以机构和真空度为主的状 态检修，不断满足现代电网的发展要求例。 2 2 真空断路器的状态监测 以往，真空开关状态监测大都在检修中进行，触头的磨损量通过动导杆上的标示检 查。近年来出现了根据断路器开断电流加权累计法进行触头电磨损在线监测，该方法忽 略了实际运行时三相开断电流大小、燃弧时间的差别，造成开断时故障相与非故障相磨 损量累计误差较大。该方法用于电磨损的在线监测的准确度还有待改进。 真空断路器同其它断路器一样，运行过程中会使性能劣化，如不及时发现和进行维 修，最终会导致故障的发生。所以，必须对断路器进行维护检修( 包括大修、小修和临 大连理工大学硕士学位论文 修) 。前面已经讨论过，对设备进行状态检修是一种科学的检修方式，但状态检修必须 以状态检测和故障诊断为基础。 真空断路器的状态监测，主要是通过监测断路器的机械、电气和真空度等有关数据， 判定真空断路器的各部分的工作状况和存在问题，以确定真空断路器运行的可靠性以及 应该采取的有效措施。根据真空断路器的工作原理和结构，对真空断路器的超行程监测 和灭弧室真空度的监测，构成了真空断路器有别于其他断路器的特点，以下将分别进行 讨论。 2 2 1 真空度的监测 真空度是表征真空断路器性能的最重要的参数，如果真空断路器的真空度不能满足 正常工作要求的数值，则这台断路器就不能承担正常的工作。根据试验，要满足真空灭 弧室的绝缘强度，真空度不能低于6 6x1 0 。p a ，工厂制造的新灭弧室要求达到7 5x 1 0 4 p a 以下，以此作为真空灭弧室可靠工作的保证，这也是对真空灭弧室的真空度进行 监测的依据【i s j 。 但是，由于真空灭弧室使用材料和制造质量方面的原因，真空灭弧室的真空度会降 低，亦即真空灭弧室的压强随着存放、运行的时间增加而增加( 即真空度降低) ，如图 2 ，2 所示。 辱 茕 幽 删 氟 馘 州 憾 图2 2 真空灭弧室压力变化曲线 f i g 2 2t h ec h a n g ec u r v eo f t h ep r e s s u r eo f t h ev a c u u me x p l o s i o nc h a m b e r 当真空压力在允许的最大值范围内，由慢性漏气引起的压力变化可近似为线性的变 化，如童线“a ”；而由零件放气引起的压力变化如曲线“b ”，零件的放气量是逐渐减 少的，最后趋于平衡状态而压力不再变化。实际的压强变化曲线应是上述两种原因的综 真空断路器状态监测与知识管理系统设计 合，即曲线“a + b ”。 真空灭弧室的真空度一旦降低到一定数值，将会影响它的开断能力和绝缘水平，因 此，对断路器要求具有一定的在线检测功能。目前，有关真空断路器灭弧室压力的在线 监测方法也不少，常见的有电容感应法、高压电场感应法、阻容感应法、工频耐压法及 耦合电容法等 1 9 - 2 2 1 。 真空开关作为我国电力行业日趋普及的高压电器，其内部的真空度直接影响着开断 性能，关系到电力系统运行的安全性，因此灭弧室的真空度检测是非常必要的。 2 2 2 机械寿命的测量 寿命长是真空断路器的显著特点，它的使用寿命是机械寿命与电寿命的综合。其机 械寿命是指断路器在空载或额定长期负荷轻载下的分合循环操作次数，着眼于机械动作 方面的能力，真空断路器机械寿命比较长，可达1 0 0 0 0 次以上。 真空断路器的机械寿命主要取决于真空管的不锈钢波纹管的寿命。波纹管用非导磁 不锈钢制造，非导磁不锈钢在制造过程中具有不因受热处理的影响而失去弹性，不易氧 化和耐腐蚀性强等优点。真空断路器机械寿命终了一般来说，就是开关管不锈钢波纹管 破裂了。此时开关管内星大气状态，动电极由于失去大气压力而能自由晃动，屏蔽筒等 也可能因大气中水汽的作用改变颜色。真空断路器的机械寿命除了决定于开关管本身的 质量外，下列因素的存在都有可能导致机械寿命的降低1 5 l f l 8 】。 ( i ) 真空开关管存放和使用环境中有酸等化学腐蚀性气体污染，工作条件的受热、 温度过高； ( 2 ) 真空断路器因使用或调整不当，使不锈钢波纹管产生了塑性变形； ( 3 ) 真空断路器工作时实际超行程过大，或操动机构电极缓冲装置的回弹过大，弹 振严重： ( 4 ) 导向装置不符合要求。引起电极的运动过程摆动，或者与波纹管发生摩擦： ( 5 ) 波纹管受到了过大的扭力，特别是在装配开关管动电极与整机连接时，用力过 大或者直接拧开关管本身。 当然保证真空断路器的机械寿命，对于操动机构的各连接部分、传动部分都应该满 足要求才能实现。 真空断路器在实际使用过程中如果达到了机械寿命指标，就应该予以更换。但如果 还要继续使用，为保证安全，应根据操作的频繁程度，缩短检查周期，如果开关的性能 下降，则应该立即予以更换。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 3 电寿命的测量 电寿命是真空断路器的电气开断能力，通常以额定短路开断电流的开断次数来表 示。由于强大的电弧对真空断路器的烧蚀，真空断路器的电寿命次数仅数十次。一般来 讲，真空断路器的电寿命决定其真实使用期限。如果电寿命超过，真空灭弧室会失效， 电弧不能断开，灭弧室可能爆炸，造成重大事故。所以，对其电寿命的监测和评估是非 常必要的。 传统的电寿命监测方法一般都建立在对开断电流准确测量的基础上，由于断路器在 实际运行中，开断电流的变化范围大，且在开断短路电流情况下有时会含有直流分量， 电流互感器会出现不同程度的饱和，因此准确测取开断电流有一定的困难。另外，传统 的电寿命监测方法是开断电流的次数，通常在开关柜中有一个开断电流次数的计数器， 使用该方法监测断路器的寿命，只需要进行开断电流的测量和简单的计算，在实际操作 中忽略了实际因素，因而在一些情况下误差会很大。所以，用传统的电寿命监测方法准 确度比较低；再者，由于技术因素的限制，这种方式能够提供的信息量也比较有限【18 】【2 4 】。 随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术以及微电子技术的发展，开发出真空 断路器电寿命智能化监测系统是完全可能的，也是非常必要的。而且，它可以给出较多 的信息量和提供报警信息，所以对于电网的安全运行有着重要的意义。 对于真空断路器来说，影响电寿命的主要因素是断路器开断电流时由于电弧作用而 产生的电磨损，主要有接触表面的破坏、金属材料的损失和变形等。电磨损会影响灭弧 室灭弧时的性能。由于不同电流下触头的烧损与电流的大小不是简单的比例关系，因此， 对于电寿命的测量，简单的累积开断电流的方法误差较大。 有关参考文献应用模糊理论，提出断路器电寿命的综合判断方法。根据影响电寿命 的主要因素：首开相的燃弧时间、后开相的燃弧时间、开断速度，开断时间、首开相在 三相中的均匀度和等效开断电流的电磨损系数对断路器的电寿命进行判断。由于不同因 素的权重不尽相同，应用这种方法需要大量的试验数据，给这种方法的实际应用带来了 一定的困难。 一种普遍采用的方法是开断电流加权累积法团】。事实上，影响开断时电磨损的因素 很多，除了开断电流外，分闸相位、分闸速度、燃弧时间、触头材料等，与电磨损都有 直接的关系。在其他条件一定的条件下，燃弧时间则起着决定性的作用。也就是说，开 端电流加权累积法忽略了一些实际问题，因而在某些情况下误差会较大。但是，要实现 那些细微的理论考虑，是非常困难的所以结论还是采用较为适用的开断电流加权累积 法。为了减小误差，除了考虑开断电流和燃弧时间，还应当三相分别进行，最后做综合 平均处理。 真空断路器状态监测与知识管理系统设计 值得注意的是，真空断路器的寿命实际是取决于三大类寿命中最短的，其中有一类 寿命达到，则真空断路器的寿命已到。如果各种性能仍然正常，可以延长使用，但必须 十分慎重，要加强检查与监测，确保该真空断路器在延长使用期内的正常工作。 大连