（电气工程专业论文）sf6高压断路器运行状态模糊综合评判技术及应用研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t r e l i a b i l i t ya p p e a r sm o r ei m p o r t a n tw i t hp o w e rg r i de n l a r g e d ，a n dt h er e l i a b i l i t yo f c i r c u i tb r e a k e r si sm o r ei m p o r t a n t ，w h i c ht a k eo nc o n t r o la n dp r o t e c ti np o w e rs y s t e m t h ew a y so fo v e r h a u li sd e v e l o p i n gf o rc o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c ef r o mp e r i o d i c o v e r h a u l sa tp r e s e n t ，f o re n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h ec i r c u i tb r e a k e r s ，r e d u c ew a s t e ， i m p r o v ea v a i l a b l er a t ea n dr a t i o n a lr e p l a c et h ec i r c u i tb r e a k e r s t h er e s e a r c ho fc i r c u i t b r e a k e r ss t a t u sw a sc a r e da b o u ti nr e c e n ty e a r s ，a n ds o m ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e n g a i n e d ，b u tt h ew a y h o wt os h o wt h es t a t u sw i t ha l lk i n d so fp a r a m e t e ri sn o tf o u n do u t b a s e do na n a l y z i n gp r e s e n ts t a t u so fc o n d i t i o nm a i n t e n a n c ef o r t h eh i 曲v o l t a g ec i r c u i t b r e a k e r s ( h v c b ) ，an e wm e t h o d f o r e v a l u a t i n g t h eh v c bs t a t u s ，u s e d f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a tf i r s ta l lk i n do fp a r a m e t e r si n d i c a t i n gt h ec i r c u i tb r e a k e rs t a t u s ，a n dt h ed e g r e e o ft h ep a r a m e t e r si n f l u e n c i n gt h ec i r c u i tb r e a k e ra r ea n a l y z e d f r o mt h en e e do f c o n d i t i o na s s e s s m e n ta n da c t u a l o p e r a b i l i t y , a c c u m u l a t i v ee r o s i o n ，y e a r su s e d ， a c c u m u l a t i v ew o r k i n gt i m e s ，t i m ea n ds p e e dp a r a m e t e r , l o o pr e s i s t a n c ei np r e v e n t a t i v e t e s t ，t h ep a r a m e t e ro fi s o l a t i o nm e d i u m ，a n do t h e r sf a c t o r s ，s u c ha sw o r k i n ga t m o s p h e r e ， a p p e a r a n c e ，m a i n t a i n e dr e c o r d ，e t c ，a r es e l e c t e da st h ee v a l u a t i o nf a c t o r so ff u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l ，m u l t i p l el a y e rf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e d b a s e do nd i f f e r e n ti n f l u e n c e dd e g r e e ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a i 廿) i s u s e dt od e t e r m i n et h ef a c t o ri n d e x sw e i g h ti nt h em o d e l i d e a sb o r r o wf r o mt h ew a y s o fe s t a b l i s hm e m b e r s h i pf u n c t i o ni nf u z z ym a t h e m a t i c sa n dc o m b i n et h ef a c t o r s c h a r a c t e r i s t i c ，e a c hf a c t o r sm e m b e r s h i pf u n c t i o ni se s t a b l i s h f r o mt h ee v a l u a t i n gn e e d o fc i r c u i tb r e a k e rs t a t u s ，t h ew e i g h ta v e r a g ea r i t h m e t i co p e r a t o ri ss e l e c tt oe v a l u a t et h e c i r c u i tb r e a k e rs t a t u s t h r o u g ht h ee x a m i n a t i o no fa c t u a lc i r c u i tb r e a k e r , a l lk i n do fp a r a m e t e rw h i c h i n d i c a t ee f f e c t u a l l yt h ec i r c u i tb r e a k e rs t a t u sa r er e l a t e db yt h em o d e lo fc o n d i t i o n a s s e s s m e n tw i t hf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf o rt h eh i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r s t h ea s s e s s m e n tw a yc a l la p p r o x i m a t e l ye v a l u a t et h ec i r c u i tb r e a k e rs t a t u s i tp r o v i d e sa n e w w a y t ok n o wt h ec i r c u i tb r e a k e rs t a t u si nt i m e k e y w o r d s ：h i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r ，c o n d i t i o na s s e s s m e n t ，a n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s s ( a h v ) ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得重麽盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：韶，毋级签字日期：朋易年，月名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重鏖太堂一可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：律珏黟 导师繇物砒 签字日期：加二年，月彩日签字日期：跖年，月砧日 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 实施s f 6 高压断路器运行状态评估的目的及意义 高压断路器在电网中起控制和保护作用，高压断路器发生故障或事故会引起 电网事故或扩大事故，造成相当大的经济及其他方面的损失。2 1 世纪世界电能将 有更大的发展，电能供应的安全可靠性、电能质量、经济性，包括目前电力部门 正在大力推行的变电站综合自动化，对高压断路器的可靠性提出了更高的要求1 1 1 。 近年来，基于设备状态监测和先进诊断技术的状态检修的研究发展成为我国 电力系统的一个重要研究领域，主要有以下几方面的原因：第一，由于电力设备 的故障，不仅会造成供电系统意外停电而导致电力公司经济效益减少，而且会造 成用户的重大经济损失，因此迫切需要做到有计划地维护和停电；第二，电力部 门希望尽量延长电力设备的维护间隔、缩短维护时间，从而缩短停电时间，减少 因停电维护而造成的影响；第三，尽可能延长电力设备的使用寿命以增加经济效 益。 断路器检修是电力设备检修工作的重点内容之一，对断路器检修费用在某些 地区超过了电力设各维修费用的一半【2 1 ，因此，如何在不影响断路器正常工作的前 提下，为节约成本而尽可能的延长检修周期，如何能够有针对性的开展检修工作， 更加理性的更换断路器，是目前电力运行部门关心的内容。现在对于高压断路器 的监测工作还仅仅局限于研究断路器的电气或者机械方面某一种具体参数，缺乏 系统性和综合性1 3 】。若能够将断路器的相关试验参数( 如分、合闸的同期性等) 和 实际运行的各种在线参数( 如开断电流、燃弧时间等) 串接起来，建立一个状态 评估模型，评估高压断路器工作状况及其变化趋势，就能够为运行维护人员及专 家对监管高压断路器和及时的发现安全隐患提供了依据，进而减小了停电检修断 路器的盲目性和检修次数，最大程度的扩展检修周期，提高断路器的投运率，从 而提高电力运行部门的经济效益。如何更加准确的监测断路器的各种参数，如何 建立评估模型来评估断路器的工作状态，许多科研单位和运行部门也投入大量的 人力、物力进行研究，并取得一定成果，有些成果已经被实际运行部门采用。但 是由于对断路器状态检测工作的开展仅仅处于起步阶段，许多工作还有待于进一 步的完善，所以目前的研究成果与要达到真实客观的反应出断路器工作状态这一 要求还比较远。 本文通过对目前国内外高压断路器状态检测现状的分析，利用模糊数学的思 想，提出一种采用模糊综合评判来评估断路器工作状态的新方法，将表征断路器 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 工作状态的各种参数结合起来，为能够及时掌握断路器的工作状态提供依据。 1 2s f 。高压断路器状态检修的现状 在电力系统中占有重要位置的高压断路器运行参数的在线监测是保证对高压 断路器实行状态维修的基础。根据高压断路器多年运行经验的故障统计以及国内 外一些监控系统的运行经验，可以得到目前主要的监测量与其相应能够体现高压 断路器中对应的部分见表1 1 【7 】嘲【9 】。 表1 1 目前高压断路器状态检测主要检测量 检测内容高压断路器相对应部分 合分闸时间及合，分闸时间、合闸同期性、重合闸无电流时间及金属 合，分闸位置短接时间 合，分闸线圈线圈自身状态，闭锁装置的状态，分，a 闸电磁铁卡涩、 电流曲线、电压偷跳等及控制回路与电压是否正常 行程曲线 触头总行程、超行程、速度等 振动信号机构变形、磨损、润滑和部件故障、装配失误 动态电阻断路器触头的变化情况 开断电流断路器开断性能及电磨损程度 对高压断路器运行状态的评估，根据侧重点的不同，国内外都投入了大量的 资金和人力做了很多工作。目前，一些发达国家对高压开关设备的状态诊断技术 已日趋成熟，国内也有许多部门开展这方面的工作，已经出现了高压断路器监测 运行状态监测的仪器，主要成果如下： 1 、断路器操动机构的监测：机械机构状态的获取是十分复杂的，出现某一故 障，机构特征可能很多，同时当 机构的某一状态特征发生变化 时，其引起的故障原因和故障点 也可能不是唯一的。其主要监测 参量包括分合闸电磁铁线圈电流 的状态、断路器操作时的机构振 动信号【“、断路器的特征分合闸 速度、分合闸时间等。瑞典保加 m e ，穰惹气曩囊丘 图1 1 监测管示意图 f i g 1 1t h es k e t c hm a po f m o n i t o rt u b e 玛( p r o g r a m m a ) 断路器机械特性测试仪t m l 6 0 0 已经在中国的电力系统中出 2 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 现，中国电科院开关研究所1 9 9 4 年已研制成功k z c 1 型高压断路器在线监测仪， 并已在现场经实际试运行通过考核。近年来，又结合国产及早期进口高压断路器 的状态检修在线监测系统，和供电公司合作研制成功多台s f 6 高压断路器机械参量 在线监测系统。并已投入试运行【1 1 l 。 2 、断路器s f 6 气体的监测：s f 6 气体是目前高压断路器中使用的最优良的灭弧 和绝缘介质，同时也是断路器在线监测的重要内容之一。其主要监测参量有气体 的压力、密度、湿度和一些由放电产生的低氟化物( 如s o f a 、s o f 4 、s 0 2 f 2 ) 。检 测管法( 如图1 1 ) 来测量低氟化物的含量是目前在国内外使用频率很高的一种检 测方法，并根据监测结果来推断断路器内s f 6 的绝缘强度【1 2 1 。德国开发出一种叫 “离子迁移率频谱仪( i o nm o b i l i t ys p e c t r o m e t e r 简称i m s ) ”，作为s f 6 气体现场监 测的工具。对于s f 6 气体监测还包括监测g i s 内的局部放电来判断断路器和g i s 的运行状况等。 3 、断路器电寿命预测方法国内外也进行了大量的研究，已经出现以下几种方 法。 ( 1 ) 开断电流加权值q 一至k 4 ( n 为开断次数，k 为第n 次开断时断路器开 l 断电流值，a 为开断电流指数，通常在1 5 2 0 之间) 。q 可间接检测断路器及弧 触头( 包括灭弧介质) 烧损情况是否达到制造厂规定值1 4 1 。 ( 2 ) 在早期电寿命检测的基础上，华中科技大学王章启等提出了相对电磨损的 概念。设额定短路开断电流下单次开断的电磨损为m ，对应的允许开断次数为n 。 从统计平均和累计效应，可认为该断路器的允许磨损总量为n m ，或者说定义一 台全新的断路器的触头允许磨损总量为1 0 0 ，即其相对电寿命为1 0 0 ，则每次 额定短路开断电流开断时的相对磨损为l m ( 定义为q 。) 。然后根据不同断路器的 m l 曲线，求得任意大小开断电流，c 的对应允许开断次数坼，则对应的单次开 断的相对电磨损为1 i v , ( 定义为q 朋) ，这样可求出任一次开断时的相对电磨损量： q m - 1 i n ，q m - 1 1 n t 1 1 ) 根据触头的绝对电磨损总量一定，则有： q _ i l f n - q 。f ，m n = m m ( 1 2 ) 所以 瓯a - n i a t , m m i m ( 1 3 ) q 。一q ( m i m ) - o , v ) ( m m ) ( 1 4 ) 即可求出该断路器的相对电寿命： 一工一q 。 f 1s 1 。为断路器触头电寿命的初始值，是一个：卜1 的百分数，其值由断路器的运 行状况决定，刚投运的或经过大修后的断路器其值可设为11 a 】【1 3 】。 3 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 ( 3 ) 一般的s f 6 高压断路器有主触头和弧触头两套触头系统。闭合状态下，测 得的回路电阻为两套触头接触电阻的并联值，反映不出弧触头的磨损情况。在分 闸的过程中，弧触头先于主触头分离，若弧触头烧损变短，则会导致有效接触行 程的变短。监测动态电阻，就能够了解弧触头的磨损，从而预测弧触头的烧损情 况及断路器的电寿命。主要根据是电流流过断路器主触头和弧触头时动态电阻值 是变化的，在配合对断路器分闸速度的测量，计算出弧触头较之主触头的长度， 再与新断路器的弧触头与主触头长度相比，很方便的计算出弧触头烧损长度，从 而决定是否要对断路器大修1 1 4 1 。 ( 4 ) 如何判断断路器的性能从而得到断路器的电寿命状态，国外的学者也做了 大量的工作。k e m a 高电压实验室的r p p s m e e t s 和v k e r t e s z 使用智能触发模 式的、高分辨率、高精度的电流零点测试系统，得到电弧电流过零前的相关参数 ( 包括：电弧电压、电弧电流、电弧电导率) ，基于m a y r 电弧模型，得至l f 一个改 进的断路器电弧模型，最后得出 m 。! d( 1 6 ) s l + s 式中，s ，为理论推测d d t 最大值，s 为实测值，m 为介于一1 和1 之间的一 个数值，m 若为负值，则表示不能成功开断，为正值，则表示能够正常开断电流， 当m 值下降到一定程度的时候，断路器则退出运行1 1 5 1 。p h s c h a v e m a k e r 和l v a nd e r s l u i s 提出用引入电压的m a y r 改进电弧模型以提高评估精度，实际效果也达到预期 目标1 1 6 1 。 4 、其他的监测量：其他的监测量有导电接触部位的温度用来监测电接触部位 的发热情况。还有用于判断绝缘状态的参量包括介损、泄漏电流等。 总体来看，国外目前对国外对断路器触头的研究比国内开展的早，很多技术 相对比较成熟，也提出了许多新的方法和理论来完成对断路器各方面的监测任务， 如声诊断法、不侵入诊断法( 判断断路器的机械特性) 等【1 7 1 1 s l ，但也是处于起步 阶段，并较多的集中在材料对触头电寿命的影响以及电弧等对触头的侵蚀等方面。 1 3 本论文的主要研究工作 状态维修由于其自身的优越性，在生产实践中逐步得到生产部门和工程人员 的认可，但是从高压断路器状态维修的要求上来看，以往对高压断路器各个单项 的监测很难满足现在对高压断路器工作状态预测的要求，要实现对高压断路器的 状态维修，还有许多工作需要加强。 在各个单项检测的基础上，对于如何由断路器各种实验参数( 开断时间等) 以及运行参数( 开断电流等) 从而得到断路器的工作状态，尚缺乏一个有效的方 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 法来实现。本次设计在继承现有研究成果的基础上，对高压断路器的诊断技术作 进一步的研究以达到了解和掌握断路器的运行状况，为断路器性能评估、合理 使用和安全工作提供基本的信息和科学的依据，以求满足现代社会对高压断路器 状态检修的要求。本次论文的主要开展的研究工作包括： 1 、分析s f 6 高压断路器的检修的现状，提出对高压断路器实施综合评判的重 要性。 2 、结合s f 6 断路器的结构要求，提出了评估参数。 3 、利用模糊数学的思想，提出了基于模糊综合评判的评估方法。 4 、确定评估因数隶属度，通过实际应用证实方法的可行性。 1 4 小结 文章通过对高压断路器状态维修的现状和发展趋势的分析，论述了高压断路 器状态评估对开展高压断路器状态维修的重要意义，介绍了目前高压断路器的一 般情况及其状态检修发展的现状，提出本文的研究内容。 5 重庆大学工程硕士学位论文 2 s f 6 高压断路器状态评估参数 2s f 。高压断路器状态评估参数 2 1 高压断路器的结构及特点 3 k v 及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器，它是电力系统中最重 要的控制和保护设备。无论电力系统处于什么状态，当要求断路器做动作时，都 应能可靠的动作。概括的讲，高压断路器在电网中主要起着两方面的作用：第一， 控制作用。根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退 出运行：第二，保护作用。高压断路器在电力线路或设备发生故障时将其从电网 中快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行。总之，高压断路器能够开断， 关合及承载运行线路的正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异 常电流，如过载电流和短路电流。 断路器的典型结构见图2 1 1 6 ( 盎) 带电襁毙( b ) 接缝箝壳 1 一开断元件；2 绝缘支柱；3 一基座；4 操动机构；卜绝缘套管；6 一接地外壳 图2 1 高压断路器典型结构图 f i g 2 1t y p i e a ts t r u c t u r eo fh i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r 图中开断元件是断路器用来进行开断、关合、承载工作电流和故障电流的执 行元件，它包括触头、导电部分和灭弧室等。触头的分合动作是靠操动机构来带 动的，常用的操动机构有电磁操动机构、弹簧操动机构、压缩空气操动机构和液 压操动机构等。图中( a ) 为外壳带电断路器，也有人称为绝缘支柱式断路器。图 中( b ) 为外壳接地断路器( 又称落地罐式) 1 4 1 。 高压断路器与其它高压电力设备如电机、变压器等相比又具有自身特点。第 一，结构的多样性。高压断路器从灭弧原理上讲就有多油、少油、空气、六氟化 6 重庆大学工程硕士学位论文 2s f 6 高压断路器状态评估参数 硫、真空等多种类型。不同类型差别很大，即使相同类型，由于生产厂家和生产 年代、参数的不同，结构也差别很大；第二，试验的重要性。高压断路器电弧的 物理过程至今仍不是十分清楚，有关的电弧理论分析、设计计算方法更是没有得 到大范围的推广。因此，高压断路器的试验设备和试验技术对其发展起着决定性 的作用；第三，高度的可靠性要求。高压断路器是电力系统中最重要的保护设备。 它与被保护的设备相比，价格要低得多，但故障后造成的损失和影响与其本身价 值相比要大得多。 2 2 高压断路器的状态评估 目前，我国高压断路器更换的主要依据为使用年数或者累计开断短路电流次 数，对于该断路器真实的工作状态并不了解，这就往往就会造成还可以继续使用 的断路器却被更换，带来巨大的经济损失。要实施对高压断路器的状态检修，就 必须了解高压断路器本身真实的工作状态。目前对于高压断路器各个单项的检测 已经取得了一些成果，但是对于如何评判高压断路器的整体工作性能，以达到更 加理性的更换断路器的目的，目前尚没有一个能够真实反应的断路器整体状态的 模型来实现。为达到这一目标，下面简单分析一下电力设备( 包括高压断路器) 故障发生概率的发展概况。 故障率 1rr l 有效寿命 i 一 t l t 2 时间 图2 2 断路器特性寿命曲线 f i g 2 2l i f eg u l - v eo fd r c u i tb r e a k e r 图2 2 概念性地表示电力设备的故障率与时间相对应的寿命特征曲线。由于此 曲线形状似浴盆形，故常称为“浴盆曲线”。该曲线明显地分为三段：即i 早期故 障期、i i 偶发故障期和耗损故障期。 i 一早期故障期，电力设备从开始投入使用到时刻t 1 为止。一般情况下，电 力设备在新安装投运期间由于安装质量方面的问题、设备本身存在的薄弱环节、 设计和工艺等方面的缺陷等等，在开始投运期间暴露的问题比较多。所以可以从 图2 2 上可以看出这个阶段的特点是：开始时故障率很高，但随着运转时间的增加， 7 重庆大学工程硕士学位论文 2s f 6 高压断路器状态评估参数 故障率很快又减小下来，进入故障稳定阶段。 一偶发故障期，电力设备从时刻t 。转到时刻t ：这一阶段的故障率最低，而且 故障率恒定。一般情况下这一阶段不应该发生故障，属产品的最佳工作时期。然 而，可能由于使用不当、操作失误或其他意外的原因而引起某些故障，也可能由 于设计的安全系数较小而出现故障，如当某个零件的程度为下限时，正好遇到实 际使用载荷的上限，这样就有这些情况的出现往往带有很大的偶然性。所以，在 偶发故障阶段应特别重视合理使用，加强保养，避免操作上的失误，以达到尽可 能地延长电力设备的有效寿命。对于大多数故障可修复的产品来说，还可以采用 维修方式来延长产品的有效寿命期。图2 3 表示维修对于设备寿命特征曲线的影 响，图中九为故障率，t 为投运时间。 图2 3 多次定期检修特征寿命曲线图 f i g 2 3l i f ec u r v eo f p e r i o d i c a lo v e r h a u lm a n yt i m e s 一耗损故障期，当电力设备使用到t 2 时刻以后的故障率再度上升。这是由 于设备的正常磨损、化学腐蚀、物理性质变化以及材料的疲劳等老化过程所引起 的。 对于实行大修制度的电力设备来说，浴盆曲线用来表示一个大修周期更为确 切。图2 4 为用几个浴盆曲线来表达电力设备的全寿命特性，当一台新的电力设备 在该图左面的第一浴盆曲线中到了磨损故障区，故障率随时间的变化而不断上 升，以致超过维修规定的容许值，表明此时需要大修，大修以后又可重复一次浴 盆曲线所示的寿命特性。第二个以及其后的浴盆曲线，其各阶段的特性数值都会 有所不同。 8 重庆大学工程硕士学位论文 2s f 6 高压断路器状态评估参数 图2 4 电力设备全寿命特征曲线 f i g 2 4t o t a ll i f ec l l l v eo fc i r c u i tb r e a k e r t 时间证明，历次大修后图2 4 所示的大修后浴盆曲线的各种参数一般会有以下变化 ( 图中x 为故障率，t 为投运时间) ： ( 1 ) 最高故障率x 可能逐次增大，即：九 如 - 卜以； ( 3 ) 大修周期疋逐次缩短，即：五 疋 l ； 假设当断路器的整体性能值( 即特征寿命) w 达到时，断路器就要进行检 修或退出运行。由图2 4 可知，经过一次大修后，断路器的某些特性会得到改善， 断路器的整体性能就会随之提高到一个较好的水平，但是从图上最高故障率的不 断增大也可以得出w o 彤 睨，即断路器的整体性能随着不断使用是渐趋下 降的。当矾卜时，意味着断路器即使再进行大修，整体性能也不能达到运行部 门的要求，这说明断路器就要退出运行，进行更换。 一般情况下，高压断路器所处的状态可分为两种，即正常状态和异常状态。 由于外界工作条件和断路器内部性能的变化，高压断路器整体性能所处的状态也 是不断变化的。断路器从一种状态到另一种状态的变化过程称为状态演变，这种 演变可用图2 5 表示。 对于出现潜在危险的高压断路器如果没有及时采取专门的排除措施，则在一 般情况下由于断路器的继续使用而引起断路器的整体性能的下降会继续发展下 去，因而在另一个时刻t ，整体性能的变化达到其功能条件所决定的极限值时，断 路器就会出现故障。 高压断路器整体状态的演变趋势可用图2 5 所示的断路器整体性能的发展趋 势曲线来加以说明。以下分别对高压断路器可能出现的八种发展趋势作简要分析 【刎。 9 重庆大学工程硕士学位论文 2s f 6 高压断路器状态评估参数 簸 帑 大 小 图2 5 断路器异常状态趋势 f i g 2 5u n c o n v e n t i o n a f i t yt r e n dm a po f c i r c u i tb r e a k e r 在图2 5 中，高压断路器t - - - - 0 的制造阶段时，根据出厂检验和试运转的结果 把高压断路器分为a 、b 、c 三种类型。a 型表示高压断路器在制造时属完全正常 的产品；b 型表示高压断路器在制造阶段就存在潜在的缺陷，属降级产品；c 型表 示高压断路器出厂检验时的不合格产品，应在试运转时就被淘汰的故障产品。 a 型：上图中a - a 曲线表示高压断路器性能劣化的趋势，可以认为绝大多数 高压断路器整体性能的发展趋势均属这一类型。在a 型中还有一根用点划线所示 的a _ a l 曲线，它表示一台处于正常状态的高压断路器，其异常现象出现的时间极 短，随着这种突发性现象的产生，迅速形成了故障状态。在a 型中的另一条用虚 线表现的a a 2 曲线，它表示高压断路器出现了异常现象后，始终保持这一异常现 象，没有继续发展下去，这种情况却不会导致故障状态的出现。在a 型中用点划 线表示的a - 丑3 曲线，断路器发生异常现象以后，在短时间内其本身又恢复正常。 这种情况在目前出现的概率很小，将来随着故障诊断技术的发展，断路器具有自 身修复功能后有可能出现，或者刚刚出现潜在危险因素，适逢大修后将危险因素 排除，也有可能是这种情况。 b 型：上图中b - - - b 曲线表示高压断路器在制造时就存在潜在缺陷，随着时间 的推移缺陷逐渐发展，最终导致故障。所以，一般情况下凡是在设计或制造时就 存在潜在缺陷的高压断路器，在使用过程中不加以注意，就会发生上述情况。b 型中用点划线表示的b b 曲线，也表示高压断路器在制造阶段就存在潜在缺陷。 但在高压断路器使用过程中，缺陷没有发展，始终保持原状。有些高压断路器或 器件在使用期满而报废时，往往会意外地发现制造时就隐藏着的缺陷。b 型中用虚 线表示的b 也曲线同样表示高压断路器在制造阶段就存在着缺陷，并在高压断路 器投入使用的早期出现异常现象，但经过调整后恢复正常。c 型表示废品，在出厂 1 0 重庆大学工程硕士学位论文 2s f 6 高压断路器状态评估参数 检查和试运转时就被淘汰。 通过以上的理论分析可以看出高压断路器故障的发生是有其自身的规律，高 压断路器的整体性能在大多数情况下是连续变化的，因此通过对高压断路器的某 些典型参数的分析是完全可以确定高压断路器整体性能所处的状态，并预报其未 来的发展趋势。 高压断路器状态评估的方法就是根据高压断路器目前的状态，结合该类型 断路器的整体工作情况，采用相应的方法，将该断路器的各种参数有机的联系在 一起，对高压断路器的整体工作性能做出评价，判断其是否能够满足继续投入运 行的条件。根据以上理论，在许多情况下，只要能够监测高压断路器工作状态的 变化情况，就能进行工作状态的预报并及时采取措施，达到尽可能延长高压断路 器运行时间，减少各种事故，杜绝灾难性事故，减少设备维修时间和费用的目的， 从而提高运行部门的经济效益。对高压断路器工作状态进行评估，主要做好两方 面的工作，即对其工作状态的监测和对其性能做趋势分析。 目前高压断路器状态实时监测的方式主要有：在线监测、离线( 不退出) 监 测和定期监测，采用的手段主要是使用便携式状态监测仪、专用状态监测系统以 及以微机为基础的多功能状态分析系统。对设备进行状态监测主要作好以下工作： 1 、监测量的选择：高压断路器参数众多，根据监测需要以及目前监测仪器技 术水平选择不同的监测量。例如，要判断高压断路器操动机构的运动和撞击情况， 可以选择断路器的振动信号作为监测量，结合计算机和信号处理技术，就可以进 行高压断路器操动机构的机械状态进行监测。 2 、测点的选择：测试点的选择要合理，要选择能够充分提供设备状态信息并 且能够减d , n 量误差的位置。例如，利用直线式行程传感器进行合分闸动触头行 程和速度测量时，要把传感器安装在操动机构直线运动的连杆上，要用旋转式光 电编码器，则安装在断路器和操动机构的转动轴上。 3 、测试周期的选择：测试周期的设定，它与监测量的类型及故障发展的速度 有关，因此，必须对监测量的变化趋势速度进行充分的研究。但是，所能确定的 测试周期毕竟只是基本的测试周期，一旦发生测定数据的变化的征兆，就必须缩 短测定周期。 4 、测定方式的选择：信号采集有两种测定方式，一种为离线( o f fl i n e ) 钡t 定， 即采集信号和分析数据是分别进行的。一种为在线( o nl i n e ) 测定，即采集信号及数 据处理和分析工作是在现场同步进行的。可以根据实际情况灵活选择。 目前对于信号分析主要采用信号比较的方法，当某一表征信号与正常情况有 变化时，就可能发生了故障，而对引起故障的原因的具体类型和部位则还需要经 验加理论分析。具体到高压断路器的状态评估的方法上，由于高压断路器的参数 重庆大学工程硕士学位论文 2s f 6 高压断路器状态评估参数 众多，并且对于高压断路器的状态评估刚刚处于起步阶段，实际运行当中也没有 进行过数据的统计工作，很多工作都是依赖于工作人员的经验，因此选用模糊综 合评判方法进行高压断路器状态评估具有相当的优势。 2 3 高压断路器状态评估参数 2 3 1 开断磨损 当开关电器开断电路时，只要电流达到几百毫安，电源电压有几十伏，在开 关的触头间就会出现电弧。电弧是一种气体放电现象，也是一种等离子体。等离 子体是与固体、气体、液体并列的物质第四态。开关电弧是电弧等离子体的一种， 其主要外部特征有： 1 、电弧是强功率的放电现象。这是电弧影响高压断路器触头的开断能力的一 个最重要的原因。在开断几十千安的短路电流时，以焦耳形式发出的功率可到达 1 0 0 0 0 k w 。与此有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，在电弧区 的任何固体、液体或气体在电弧作用下都会产生强烈的物理及化学变化。在有的 开关中，电弧燃烧时问比正常情况只多一二十毫秒，开关就会出现严重的烧损甚 至爆炸。若变电站运行人员出现误操作时，如用灭弧能力很弱的隔离开关开断负 荷电路时，电弧能使操作者大面积烧伤，甚至造成生命危险。 2 、电弧是一种自持放电现象。不是很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃 烧而不熄弧。如在大气中，每厘米长电弧的维持电压只有1 5 v 左右，在大气中， 1 0 0 k v 电压开断仅5 a 的电流时，电弧长度可达到7 m 左右。电流更大时，可达3 0 m ， 因此，单纯的使用拉长电弧来熄灭电弧的方法是不可取的。 3 、电弧是等离子体，质量极轻、极容易改变形状。电弧区内气体的流动，包 括自然对流以及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状， 有的时候运动速度可达每秒几百米。涉及人员可以利用快速熄弧并预防电弧的不 利影响及破坏作用。 高压断路器在空载操作时，动、静触头间发生碰撞和摩擦，会造成触头的变 形和材料的损失，称为机械磨损。一般说来，高压断路器触头的机械磨损并不严 重，并不是影响断路器触头开断能力的主要因素。由上述电弧的特性可知，当电 弧作用于触头时，电弧的高温作用将会使触头上会发生强烈的物理、化学变化， 使得触头材料流失。如图2 6 所示f 2 1 】。 重庆大学工程硕士学位论文 2 s f 6 高压断路器状态评估参数 图2 6 触头受电弧作用时材料损失图 f i g 2 6c o n t a c tm a t e r i a ll o s sb ya r c 电弧的高温作用会使触头表面烧损、变形、金属材料流失，造成触头的电磨 损。电磨损主要有两种形式：桥转移和电弧转移。桥转移是触头分离前由于电流 的热效应使最后接触点局部熔化形成液态金属桥，金属桥最后拉断时材料会由一 极转移到另一极，桥转移每次转移的材料体积很小。电弧转移这一现象在断路器 开断短路电流时尤为严重，电弧作用于触头时，触头上会发生强烈的物理、化学 变化，使得触头表面材料熔化和气化，在强烈的气化和电场力的作用下使液化的 金属成液滴式的吹走。在开断大电流时，由于高温的作用，金属的气化、液化是 造成电磨损的主要因素，化学现象造成的磨损居次要位置，因此，开断大电流时， 在电弧能量相同的条件下，同种材料的触头在不同周围介质，电磨损量基本相同。 当开断电流在几安以上1 k a 以下的中电流范围内，触头烧损的情况和大电流有所 不同。化学现象对触头的电磨损起着主要作用，这时，触头所处的介质种类对触 头的烧损影响很大。 2 3 2 试验运行参数 一件产品从设计、制造、安装、调试到运行，其全过程有四个层次的试验： 型式试验、出厂试验、安装交接试验、预防性试验。每一后继试验的项目都比先 行的试验项目少。就是说预防性的试验项目最少。这一方面是因于现场条件，另 方面是基于如下考虑： ( 1 ) 通过型式试验，即己定产品设计达到了有关技术标准和预定要求。 ( 2 ) 通过出厂试验，认定产品达到了设计规定的技术条件和有关标准。 ( 3 ) 通过安装交接试验，确认了设备经过运输和安装、调试，已经没有影响全 可靠运行的损伤。 1 3 重庆大学工程硕士学位论文 2s f 6 高压断路器状态评估参数 预防性试验是高压断路器投入运行后对其所做的试验，能够透露出很多高压 断路器在实际运行中的参数变化趋势，对于进行高压断路器状态评估的意义也是 最大的一个试验。预防性试验的主要意义就是在这三个层次的先行试验基础上， 考察设备经过一段时间的运行之后，其电气、机械、物理化学等性能中若干个具 有代表性的技术参数有无幅度过大的变化，亦即预防性试验的结果有无超出预防 性试验规程规定的标准。若没有，则可以认为设备的整体技术状况仍然在预定可 以安全运行的范围内【2 纠。 作为电力设备维修工作的重点内容，高压断路器要定期对各项参数做试验检 查。目前在我国，为判断电力设备继续投入运行并保证能够安全运行，就是采用 电力设备预防性试验对投入运行的设备按规定的试验条件、试验项目、试验周期 所进行的定期检查和试验，以期能够发现运行中电力设备的隐患和预防发生事故 或电力设备损坏，高压断路器也不例外。每次大修和必要时对高压断路器的试验 所得到的参数不仅能够判断高压断路器的检修是否符合运行要求，也一定程度上 反映了高压断路器的工作性能。 断路器的时间参量包括以下参量田j ： 1 、分闸时间和合闸时问：对断路器来说，凡是不带电情况下的操作称为分闸 与合闸，凡是带电情况下的操作叫开断与关合。它们之间的差异在于不带电时， 没有燃弧时间和预击穿时间，在三相情况下的还要看具体规定( 因为灭弧瞬间和预 击穿瞬间在三相中是不同的1 。一般制造厂都会给出相应的上、下限值。合、分闸 时间主要透露出高压断路器与其所配的操动机构的机械特性的性能，受开断电流 大小的影响较小。 2 、燃弧时间与燃弧时差：5 0 h z 交流电弧，每0 0 1 s 有一个过零点，交流电弧 在电流过零瞬间灭弧，实现开断。在开断过程中每相出现电弧的时间区段叫燃弧 时间，它是影响高压断路器触头电磨损的一个重要因素，但是，燃弧时间的长短 却是变动的，它受下列诸因素的影响： 灭弧时间是在电流正弦过零时，但起弧时间可以是在半波中的任何瞬间； 三相电路中，三相的起弧瞬间与三相电流过零瞬问的相互关系； 三相电路中，又与系统的中性点是否接地有关：它是中性点直接接地系统、 还是中性点绝缘系统； 每相中在指定开断电流下( 何种方式) 的最短燃弧时间； 断路器的三相分闸不同期，及其不同期的可能组合方式； 开断电流中的直流分量，它影响到电流过零点，从而影响到各相中的燃弧时 间。 为保证系统安全运行，系统要求断路器在上述燃弧时间中的最长燃弧时间下 1 4 重庆大学工程硕士学位论文 2s f 6 高压断路器状态评估参数 应能可靠灭弧。另一方面，从结构上说，断路器在开断某一短路故障时，有一个 固有的，能可靠灭弧的最短燃弧时间，二者之差即为燃孤时差。 虽然开断时燃弧时间对于断路器触头的磨损有着重要影响，但是在一般的维 护和检修中就不必关心它，原因有- - - ：由于大量的统计结果表明，对于一台指 定的断路器，其燃弧时间都趋势于某一个固定的值。影响此值的因素众多，判 断起弧时间复杂，要想准确的测出燃弧时间比较困难。 3 、开断时间：额定操作电压下施加分闸命令，直至o 最后灭弧相灭弧为止之间 的时间间隔，在数值上等于分闸时间和燃弧时间之和，从理论上对电力系统来说， 希望开断和关合时间越小越好，能够更加快速的隔离故障，对系统的稳定有利。 它同时与高压断路器的机械特性和灭弧特性有关。 4 、分合时间：指重合闸过程中的无电流时问加所有极触头分离后的燃弧时间 及第一极预击穿时间。 5 、三相分合不同期性，高压断路器的许多参量的状态都与该数据有关，如分 闸的相间不同期性影响燃弧时间差的分布规律和极值，而相间合闸不同期性则影 响直流大小分量，影响预击穿状态以及系统的不对称性。另外，该参数出现异常， 也有可能表明该断路器存在着暗藏其中的机械性缺陷，因为断路器的结构设计是 能保证这些参量处在预定的范围内的，异常情况的出现，表明在那个环节上出现 缺陷或者潜在故障因素，例如：结构松脱，元件卡涩、损坏。缓冲异常等。合闸 不同期性不大于5 m s ；分闸不同期性不大于3 m s ，对于不同电压等级的或者不同厂 商的要求可能不同。 6 、高压断路器时间参量还有无电流时间、分闸时延、预击穿时间等等。断路 器的合闸速度，尤其是刚合速度，必须满足运行部门所要求的技术持性。所谓刚 合速度是指断路器在合闸过程中，动触头与静