（电力系统及其自动化专业论文）基于信息共享的sf6断路器在线监测与寿命评估.pdf

a b s t r a c t h i 曲v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t sf o rp o w e rs y s t e mt o d e p l o yc o n t r o la n dp r o t e c t i o n ，g u a r a n t e et h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h eo p e r a t i o no f l l i 吐v o l t a g ep o w e rt r a n s m i s s i o nc i r c u i t r ya n de l e c t r i c a ld e v i c e ，i t sw o r k i n g c o n d i t i o n sa n dr e l i a b i l i t yh a v ead i r e c ti m p a c to nt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h ew h o l e p o w e rs y s t e m s t a r tw i t ht h ed i s c u s s i o no fp o w e rd e v i c em a i n t e n a n e es y s t e m , t a k e s f 6h i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r 弱a ne x a m p l e t h i sp a p e re x p a t i a t e so nt h ep o s s i b i l i t y a n dn e c e s s i t yo fo n 1 i n es t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sf o rh i g hv o l t a g ec i r c u i t b r e a k e r n o w a d a y s ，r e g u l a rm a i n t e n a n c ec a l l ta d a p tt ot h ec o n s t a n t l yu p d a t i n g r e q u i r e m e n t so fp o w e rs y s t e m ，嬲t h ep o w e rs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p i n gi n t o a s y s t e mo fh i g h - v o l t a g e ，h i g h - c a p a c i t ya n dm o r ec o m p l e x i t y c o n s e q u e n t l y , i ti s n e c e s s a r yt oa p p l yo n - l i n es t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i st oh i g hv o l t a g e c i r c u i tb r e a k e r t h u s n o to n l yh i g hr e l i a b i l i t y , b u ta l s oe c o n o m i cb e n e f i ti sg a i n e d t l l i sp a p e rp r e s e n t st h eb a s i cp r i n c i p l ea n dm a i nm o n i t o r i n gc o n t e n to fo n - l i n e s t a t u sm o n i t o r i n gf o rs f 6h i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r , c h o o s ea p p r o p r i a t ed e t e c t m e t h o d sa c c o r d i n gt ot h er e c e n td e v e l o p m e n to fs e n s o r , i n t r o d u c et h ed e s i g n i n ga n d r e a l i z a t i o no ft h i sm o n i t o t i n gs y s t e mw i t hs u b - s y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s pa n dp ci nm a s t e rc o n t r o lr o o ma sp o s i t i o i lm a c h i n eb a s e do nv ba n d s q l 2 0 0 0 t l l i ss y s t e mc o u l dc o l l e c ts t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n ts t a t ed a t ao fs f 6h i g h v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ra c c u r a t e l y , e l i m i n a t ei n t e r f e r e n c ea n dp r o m o t et h em e a s u r e p r e c i s i o no ft h es y s t e mb yc o m b i n i n gs o f t w a r es y s t e ma n dh a r d w a r es y s t e mt o g e t h e r , a n a l y z et h es a m p l i n gd a t au s ea l g o r i t h m ss u c ha sb e a t t i e b r i d g m a ne q u a t i o no fs t a t e ， i m p r o v e dm a t h e m a t i c a le x p e c t a t i o n , w a v e l e td e c o m p o s i t i o na l g o r i t h m ，d t wa n ds o o n m e a n w h i l e i d e n t i f yt h ec u r r e n tw o r k i n gc o n d i t i o na n dh e a l t hc o n d i t i o no ft h e c i r c u i tb r e a k e rb yc o m p a r i n gt h ec u r r e n td a t aw i t ht h eh i s t o r i c a ld a t a t h e h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c eo fp o s i t i o nm a c h i n ei sv e r yf r i e n d l y , a n dh a st h ef u n c t i o n o fi n f o r m a t i o ns h a r e d i ns u m m a r y , a l lt h e s er e s e a r c hh a sl a i daf o u n d a t i o nf o rt h e f u t u r er e a l i z i n go ft h eu n a t t e n d e dd i g i t i z a t i o nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n k e yw o r d s ：s f 6h i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r , o n - l i n em o n i t o r i n g ，f a u l t s d i a g n o s i s ，l i f ee v a l u a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 童伶席 年1 月f 日 o 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 後幂 乃叼年1 月 日 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，随着计算机、集成电路、数字信号处理、通讯及光纤技术的飞速 发展和人们物质文化需求的日益提高，电力系统也同其它行业一样，发生了翻 天覆地的变化。如今，从农村乡镇到大中城市，从普通居民家庭到现代化大型 工厂，从工农医教等行业到军事国防领域，电力，作为主要能源之一，已经深 入到各行各业和千家万户，其应用越来越广泛，用户的依赖度和要求越来越高， 电能的生产和使用水平已经成为社会经济发展的重要标志。在我国，随着用电 范围和用电量的不断扩大，电力系统j 下朝着高电压、大容量的方向发展，不但 其系统的结构越来越复杂，状态变量和控制参数越来越多，同时，高电压等级 的采用也给电力系统本身的规划、运行和维修都提出了更高的要求。一旦因故 障造成停电事故，给人民生活和其他电力用户带来的影响与损失越来越大，甚 至影响国民经济的稳定运行，因此，保证电力设备的安全运行变得越来越重要。 高压断路器是电力系统中最常见、最重要的电力设备之一，是组成电力系 统的基本元件，是保证系统稳定运行的基础。以电网为例，高压断路器承担着 控制分配电能和保护设备的双重作用：根据电网运行的需要，可靠地投入或切 除相应的线路或电气设备；当线路或电气设备发生故障时，将故障部分从电网 中快速切除，保证系统无故障部分正常运行。由此可见，高压断路器的可靠性 关乎整个电网运行的安全性和可靠性。如果断路器不能在电力系统发生故障时 及时开断线路、消除故障，小则引起一条线路、一个区域的断电，大则引起系 统事故的连锁反应，造成不可估量的损失甚至严重的社会影响。因此高压断路 器性能的好坏、工作可靠程度的高低是决定电力系统安全运行的重要因素。 本课题是江西电力局与同济大学合作开展的基于信息共享的数字化电站研 究课题中的一个分支。由于高压断路器在未来数字化电站中的作用举足轻重， 为了保障其安全稳定运行，我们有必要对它的运行状态进行在线监测，以便对 其故障作出早期诊断和预警。本课题设计了一套s f 6 高压断路器的在线监测与寿 命评估系统，可以对s f 。高压断路器进行有效的状态监测与故障诊断，达到整个 电力系统安全稳定运行的目的，同时，根据高压断路器的在线诊断信息，通过 第1 章绪论 合理安排检修，最大限度地减少停电维修次数，提高电力部门及电力用户的经 济效益。 1 2 断路器状态监测 高压断路器与其它电力设备如电机、电抗器、电容器相比，有着结构多样、 可靠性要求高等特点。电力系统的运行状态和负载性质是多种多样的，作为控 制、保护元件的高压断路器，要保证电力系统的安全运行，对高压断路器自身 的要求也是多方面的，如对电气性能、机械性能、开合能力以及断路器所处自 然环境的要求等等，其中极高的可靠性是对高压断路器的最基本要求。 高压断路器比其所保护的设备如发电机、变压器等的价格要低得多，但是 因断路器故障造成的损失，如引起其它电力设备的损坏和电力系统的停电，则 远远超过断路器本身的价值。因此，提高断路器的工作可靠性，保证电力系统 稳定运行，还具有重要的经济意义 1 2 1 断路器状态监测的提出 所有电力设备投入运行后都不是一劳永逸的，均需要维修。其维修制度经 历了如下几个发展阶段。一是最早期的事后维修制，即在运行的设备发生故障 后才进行维修。该制度的缺点是，大型电力设备一旦发生突发性事故将造成巨 大损失。二是针对事后维修的缺点发展而来的预防检修，又称定时检修 ( t i m e b a s e dm a i n t e n a n c e 简称t b m ) 或计划维修，它的特点是当设备运行达 到规定的时间后对设备进行强制维修，这是一种静态的维修制度。该检修制度 源于上世纪四十年代的苏联，相对于被动的事后检修制有了很大进步，它贯彻 “预防为主”的方针，防患于未然，在很大程度上减免了设备事故的发生。在 我国电力行业中，目前高压断路器的维护仍大多采取定期检修制。定期检修制 首先确定某一设备的运行周期，然后据此编制大中小修计划，实行“到修必修， 修必修好”。一旦设备运行到了事先制定的时间周期，无论是否出现故障，都进 行检修。实践证明，定期检修也有其缺点具有盲目性。比如，对于不同的 断路器来说，一般每隔3 1 0 年进行一次大修，在如此大弹性、如此长的时间 间隔内，若设备发生故障，定期检修周期很难恰好与之吻合，造成检修不足， 导致丧失预防作用；反之，若设备运行良好，则可能造成设备过度检修，而且， 检修中的解体和重新装配可能引起新的缺陷，使设备不是用坏而是被修坏的。 根据有关统计数据，在对断路器事故责任的分类调查中发现，检修维护不当占 到了很大的比重。 2 第l 章绪论 因此能够了解断路器的状态，减少过早或不必要的停电试验和检修，做到 该修则修，就可以显著提高电力系统可靠性和经济性。随着电器设备制造水平 的不断提高，其稳定性越来越好，定期检修既不经济，又难以满足这个复杂系 统中诸多电力设备的要求，容易造成生产力的巨大浪费。在这种背景下，一种 新的检修理念被提出，即以在线监测和故障诊断为基础的状态维修 ( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e 简称c b m ) ，它的特点是可以对电力设备在运 行状态下进行连续或随时监测与判断，根据设备运行状态实际劣化的程度来决 定维修时问和维修规模，因此可避免预防性试验对系统的影响，弥补计划检修 的缺点。采取在线监测与故障诊断技术后，可以使预防性维修向预知性维修即 状态维修过渡，从“到期必修”过渡到“该修则修”，显著提高电力系统的可靠 性和经济性。 1 2 2 检修现状及研究意义 目前，我国变电站电气设备的检修工作主要是按照电气设备预防性试验规 程的要求定期进行预防性试验，根据实验的结果来判断设备的运行状态，从 而确定是否可以继续运行。长期以来，坚持预防性试验对我国电力系统的安全 运行起到了很大的作用。但随着电力系统向着大容量化、高电压化和结构复杂 化的方向发展，随着工农业生产的发展和用电部门重要性的提高，对电力系统 安全可靠性指标的要求也越来越高，这种传统的试验与诊断方法已越来越不适 应需要圆。 依靠状态监测方法进行的状态检修，作为一种更为科学的检修模式，它克服 了定期检修盲目性的缺点，避免了人财物的浪费。据统计，定期检修费约占设 备资产总额的7 9 ，定期检修很难做到“减负增效 ，而状态检修则是降低设 备检修费用的重要措施。依靠状态检修可以减少设备停电时间，使检修人员的 劳动生产率、供电可靠性以及经济效益和社会效益都有明显提高，能够使电力 部门制定灵活的检修计划。根据设备的实际运行状态判定其健康状况，相对定 期检修来说，具有一定科学性和合理性，避免了检修不足和检修过度，因而状 态监测技术受到了电力部门的广泛关注。总而言之电气设备的状态检修是根据 先进的在线监测和诊断技术提供的设备状态信息，判断设备的异常，预知设备 的故障，在故障发生之前进行检修的一种预测性检修方式。 高压断路器的在线监测和故障诊断不仅可以提供设备现有的运行状态，而且 还能分析各种重要参数的变化趋势，判断有无存在故障的先兆，为设备的状态 第1 章绪论 检修提供依据，从而增大设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少维修 保养费用。因此，研究高压断路器状态的监测和故障的诊断，尽量提前发现潜 在故障，将现有的定期：金笛制度推向状态检修，对避免设备故障及事故的发生 和发展，降低设备故障率，有效提高断路器的可靠性，增强电力系统的安全性、 可靠性、经济性都具有十分重要的意义口 1 。 1 2 3 断路器在线监测的现状与不足 国内外对断路器状态监测这个课题都作过许多研究。断路器的检测技术大 体上经历了从离线测试、周期性在线检测、长期在线检测的发展过程。2 0 世纪 9 0 年代出现了微机型高压开关机械特性测试仪。国外目前已有功能较齐全、抗 干扰性能较好的产品。国内一些单位和厂家也在开展断路器机械特性监测和故 障诊断方面的工作。对断路器实施在线监测，随时掌握断路器的运行状况，以 便及时采取预防措施。 其中一些较好的产品心1 ，比如美国德克萨斯电力公司采用便携式断路器分析 仪，可以对中低压断路器进行周期性试验，了解操作机构的响应特性的变化情 况，同时他们的设备还对新断路器进行测试以建立原始的特征波形，作为将来 比较的依据。除此以外，具有代表性的断路器状态监测系统还有美国伯克希尔 哈撒韦( b e r k s h i r eh a t h a w a y ) 公司开发的b c m 2 0 0 断路器状态监测系统、a b b 公 司开发的s f 。断路器状态监测系统、日本东京电力公司和东芝公司联合开发的 g i s 在线监测和诊断系统以及法国阿尔斯通( a l s t o m ) 研究中心研制的c b w a t c h 系 列断路器状态监测系统阳1 。香港中华电力公司项目组也开发了断路器状态监测在 线分布式信息系统，通过独立的微处理器实现对每台断路器状态的连续监测。 但是从各种文献和资料的报导来看，目前针对断路器的在线监测和诊断技 术仍然存在着监测项目少，诊断精度低，通用性能差，信息难以共享等不足。 本监测系统对其中一些问题进行了探讨及改善，希望更有利于未来在线监测系 统的广泛应用。 4 第1 章绪论 1 3 本文主要工作 1 振动信号的采集与分析：高压断路器机械机构紧凑，选择较为理想的传 感器安装在适合测量的位置，既要真实地反映其振动特性，又不能影响其原有 性能、参数及可靠性：并且传感器能稳定运行在高电压、大电流、强磁场的苛 刻环境中，是课题研究的一个难题。 2 信号的实时采集及数据处理技术：s f 6 高压断路器正常工作时及有分、合 闸动作过程中，现场需要采集的信号较多，且各个信号之间存在着互相的换算 关系，因而如何在所选取的d s p 下位机有限的资源下，既保证系统数据采集处 理的实时性又要保证一定的测量精度，准确无误地测量并完成数据的处理也是 本课题的一个要解决难题。 3 去除干扰技术：s f 。高压断路器工作条件十分苛刻，在分、合闸操作时更 是产生强烈的电弧和机械振动，对整个采集系统造成很强的电磁干扰。因此如 何采用硬件、软件或软硬件结合的方式有效地抗干扰提高测量准确性，使现场 监测单元测量结果能够真实准确地反映高压断路器参数变化信息也是一个要解 决的关键问题。 4 故障诊断和寿命预测的方法研究：在线监测最终目的就是根据测量得到 的各种数据，并综合过去的所有数据，对被监测的高压断路器工作状态做出判 断，以及能够准确地判断出故障或潜在故障所在位置及可能发生时刻也是本论 文的一个难点。 通过对断路器在线监测技术学习，对在线监测技术现状的了解，结合目前 测量技术及相关断路器监测理念，本文研究并设计出一套s f 6 断路器多参数在线 监测与寿命评估系统，并将论文重点放在机械量相关的故障诊断上。 第2 章高压断路器状态监测原理及项目设计方案 第2 章高压断路器状态监测原理及项目设计方案 2 1s f 。高压断路器故障概率与在线监测系统的理论根据 高压断路器作为发电和用电之间的联系环节，其重要性不言而喻。随着经 济的繁荣发展，对电力系统容量与能量的需求随之增加，电能供应的安全可靠 性、电能质量、经济性，都对高压断路器的可靠性提出了更高的要求。高压断 路器依靠其机械部件的正确动作来完成其功能，因而每个组成部件的机械牢固 性和可靠性极为重要。对高压断路器运行过程中施行有效的在线监测，必须对 高压断路器的结构以及各部位发生故障的概率有明确的认识并且需要获得统计 意义上的运行数据。 国际大电网会议( c i g r e ) 就高压断路器的可靠性进行过两次世界范围的调 查，第一次调查于1 9 7 4 1 9 7 7 年进行，调查对象为6 3 k v 及以上电压等级的高 压断路器，调查的结果于1 9 8 1 年公布；第二次调查于1 9 8 8 - - 1 9 9 1 年进行，调 查对象为7 2 5 k v 及以上电压等级的现代单压式s f 。断路器，调查结果于1 9 9 4 年 公布。c i g r e 第a 3 1 2 工作组第二次调查的结果表明 1 ：高压断路器操动机构机 械故障在主要故障中比重占到4 4 以上，在次要故障中也超过了3 9 ，可见断路 器的主要故障为机械故障。而断路器运行中的主要和次要故障率的2 5 是由于控 制回路故障引起的，这是继电器操动机构和s f 。系统及相关监视装置漏气之后的 第三位最主要故障原因。这两次调查都给出了高压断路器的各种故障比例和故 障类型等很多有价值的信息，为确定断路器在线监测都需要哪些项目确立了统 计依据。 表2 1 第二届c i g r e 调查的部分结果眩1 主要故障次要故障 操动机构的机械故障4 4 3 9 其他部分的机械故障1 0 1 0 电气故障( 主电路) 1 4 1 电气故障( 控制和辅助电路) 2 5 1 0 s f 。气体泄漏7 4 0 由国外经验可见几乎有一半的主要故障和次要故障都来自操动机构。在国 6 第2 章高压断路器状态监测原理及项目设计方案 内根据能源部电力科学研究院的统计结果，在1 9 8 9 年至1 9 9 7 年之间发生的4 6 3 2 次高压断路器故障中，因操动机构引起的故障占全部故障的6 6 4 ，其中机构故 障占全部故障的5 5 ，二次部分故障占全部故障的1 1 4 ，而其中因机械部分导 致的故障有1 8 2 0 次，占总故障的3 9 3 ；绝缘故障有8 3 9 次，占总故障的1 8 1 ； 开断与关合故障有2 1 2 次，占总故障的4 6 。其他类型的故障占3 8 。这说明 在我国的高压断路器中，机械故障同样是最主要的故障因素。因此，如何对高 压断路器的机械状态进行有效的检测，成为国内外研究机构共同关注的重点乜，。 通过对上面数据的分析，从统计学的角度我们可以看到威胁断路器正常工 作的故障主要来自其机械部件，其次才要考虑到s f 6 气体的状态及电气故障等因 素。兼顾系统的完整性，除了着重考虑操动机构监测外，该监测系统对常见监 测项目都进行了监测。 2 2 主要监测性能指标 本文的研究对象是s f 。断路器，指的是利用六氟化硫( s f 。) 气体作为灭弧和 绝缘介质的断路器，简称s f 6 断路器。不同类型的断路器不只是灭弧原理不同， 对其实施监测的侧重点也有较大差别，监测的方法自然也有所出入。例如真空 断路器，其中真空度的检测就是监测工作的重中之重，而对于s f 。断路器，根据 目前国内外监测系统生产厂商的s f 6 断路器监测产品，例如瑞典e l c o n 公司生产 的o l m 断路器在线监测系统，我们可以看出该系统大体包括以下几个方面： 1 用位移传感器记录断路器分合闸操作过程的行程时间曲线，进行机械特 性的检测。 2 用电流传感器记录分合闸线圈的电流波形，检测操动机构储能情况。 3 断路器动作过程中的机械振动检测。 4 断路器绝缘套管和绝缘拉杆表面的泄漏电流检测。 5 操作次数，开断电流加权，统计触头磨损。 6 s f 。的气体压力、密度、微水含量和局部放电的检测 在上述检测项目中，1 - 3 针对的是断路器的机械运动状态；4 针对的是绝 缘部件的绝缘状态；5 针对的是断路器的触头使用寿命；6 针对的是灭弧介质的 绝缘状态心1 。上述监测项目从不同角度反映断路器的工作状态，在实际的在线监 测系统中，可按需要进行选择。根据目前掌握的技术水平，综合考虑工程可实 现性和技术经济指标，从机械、电气两方面对高压断路器的稳态和暂态参数进 7 篼2 章高爪断路器状态臆测躁理及项目设计方窠 行监测 23 本系统的整体构成及功能特点 2 31 监测系统的构成 本脏洲系统的实验埘象为江苏省如皋高压电器有限公司生产的l w 3 612 6 ( w ) t 3 1 5 0 4 0 户外高压六氟化硫断路器，配弹簧操动机构。考虑到系统的整 体实施性所设计的整套s r 。在线监测与寿命计仙系统框图如圈21 所不： 里聊蘧 l 喜曩h ! 竺卜 磊 辱国lh 兰卜 m 。鹣 i 嚣l 恤习一 i 位机 l 一、 下位机警。 ：集系上位机数据管 理幕统 图2 1 隘测系统框图 整套监测系统山下位机现场采集系统和上位机数据管理系统两部分组成。 下位机现场采集系统由传感器模块、信号调理电路、d s p 采集处理模块及通汛模 块组成。d s pf 位机可以根据断路器丑；时状态信号及自身定时器对断路器多项参 数轮流采集，也可以被上位机控诰进行断路器指定项目信息的采集。远程管理 系统为设在监挣宅内的一台p c 机，在恢上位机内建立了s 0 【t 2 0 0 0 数据库，并用 v b 投m a t l a h 丌发了断路器监测与故障诊断软件，对r 位机所聚集的数据进行实 第2 章高压断路器状态监测原理及项目设计方案 时的显示并提供对历史动作数据的查询，通过s q l 2 0 0 0 将断路器信息数据实现 了网络信息共享，方便远程计算机对变电站断路器信息的查询。两大系统之间 的通讯是通过r s 4 8 5 总线完成自1 。 2 3 2 监测系统的功能及特点 借鉴其他监测系统的功能及优缺点，本监测系统具有如下功能和特点： 1 稳态信息监测功能： 监测断路器未动作时主回路电流及s f 。气体状态，能实时显示多组断路器监 测参数。根据温度补偿检测s f 。气体的压力，以便及时发现气体泄漏等故障，避 免了因压力不足导致无法及时灭弧事故的发生；采用压力修正算法得出s f 。气体 微水含量信息，确保s f 。气体工作在最佳电气性能状态下。上位机存储了包括s f 。 气体的温度、压力、湿度以及每次故障点的时间等信息，并可以记录每次压力 突降及湿度突升的起始时间、恢复时间及各点的压力湿度值，可计算出每台设 备的泄漏率等信息。 2 暂态信息诊断功能： 当断路器有动作时，记录断路器的开断电流和开断次数，计算触头累计磨 损量，监测触头的电寿命。对机械振动信号、触头行程位移信号、分( 合) 闸线 圈电流信号进行录波，通过波形比较及相关数据获得该次动作断路器的健康状 况，预警即将发生的故障及故障类型。 3 故障报警及统计功能： 当断路器的状态发生异常时，在操作界面上给出明确的警示信息。可以记 录各断路器累计开断次数、每次开断电流大小，预测断路器触头的电寿命并对 每次断路器动作信息提供历史数据的查询。 4 数据共享功能： 利用v b 编写的上位机监测软件人机界面友好，调用s q l 2 0 0 0 数据库记录数 据。数据库可以通过时间对历史信息进行纵向查询，以满足对设备进行综合性 分析的需要。利用s q l 2 0 0 0 数据库，在本地计算机上的断路器监测数据具有很 高的安全性的同时也可以很方便的下载到远程终端上或其他计算机上，便于断 路器监测数据的共享。 9 第2 章高压断路器状态监测原理及项目设计方案 2 4 本章小结 本章分析了寓压断路器各部位发生故障的概率，从统计学的角度及系统可 实施性确定了监测的重点内容，并将整套监测方案细分为下位机现场监测模块 和上位机数据管理系统两大重点，在后面的章节分别具体介绍。 1 0 第3 章现场参数测量及寿命评估算法实现 第3 章现场参数测量及寿命评估算法实现 需要监测的断路器信息可以从很多方面进行分类，例如电气量和非电气量、 机械量和非机械量等，本文是根据断路器动作与否将下位机现场采集系统的测 量参量分为稳态参数和暂态参数两大类。稳态参数是指s f 。高压断路器未动作时 的各项测量参数，主要包括主回路三相电流有效值、s f 6 气体的压力、温度和湿 度等。暂态参数指的是断路器分合闸动作时的状态参量，主要包括操动机构储 能电机的直流电流波形、断路器触头速度行程及断路器动作时的振动信号等。 对于不同的信息量采用不同的监测方法及故障判别手段，本文将侧重点放在机 械量的故障诊断上。 3 1 稳态参数测量 稳态参数的测量是在断路器正常工作中需要时刻监测的，主要包括s f 6 气体 的温度、气体压力、气体微水含量、主回路电流等项目。通过对断路器稳态参 数的测量可以实时显示出断路器当前工作状态，并且可以通过历史曲线预测断 路器的运行趋势，提前预报故障的发生。 3 1 1s f 。气体状态测量分析 以s f 6 高压断路器为研究对象，首先考虑的就是s f 。气体状态的监测。s f 。气体 是一种大分子量、密度较大的气体( 在压力0 1 m p a 、温度2 0 时的密度为 6 2 5 k g m 3 ) 。s f 6 气体无毒、无色、无味，是一种化学性能极稳定的物质，是迄 今为止最理想的绝缘、灭弧介质，因而在高压电器设备中被广泛使用，特别是 在高电压和超高电压的场合。但是，在1 9 9 7 年的防止全球变暖京都议定书中将 s f 6 气体列为温室效应气体，随着全球气温的逐年提升温室效应已经越来越受到 各国政府的关注，抑制大气中s f 6 气体浓度的增加己成为密切关注的课题，因此 对s f 6 气体压力的监测就变得更为重要，在对设备安全运行的保障的同时，也防 止了s f 。温室气体的排放。 第3 章现场参数测量及寿命评估算法实现 s f 。气体良好的电气特性与气体状态是紧密相关的，不同状态下的s f 。气体所 表现的电气性能差异很大，因此要保证运行中的s f 。高压设备稳定工作就必须保 证其内的s f 。气体始终保持在最佳状态。s f 。电气设备在运行时，有可能会发生电 气设备内s f 。气体向外泄漏的现象，同时电气设备外部水气也会渗透进高压电器 设备内部，而灭弧后的高温也会使设备内部组件有水气蒸发，这一切都会导致 电器设备内s f 。气体压力下降同时气体的微水含量超过规定标准。s f 。气体压力下 降将会使设备内部绝缘性能及灭弧性能降低，而s f 6 气体水分含量增加会导致凝 露产生，在电弧作用下，微量h ：o 与s f 。、金属会发生水解反应，产生剧毒和腐蚀 气体，影响灭弧室以及周边环境，还会生成难以去除的硫化物附着在触头上， 严重影响触头的接触电阻，危及设备安全运行。因而为了保证s f 。高压设备的安 全运行，必须对s f 。气体密度、含水量等参数进行严格监测。 s f 。气体状态传感模块包括湿度传感器、压力传感器、温度传感器。可以在 s f 。气室的阀门处安装一个小的密闭容器与气室保持连接，将传感器连同信号调 理电路一同密封在容器内，这样保证与s f 。断路器气室的连通性。 1 压力监测及温度补偿 当高压设备的气室充有s f 6 气体后，常用s f 。气体密度这个概念来衡量是否 满足绝缘或灭弧的要求，因为s f 。气室内的绝缘强度取决于s f 6 气体的密度值， 即单位体积内s f 6 气体的分子数，这与温度是无关的。而密度值是由在2 0 时的 充气压力来体现的。为了保证s f 。气体绝缘设备安全可靠运行，必须监测s f 。的 气体密度值，而不能纯粹地看气体压力。s f 。气体的击穿强度与温度的关系曲线 如图3 1 所示。 10 0 薹8 0 麟 蚕6 0 髑 4 0 - 4 0 - 2 0 0 2 0 4 06 08 0 温度怒 图3 1s f 6 气体击穿强度与温度的关系曲线 1 2 第3 章现场参数测量及寿命评估算法实现 由图3 1 可知：当气体密度恒定时，s f 。气体的击穿强度与温度无关；当气 体压力恒定时，s f 。气体的击穿强度随温度的上升而下降。 实验证明，如图3 2 所示，曲线为环境温度2 0 。c 恒定时，密度与压力关系 曲线：恒温下，s f 。气体密度变化与压力成正比。 夏 密 度 瑟 气 456789l o 垃) 3 m p a 图3 22 0 恒定时s f 。密度与压力关系曲线 压力传感器的输出不仅取决于所受的压力，而且受环境温度的影响，即压 力传感器对温度存在交叉灵敏性，从而影响传感器的性能和测量准确度。在密 度一定的情况下，温度发生变化时压力也随之改变，不同密度所对应的变化曲 线各不相同，其变化规律如图3 3 所示。 如一只密度继电器工作时的闭锁值为0 5 0 0 m p a ( 2 0 ) ，在0 未换算成2 0 等效压力时p o = 0 4 6 1 m p a ；在4 0 未换算成2 0 等效压力时p 。= 0 5 3 9 m p a 。即每 相差1 就产生了0 0 0 1 9 5 m p a 的误差。因此为了正确反应出压力的变化是由于漏 气还是由温度变化所引起的，必须通过温度补偿或修正的方法，使压力指示表 的读数无论自然环境中的温度如何变化，指示的结果始终是2 0 时的标准压力 值，再将此值等效为气室内s f 6 气体密度值。当发生泄漏时，压力继电器能立即 指示出并不是由温度变化所引起的压力的变化。当s f 。气体的压力值低于事先设 定的报警值时，将进行报警，如果泄漏不太多，可以进行补气，以防绝缘性能 降低，设备还能继续运行；如果泄漏严重，就会给出闭锁信号，将开关操作闭 锁，表示这时设备已不能正常运行，防止设备再操作时会有事故发生。 o 5 o 5 o 5 o 5 o 5 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 第3 章现场参数测鼍及寿命评估算法实现 l ， 3 。8 | 0 7 一一( t6 ， _ 一碱7 l一0 。6 睹i ， b 略 f0 卜一 旧 一 一臼一二 再盖氅 ： f 二一l 。+ ，p一白j 4 ( $ l彳 一0 4 一 ，_ 匿结 岁一 声 1 一 0 3 - =- 二 n3 q ， 产 d 2 _ ，。0 。 一6 f )一4 )l102 ( )4 (i6 ( 7 7 图3 3s f 6 气体密度、温度及压力的三态图 对于温度补偿或修正，以前常用的作法是查表法：读取压力表数值，例如 测定实时温度为2 9 6 c ，由于通常断路器生产厂商提供的s f 。密度控制器各动作 值及指示值的标准值的使用条件为2 0 ，故在其他温度下的实测值应修正n 2 0 温度下再与标准值进行比较看是否超标，然后根据当时环境温度由开关厂家 提供的“s f 。压力与环境温度的关系曲线”，查取2 9 6 。c 时密度继电器的动作值。 然而此种方法的实时性比较差，不适合在线监测的使用。 目前常用的温度补偿方法主要有两大类一一硬件补偿方法和软件补偿方 法。硬件电路补偿方法存在调试困难、精度低、通用性差等缺点，不利于工程 实际应用，因而本文采用软件温度补偿算法精确计算出2 0 c 时对应压力。 要计算p 。与p ：。的关系，可根据贝蒂一布里奇曼状态方程： = 0 5 6 2 x 1 0 4 p o + 2 7 3 1 6 ) x ( 1 + b ) 一p 2 a ( 3 1 ) 其中： a = 0 7 4 9 x 1 0 一( 1 0 7 2 7 x 1 0 刁p ) ( 3 2 ) b = 2 5 1 x 1 0 。3 p ( 1 0 8 4 6 x 1 0 q 力 ( 3 3 ) 1 4 第3 章现场参数测量及寿命评估算法实现 式中p 。为s f 。气体在温度为t 时的压力，单位m p a ；p 为s f 。气体的密度，单位 k g m 3 ；t 为s f 。气体温度，单位；a 、b 为系数。使用公式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 和牛顿迭代法选取误差后可计算出2 0 。c 时的压力换算值。 2 微水含量监测及压力修正 s f 。高压电器对s f 。中水分含量有着严格的要求。国家标准g b t 8 9 0 5 s f 。电气 设备中气体管理和检测导则、g b 7 6 7 4 7 2 5 k v 及以上气体绝缘金属封闭开关设 备中均对气体的水分含量作了规定( 见表3 1 ) 。 表3 1 国家标准2 0 时水分含量规定表 隔室有电弧分解物的隔室 无电弧分解物的隔室 ( ul l )( pl l ) 交接验收值 至1 5 0至5 0 0 运行允许值 兰3 0 0墨1 0 0 0 所有这些规定都是以2 0 时气体中水分的体积与气体的总体积的百万分比 ( ul l ) 来表示。由于对断路器造成危害的是结露的水分，而不是绝对的含水量， 因而，随着温度的变化，气体湿度如何变化将取决于零部件的水分放出量及饱 和气体含水量的变化等因素。而且s f 。设备气体湿度变化滞后于环境温度的变化， 因而对大多数户外断路器而言，几乎不可能达到规程中要求的检测时保持温度 为2 0 ，这就要求我们将在任何温度下测得的湿度值实时转换到标定温度下。 由于s f 6 气体中水分含量较低，因而本系统采用法国h u m i r e l 公司的h m l 5 2 0 型低湿环境专用湿敏电容传感器。h m l 5 2 0 说明书给出了供电电压v s = 5 v ，环境温 度为2 3 时，其测量水分含量的典型输出表。 表3 2 供电电压v s = 5 v ，环境温度为2 3 。c 时，t t m l 5 2 0 测量水分含量输出表 k 2 3 ( ul l ) v o u t ( m v ) k 2 3 ( ul l ) v o u t ( m y )k 2 3 ( i jl l )v o u t ( m y ) 01 9 2 51 1 6 63 8 5 01 3 6 4 2 7 51 0 1 32 2 0 01 1 9 24 1 2 01 3 7 l 5 5 01 0 3 82 4 7 01 2 1 74 3 9 51 3 9 7 8 2 51 0 6 42 7 5 01 2 4 34 6 7 01 4 2 2 1 1 0 01 0 8 93 0 2 51 2 6 94 9 4 51 4 4 8 1 3 7 51 1 1 53 3 0 01 2 9 45 2 2 01 4 7 4 1 6 5 01 1 4 l3 5 7 01 3 2 05 4 9 51 4 9 9 第3 章现场参数测苗及寿命评估算法实现 可以得到： k 2 3 = 1 0 7 5 x v o 埘一1 0 6 1 5 ( 3 4 ) 式中，v o u t 为传感器输出电压，单位是m v ；k ：l 为2 3 。c 时水分体积比，单位 为ul l 。 根据h m l 5 2 0 说明书中结合2 3 时各种量的对应关系，实时湿度k t 可以用如下 关系计算： k ：鱼兰! 兰生( 3 5 ) 最3 。x 式中，p 为大气压力，单位m p a ；p 。为实时温度下湿度饱和水气压；p ：。为2 3 时s f 。气体饱和水气压；p t 为压力传感器测得的实时压力。 将式( 3 4 ) 带入( 3 5 ) 得： k ：盟z ! 至幺二! q 鱼! 坐! 兰墨( 3 6 ) 只，只 在实际在线监测判断中，由于不同温度压力下s f 。微水含量的数值变化较大， 因而湿度计算也需要修正到2 0 状态下的数值来作为分析s f 。气体适度变化的依 据。修正为2 0 c 状态下s f 。气体湿度体积比的常用公式称为归一修正计算方法阳1 ， 该计算方法得到了长期试验的验证，修正公式为： 如= 挚 慨7 ， 式中，k ：。为2 0 。c 时的微水含量体积比，单位ul l ；p ：。为2 0 c 时的饱和水气 压；p ：。为换算蛰j 2 0 c 时的s f 。气体压力值。 将式( 3 6 ) 带入式( 3 7 ) 并化简得： b = 燮姜等监 眠8 ， 由工程数据查得s f 。气体在2 0 、2 3 。c 时的饱和水气压数值：p 。= 2 3 3 8 5 4 x 1 0 6 m p a ，p ：。= 2 8 l o 0 6 1 0 咱m p a ，大气压力p 取0 1 0 1 3 2 5 m p a n 引，带入上式化简后 可得2 0 修正后的微水含量体积比为： k 2 。：0 9 0 6 4 7 x v f o u , - 8 9 5 0 8 8 ( 3 9 ) 1 6 笙! 章现场参数测餐及寿命评估算法实现 二二二二_ 二= 二二_ 二= 二= 二： 其中p 2 0 的数值在前面通过贝蒂一布里奇曼状态方程的补偿算法，在压力值的修正 中已经求得。 3 1 2 主回路电流的测量及计算 在断路器正常工作时，需要时刻监视断路器断口主回路的电流值，一旦发 生过流、短路等现象导致断路器的动作，其监测值可以为暂态测量中触头的电 磨损以及三相不同期性提供判断依据。对于主回路电流信号的监测，采用霍尔 元件电流传感器从断路器的二次侧获得，先将得到的交流电流信号转换为交流 电压信号然后再通过滤波调理电路便于采集模块采集，具体电路将在3 2 1 暂 态测量中详细给出。 由于断路器开断电流范围宽，不同电流之间差别较大，且短路情况下多半 含直流分