（电力系统及其自动化专业论文）高压断路器在线监测系统开发及故障诊断分析.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题的提出及意义 断路器在电力系统运行中起控制和保护的作用，其运行、维护和检修情况与整 个系统密切相关。随着电压等级的提高和装机容量的增大，系统对电力设备运行可 靠性的要求越来越高，这给电力设备检测与诊断技术提出了更高的要求。 中国科 学技术指南中提出的电力能源领域发展的战略目 标就是 “ 提高供电可靠性、质量 和经济性，建立设备和电网故障诊断和监测系统改进输电在线监测技术、城市 供电技术” 。 断路器在线监测项目的提出就是基于上述因素并现场需要，通过应用传感技 术、检测技术和数字信号处理技术等，分析断路器各部件工作情况，给出相应健康 水平，为运行调度和检修人员提供快速、准确的信息。高压断路器在线监测系统可 对断路器的重要参数进行长期连续监视，提供设备实时运行状态，跟踪重要参数的 变化， 确定其变化趋势，以判断是否有故障先兆，为断路器状态检修积累经验和数 据。 1 . 2 高压断路器的状态检修 1 . 2 . 1状态检修的提出 电力系统是由发电、输电、配电、用电四个主要环节构成的庞大系统，无论哪 个环节出现故障都有可能引起系统故障，造成重大损失。随着电力系统向高电压、 大容量、网络结构复杂化的趋势发展，要提高系统运行的可靠性，首先必须保证电 力设备的正常运行。检修是维持设备健康运行的必要手段，合理的检修方式不仅有 助于提高系统运行的安全可靠性，且对系统的经济运行也大有益处。 电力系统发展的早期采取的检修方式是 “ 事后检修”( b r e a k e r d o w n m a i n t e n a n c e )， 即坏了才修、不坏不修，这是由当时社会人力、物力不足的状况决 定的，检修完全处于被动地位。大约在上世纪 5 0年代初期开始出现了一种以预防 为主的检修方式，称为 “ 定期检修”或 “ 预防检修”( p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e ) e 这种检修方式是根据设备的运行制造情况，提前作出检修计划，到了规定运行周期 必须进行检修， 以防止事故发生。 虽然具有保守性， 但确实起到了事故预防的作用。 到目前为止，定期检修还是主流检修方式。随着传感技术、微机技术、数据采集与 处理技术等高新科技的发展与应用，出现了一种新的检修技术一一状态检修 ( c o n d i t i o n b a s e d m a i n t e n a n c e ) 。状态检修是一种基于设备状态的检修方式，它 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 以数据为依据作出检修决策，是一 种不同于 传统的以周期 ( 时间) 为依据的检修方 式。 它是 种建立在计算机技术、检测技术、电力技术、诊断技术等多学科基础上 的检修方式。状态检修旨在不影u 1aj 设备正常运行的悄况 卜 ，通过各种方法对设备健 康水平进行监视和评估。既可实时了解设备的运行状态，又可捕捉故障征兆，及时 作出针对性的检修计划，防止事故发生或事故扩大。状态检修在上世纪 7 0午代开 始普及，并有逐渐替代定期检修的趋势。 目前国内外采用的检修方式 毛 要是定期检修和状态检修，由于状态检修还处于 研究月 : 发的初级阶段，有许多不尤普的地方，所以 一 般采用二者结合的检修方式。 一、定i vv i 检修 定期检修又称预防检修、计划检修， 主要是根据设备的运行周期编制大修和小 修计划，贯彻预防为+ . 的方个 卜 做到 “ 到修必修，修必修好” 。一日 _ 设备运行到预 先规定的时ir r i 周期，无论是否出现故障，都要停机检修，尽量做到防患于末燃。 这种检修方式源十 1 9 3 2年的苏联，相对于被动的市后检修有很大进步。它贯 彻以预防为卞的检修策略，在很大程度上减免了事故的发生。 但定期检修在长期应 用中也暴露出其缺点一一检修的r卜 ! 性。 对断路器来r s ，大修每隔3 -1 0 年进行 次。在大修这样长的时期间隔内，设备若发生事故，定期检修不能恰好捕捉到，丧 失了其预防的作用，造成检修不足。另外，经常对设备进行检修可能造成设备的过 度检修，使设备不是用坏而是被修坏。 随着社会经济科学技术的发展，电力系统成为越米越复杂的大系统，电器设各 的 10 j 造水平也有很人提高，定期检修既小经济， 又难以应付这个复杂系统中的众多 电力设备， 容易造成生产力的巨大浪费。 在这种背景下， 种新的检修理念被提出， 这就是预知性检修，即状态检修 二 、状态检修 状态检修是在定期检修和现代检测技术基础上提出来的一种新的检修理念。 事 后检修是完全被动的，定期检修从然具有上动性，但其本身的固有缺陷义限制了它 的发展，状态检修较之二者，是在设备不停运的悄况 if i根据设备运行的实时参数 评估其健康状况。状态检修既可以捕捉故障征兆，防! 卜 事故发生或事故扩人，又可 做到少停运，保证系统正常供电，真 卜 做到了“ 该修刁修，修必修好” 。 状态检修的必要性体现在如 ) l 个方面: ( 1 )状态检修是降低设各检修费川的重要措施。 据统计，定期检修费约占设备资产 总额的7 % -9 5 ，定期检修很难做到减负增效。 ( 2 )状态检修是根据设备的实际运行状况确定其健康水平，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。 ( 3 )状态检修的实现手段为在线监测，能够获得设备在运行电压条件下的各参数。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 而定期检修通过离线试验进行，一般试验电压远低于设备的运行电压。 ( 4 )状态检修可降低设备故障和缺陷率。 电力设备故障和缺陷发生概率如图1 - 1 所示，此曲线称浴盆曲线。 设备故障和缺陷率 设备投运时间 图 1 - 1常规随运行时间变化故障和缺陷率曲线 由初始浴盆曲线可以看出，设备新投运阶段和老化后期是故障和缺陷高发期， 需要对设备进行监护式维修。 而在设备运行的平坦期，发生故障的概率较小，大量 的定期检修不仅浪费时间资源，而且容易造成过度维修，把设备修坏。 定期检修改变了初始浴盆曲线的形状，如图1 - 2 所示，以致于在整体上评估设 备的健康阶段时产生混乱。 设备故障和缺陷率 图1 - 2定期检修可能形成的故障和缺陷率曲线 另外，检修水平一一包括人员素质、零件质量、技术水平等也可能成为引发设 备故障和和缺陷的因素。 一般大部分故障不会在瞬间立时发生，而是从某个运行点起开始出现故障征 兆，到达潜在故障点时，若没有任何维护措施，潜在故障将很快发展为故障，整个 过程如图 1 - 3电力设备功能退化曲线所示。不同的设备由潜在故障发展到故障的 p - f间隔时间是不同的，从凡个小时、几个月到几年不等，定期检修不可能正好抓 住此故障段，而在线监侧则能够监视到此过程，从而采取足够措施阻止潜在故障引 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 发故障 。 状态 功能故障 ( 已发生) f 时间 图1 - 3电力设备功能退化曲线 随着科学发展，电力设备检修技术从开始的事故检修发展到定期检修，再到目 前正大力开展的状态检修，经历了一个由不科学到科学的过程。可以说，目 前的状 态检修还处于初级阶段，远未成热，在线监测技术的开发是状态检修的基础，为状 态检修的进行提供了条件和经验。 基于诊断技术的寿命预测就是根据电力设备的老 化、劣化规律及影响因素，通过各种监测方法 ( 在线的或离线的)获取各种设备信 息，经过全面分析，了解关于设备的寿命信息，为设备状态检修提供数据和基础前 提 。 油田电力部门于 1 9 9 8年对油田三分之一的设备开始了状态检修，我们从下表 可看出巨大的经济效益和社会效益。 表 1 1 9 9 3 -1 9 9 9 年度各种停电时数 及可靠率指标完成情况 检修 模式 年 度 计 划 检 修 停 电 / h 临检 停电 / h 事故 停电 / h 系 统 停 电 影 响 / h 全年 停电 / h 供 电 可 靠率/% 计 划 检 修 9 31 47232 69 9 . 7 0 9 41 57242 89 9 . 6 8 9 51 463 3 2 69 9 . 7 0 9 61 672 2 2 79 9 . 6 9 9 71 55342 79 9 . 6 9 状态 检修 9 878131 99 9 . 7 8 9 967221 79 9 . 8 1 注:按一个变电所平均考虑 华北电力大学 北京)硕士学位论文 表2 1 9 9 3 -1 9 9 9 年度电网考核指标比较表 考核项 目 检 修 模 式 年 度 送 电/ 次/ 1 0 2 幻 na 配电/ 次/ i o z k m a 送 电 / 次/ 台 年 继 电保护 动 作 / 次 不正 确/ 次 下确 率/ % a b a b a b 计 划 检 修 9 30 . 40 . 1 06, 10 . 2 5 0 . 1 55 0 0o9 9 . 0 9 40 . 40 . 2 064 . 5 0 . 2 50 . 1 53 5 049 8 . 8 9 50 . 30 . 1 554 0 . 2 50 . 1 02 8 039 8 . 9 9 60 . 30 . 0 954 0 . 20 . 1 12 4 049 8 . 3 9 70 . 30 . 0 553 . 8 0 . 20 . 1 22 2 029 9 . 0 状 态 检 修 9 80 . 204 10 . 20 . 0 82 0 019 9 5 9 90 . 2040 . 6 0 . 20 . 0 91 6 019 9 . 4 注:a 为上级下达指标，q为实际指标。 表 3 1 9 9 3 -1 9 9 9 年度电网检修综合效益比较表 检修 模式 年 度 年少转 供电量 / 1 0 4 k w h 年停 电损 失费 / 万 兀 检修 费用 / 万 兀 操作 次数 / 次 供电 可 靠 率 / % 计 戈 检 修 9 35 22 6 64 09 9 . 7 0 9 45 62 8 74 09 9 . 6 8 9 55 22 6 84 09 9 . 7 0 9 65 42 7 83 89 9 . 6 9 9 75 4 2 783 79 9 . 6 9 状态 检修 9 83 81 9 42 09 9 . 7 8 9 93 41 742 09 9 . 8 1 注:按一个变电所平均带负荷2 x 1 0 k w 考虑，电费按0 . 5 元/ k w h 估算 有关统计表明，一半以上的变电站维护费用是花在开关上，而其中6 0 %又是用 于断路器的小修和例行检修上;另外据统计，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， 既费时， 费用也很高， 可达整个断路器费用的1 / 3 - 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 1 2 ，而目 . 解休和重新装配会引起很多缺陷，在对断路器事故的责任分类调查中， 检修维护不当占很大比重。对于断路器的哪些部件运行多长时间需要更换，仍是 个存在争议的问题，事实上在目前比较保守的计划检修中，时常发生许多部件运行 很多年后更新时仍性能良好，而由于没有及时发现，某一部件出现缺陷而导致电网 事故的情况也时有发生。囚此能够了解断路器的状态，减少过y或不必要的停一匕 试 验和检修，做到应修则修，就可显著提高电力系统可靠性和经济性。 1 . 2 . 2状态检修的现状及最新进展 ( 幼国外发展情况 1 9 5 1 年， 美国西屋公司针对运行中发电机槽放电问题，首次提出了在线监测的 思想。 6 0 年代美国又最先开发了监测和诊断技术， 研制成监测变压器储油柜油而上 可燃性气休总量的绝缘状态检测仪。 1 9 7 5 年加拿大研制成功了油中气休在线监测装 置， 之后由s y p r o t 。 公司开发成产品。 8 0 年代局放量监测人发展， 加拿人研制成发 电机局部放电分析仪 ( p d a )及变压器多参数监测系统 ( a i m ) . 9 0年代以后，用于 g i s的高频监测和综合监测得以发展。到目前为止，比较成熟的在线监测产品有变 压器油中2 体在线监测装置、电缆局部放电、避雷器在线监测等。日前，一些发达 国家对高月 、 开关设备的状态诊断技术己日 趋成熟，如关国、日本、加拿大等国家都 有+ f 1 应产品推出。 ( 2 ) 国内发展情f1 卜 前国内状态检修还处于起步发展阶段，基本上还是采用事故检修和预防检 修， 还 i 能与状态检修相结合。 v i 统计，1 9 9 6 年我国的 i o o m w , 1 2 5 m w , 2 0 0 m w 火电 书 l 组非计划停运与出力降低的贡任原因，分别有3 6 9 , 3 1 % 和4 1 % 足由于这种过剩检 修造成的。国内也有-t b 部门在) f 展这方面的 1 一 作，总体来石，国内对断路器机械 故障的在线监测研究上要有三方而:对合分闸行程和速度的监测， 对台分线圈电流 的监测，对振动信号的监测。目前国内的主要产品有宁波理工监测设备有限公司的 w d j c系列的断路器在线监测产品、 武汉新电电气技术有限责仟公司的g k c -h 4 个功 能高压开关动特性测试仪、 西安实达电力设备) 的k j t c系列开关机械特性测试仪、 许继集团公司的 o p t 工 m i z e r + 在线1 1: 关状态监测器等。断路器监测的实质性进展缓 慢，日前葵本还停留在以上双种特征量的监测，原因一方面在于断路器结构复杂， 例如最里要的个部件一一灭弧室，由于其封闭性较强，电弧燃烧的不确定性，测 量方式很难确定，测量效果也不能保证;一足传感技术跟不上，这也限制了监测的 发展;最后，由于断路器各部件繁多，如操动机构，很难判断哪k k 部件容易发2 故 障，以便对其进行监测，这就造成了监测的盲日 性， 缺乏监测经验。断路器在正 常 运行时很少发生动作，这也造成关键数据的缺乏，不利r 经验的累计。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 . 3高压断路器状态检修 在现阶段，我国的电力设备 主要还处于计划检修阶段，无论是对油断路器还是 s f , 断路器、真空断路器，普遍采用定期检修的方式。检修周期的确定是依靠大量 的运行检修经验总结出来的， 运行检修人员只能凭借统一的经验安排断路器的检修 计划， 并不是按每台断路器的具体工作状况科学地确定检修周期。 下面以少油、 s f 6 为例给出检修参照表。 表 1 - 1 1 9 9 1 年部颁 油断路器检修工艺规定的检修周期 断路器型号大修小修临时性检修 s n 1 0 - 1 0 ( 1 )新安装投运一 年后 ( 2 )3 - - 4 年t 次 每年 一次 ( 1 )连续开断短路电流 6 - - 1 2 次 ( 2 )负荷电流开断次数超 过 2 0 0 - - 3 0 0 ( 3 )有缺陷时 s w 2 - 3 5 ( 1 )新安装投运后 一年 ( 2 ) 3 - - 4 年一次 每年 一次 ( 1 )满容量开断达 4 次 ( 2 )有缺陷时 s w 6 - 1 1 0 ( 1 )新安装投运 后一年 ( 2 ) 3 - - 4 年一次 每年 一次 ( 1 )满容量开断达 6次 ( 2 )有缺陷时 表 1 - 2 l n 2 系列s f 。 断路器的检修周期 断路器类型大修小修 临时性检修 s f 。 系列 每 5年 一次 每 1 -3 年 一次 ( 1 )开断额定开断电流次数达到规 定值时 ( 2 )累积开断总电流达 3 0 0 0 k a时 ( 3 )机械操作达 3 0 0 0 次以上时 ( 4 )有严重缺陷、影响安全运行时 临时性检修虽然参照了每个断路器的具体情况， 但其依据仅仅是断路器开断短 路电流和负荷电流的次数， 也是不科学的。由于我国对高压断路器的检修仍然停留 在计划检修阶段，也就不可避免地存在着定期检修模式的共同缺陷:检修周期的不 确定性和盲目性。对断路器而言，这种盲目性主要体现在检修过剩方面。如承德供 电公司 1 9 8 2年检修各类油断路器 1 5 8台次，解体后发现触头严重烧损影响安全运 行的仅有9台， 触头完好无损、 有的甚至光亮如新只需做一般调整即可投入运行的 达 1 0 7 台 其余4 0 台为事故后停电检修)。 又如大连电业局的一份统计资料表明， 在 1 9 8 3 年到 1 9 9 3 年的1 1 年中， 对全局2 2 0 k v ( 4 2 台次) 、 6 6 k v ( 4 6 9 台次) 、 i o k v 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( 1 5 6 3台次)三个电压等级的高压断路器共做了2 0 7 4台次大修，内部有缺陷的只 占大修台次的 1 . 2 2 %， 在相同的运行周期内没有达到额定开断次数甚至没有开断过 短路电流的达9 8 %以上。 对高压断路器而言，传统的定期检修方式不仅造成了人力物力方面的巨大浪 费，也是影响电力系统安全稳定运行的潜在隐患。因此，认真研究断路器的电耐受 能力、机械耐受能力以及绝缘耐受能力，科学地确定断路器的检修周期，尽快实现 高压断路器的状态检修，对电力系统的安全稳定运行及减少运行维护费用， 具有极 其重要的意义。大连电业局 1 9 9 2年开始进行状态维修制的试点工作，已经积累了 大量状态检修的经验和数据， 他们也深刻体会到状态监测的艰难性，需借鉴国外经 验，这样才能加速前进的步伐。 1 . 3本文主要工作 本文主要做了以下工作: ( 1 ) ( 第二章)熟悉断路器的结构及运行情况，开断性能等基本知识; ( 2 ) 第三章) 进行监测数据处理， 剔除异常数据并进行中均值滤波。实现断路器 寿命评估算法，包括各单指标评估和综合指标评估。给出一定条件下的寿命裕度; ( 3 ) ( 第四章) 分析总结断路器常见故障， 对断路器动作的机械特性进行评估，对 操动机构的动作时间进行统计分析， 根据其发展趋势判断机械性能好坏;并采用小 波分析中的模最大值法进行故障诊断的仿真分析; ( 4 ) 第五章) 完成寿命评估算法和部分故障诊断的程序实现， 程序编制采用d e l p h i 语 言。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章高压断路器基本知识介绍 高压断路器指额定电压在 3 k v以上的断路器。 在电力系统中一般指 工 i o k v以上 的输配电断路器。它可以根据电网运行的需要，控制指定的线路或电力设备退出或 投入运行，起控制作用;另一方面一旦系统发生故障它又可以及时切除故障点，保 证电网无故障部分的安全运行，起保护作用。总之，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。如果它们在运行中出现故障，小则引起一条线路、一个小区域 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。 2 . 1高压断路器的结构 高压断路器按功能可分为下几部分: ( i )导电部分:断路器导通电流的部分。 它允许通过长时间的正常负荷电流和一定 时间的异常电流，如过负荷电流和短路电流。 ( 2 )绝缘部分:保证断路器电气绝缘的部分。它包括三个基本方面，即对地绝缘、 相间绝缘和断口绝缘。 ( 3 )接触系统和灭弧装置:执行电路开断和关合的部分。 它表征断路器的合闸和分 闸能力。 ( 4 )操动系统:促使触头分断和接通的部分。它赋予断路器以规定程序的动作以及 一定的动作时间和速度。 断路器的典型结构如图2 - l e 一 开断元件 绝缘生1一 三 操动机构 基座 图2 - 1 高压断路器典型结构简图 断路器在开断短路电流时，短路电流可达到额定电流的十几倍甚至几十倍 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 至于断路器开断时， 触头之间会产生强烈电弧，灭弧室的功能就是在规定时间内灭 掉电弧，开断故障电路。因此灭弧室是这几部分中最重要的，其性能好坏直接影响 灭弧能力。 2 . 2 高压断路器的分类 按断路器灭弧原理来划分，有油断路器 ( 多油和少油) 、压缩空气断路器、六 氟化硫断路器、真空断路器、磁吹断路器和 ( 固体)产气断路器。我国目前应用最 多的是少油断路器、真空断路器和六氟化硫断路器。少油断路器一般用在电压较低 的配电系统中;而随着触头材料的发展， 真空断路器也已经抢占了中低压等级的市 场;六氟化硫断路器一般电压等级在 1 1 0 k v以上，在高压输电系统中占据绝对优势 地位。 一、 油断路器 多油和少油断路器统称油断路器，是最早出现的、历史最悠久的断路器。多油 断路器用油量大，油同时起灭弧和绝缘的作用;少油断路器中油只起灭弧作用，绝 缘由瓷瓶支架承担。油断路器的缺点是油量多 ( 尤其是多油型) ，钢材消耗多，油 量大不仅给检修带来困难，而且增加了爆炸和火灾的危险。在真空断路器和 s f 6 断 路器出现之后，油断路器逐渐被 二 者替代，退出运行。但在东北地区，少油断路器 还有一定的应用市场。 二、真空断路器 真空断路器用真空作为触头间的绝缘和灭弧介质。由于近年来真空工艺、材料 技术水平等发展迅速，目前真空断路器己广泛应用于 1 0 k v , 3 5 k v配电系统中，在 中低压市场中己占据主流地位。真空灭弧室的绝缘性能好，触头开距小，要求操动 机构提供的能量也小;电弧电压低，电弧能量小，开断时触头表面烧损轻微。因此 真空断路器的机械寿命和电寿命都很高。 通常机械寿命和开合负载电流的寿命都可 达到 1 万次以上。允许开合额定开断电流的次数，少则 8次，多的可到 5 0次或更 多，特别适用于操作频繁的场合，如配电线路断路器。 三、s f 6 断路器 s f 6 断路器利用 s f 6 气体作为灭弧介质，s f 6 是目 前高压电器中使用的最优良 的灭弧和绝缘介质，它的化学性能非常稳定。采用s f 6 作为熄弧和绝缘介质，灭弧 能力强，介质强度高，单断口电压可以做得很高，在同一额定电压等级下，与少油 和空气断路器相比，s f 6断路器所用的串连单元数较少。s f 6的介质恢复速度特别 快，开断近区故障的性能好，不容易产生过电压。s f 6气体的电弧分解物中不含有 碳等影响绝缘能力的物质， 在严格控制水分的情况下没有腐蚀性， 且触头在s f 6 中 的烧损轻微，因此 s f 6断路器允许开断的次数多，检修周期长。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 . 3 断路器的开断性能 一、短路电流分析 断路器的开断性能是用户最关注的。 断路器正常运行时通过的负荷电流比短路 电流小得多。断路器的设计总要保证能够开断一定条件下的短路电流。当短路电流 值超过某一限度时，断路器即不能开断。因此，可靠地开断短路故障是高压断路器 主要的也是最困难的任务。 系 统 等 值电 路如图2 - 2 所 示。 其 中 ， u = 拒e s i n 恤+ 的 为出 线 端电 压; l , l , r , r /为系统的等值电感和等值电阻，正常运行时，电流为: (2vi i = 1 m s i n ( ca + b 一 cp ) 其中 2- e ( 2 - 2) 训= r 8 - 1 ( r + r ) 2 + cu 2 ( l + 五 ) ， c u ( l + l ) r+r ( 2 - 3) r 图2 - 2短路电流计算等值电路 发生 三相)短路时，暂态短路电流为 ， 一 ， ， 。 s in ( ca + 。 一 。 ) + 1 m s in (。 一 。 ，) 一 1 , s in (b 一 ， )l e 一 tr ( 2 - 4 ) 脚= 1p 其 中 扼 e v r 2 + ( c,) l ) 2 ( 2 - 5) 二 生 x ( 2 - 6) 暂态电流波形如图2 - 3 所示。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 图2 - 3 系统短路的暂态电流 由式 ( 2 - 4 )可看出，暂态短路电流的第一项为稳态正弦量，第二项为暂态分 量，为非周期单调衰减的直流分量。当非周期分量的初始值很大时，系统短路的暂 态电流初始值也很大，电路比较难开断。 额定开断电流也即额定短路开断电流， 是标志高压断路器开断短路故障能力的 参数。 断路器额定短路开断电流有两个特征值表示: 一是交流分量有效值， 简称“ 额 定短路电流” ，二是直流分量百分数。若直流分量不超过 2 0 ，则额定短路开断电 流仅以交流分量有效值来表征。 二、开断过程分析 电力系统发生短路故障后，继电保护动作，断路器接受分闸命令。当断路器进 行开断电流操作时，由于弧触头比主触头要长一定尺寸，故主触头分开时弧触头尚 未分开，所有电流流经弧触头，而主触头间没有电弧出现。再经过一定时间后，弧 触头分开，此时电流将会在动、静触头间直接形成电弧，电弧随着动、静触头之间 距离的增加而被拉长，且被限制在喷口之间，最终在灭弧室熄灭，完成开断。若有 重合闸要求，在电弧熄灭后，经过一段时间的无电流时间，发出合闸命令，若为瞬 时故障，则重合成功，若故障继续存在，继电保护再次动作，使断路器分闸，最终 切断故障线路。各动作阶段 ( 时刻)在开断电流波形上的表现如图2 - 4 所示: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 - 一 一 一可 / - 一 气 卜 一 |，肠“少与 、丫、 /厂 / 、 / 飞 、 、 i - / 曰卜，:1 r 闹 折令 并制卜 m断土 图 2 - 4分闸动作时刻在开断电流波形上的表现 电力系统发生短路故障后，要求继电保护系统尽快动作，断路器开断得越快越 好。这样可以缩短电力系统故障存在的时间，减轻短路电流对设备的冲击。在超高 压电力系统中，尽快开断短路电流可以增加电力系统的稳定性，从而保证输电线路 的传输容量。 三、开断参数介绍 ( 1 )开断动作 断路器开断过程中几个重要的时间特征值为: 开断时间( 1 , s ) 一一断路器 接到分闸 指令瞬间 起到 所有相中电 弧最终熄灭的时 间间隔; 分闸时间( t o , s ) 一一断路器接到分闸 指令瞬间 起到所有相中弧触头分离瞬间 的时间间隔; 燃弧时间( t o ， s ) 一一某相中首先起弧瞬间起到各相中电弧最终熄灭的时间间 开断时间为分闸时间和燃弧时间 之和， 即t y = t , + t o 。 断路器开断时的各个时间 如下所示: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 引甸位置 图2 - 5 断路器分闸的开断时间 ( 2 )关合动作 断路器关合过程中几个重要的时间特征值为: 关 合时 间( t p m ， s ) 一 一断 路 器 接 到 关 合 指 令 瞬间 起到 任意 一 相中 首 先 通 过电 流 瞬间的时间间隔; 合闸时间( t , , s ) 一一断路器接到合闸指令瞬间起到所有触头都接触瞬间的时间 f u l 隔; 预 击 穿 时 间( t , ， s ) 一 一 关 合 时 ， 从 任 意 一 相 中 首 先 出 现电 流 到 所 有 相中 触 头 都接触瞬间的时间间隔; 关 合时 间 为 合闸 时 间 与 预 击穿 时 间 之 差， 即t p m = t 。 一 临。 断 路 器关 合电 流时 的 各个时间如下图所示: 合闸位置 图2 - 6 断路器合闸的关合时间 ( 3 ) 自动重合闸 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 由于每种断路器自动重合闸的次数不同，具体时间指标应依具体断路器而定。 以重合闸的o - t - c o 为例，时间指标有无电流时间、分一 合时间、重关合时间、重合 闸时间、合一分时间和关合一开断时间。 断路器的自动重合闸( o - t - c o ) 各个时间如下图所示: 触头运动 无电流时间 间 重关启 所 榭目 中 电弧 最 终: 所有相中弓 欣上 头分.离 分n a 月 51 # 口 器 带电 刁. 所 有 相 中 触 头 接触 . 第一相中触头接触 第并 目 中开始m e 宜 申 抓 图2 - 7断路器的自动重合闸 ( 0 - t - c 0 ) 2 . 4断路器的电寿命 一、油断路器的电寿命 油断路器 ( 一般指少油)在开断短路电流而产生电弧时，触头磨损、灭弧室磨 损以及油的劣化是同时进行的，它们直接影响到断路器的电寿命。 1 、触头的烧损 每一次带电操作，触头间都会产生电弧，电弧能量使电极材料不断熔化、气化 和喷溅， 从而导致触头的 烧损和变形。 金属平均损失量m l 与开断电 流的关系可由 下 式表示: ( 2 - 7 ) 人-几 m - 阴 式中m , 为 额定开断电 流的 损失，i 。 为实际开断电 流，几为额定开断电 流。 由式 2 - 7 )可以看出影响触头烧损的重要因素是开断电流的大小。 2 、灭弧室的烧损 在少油断路器的灭弧室里，是由多个绝缘板叠置而成的吹弧道完成断弧，通常 横吹区供开断大电流用，烧损相当大;在纵横吹相结合的灭弧室中，纵吹区供开断 小电流用，其烧损就比较小。一般来说，灭弧室的烧损需着重考虑的是引起变形的 局部损失，而无需考虑材料的总损失，而这种局部烧损可认为与单位长度电弧的能 t 5 华北电力大学 北京) 硕士学位论文 量成正比。所以，单位时间的材料损失与开断电流成比例，也就是说，灭弧室的烧 损与开断电流紧密相关。 3 、油的损失与劣化 油断路器的每次开断都伴随着油的蒸发与分解， 绝大部分的气体经复合、 凝结 后，还可供开断之用，只有一小部分是通过分离器逸出开关。对于油的损失而言， 在对称开断电流下，具有以下的关系: 一 i . ( t _ ) zm，=m ， 一i 上 “ 1 e 又 t o ) ( 2 - 8 ) 式 中m ， 指 在 额定 开 断电 流几下 第 一 个 周 波的 油 的 损 失， t 。 为 燃 弧时 间 ， t 。 为 一 个 周波或半个周波的燃弧时间。 由以上分析可知，开断造成的触头烧损、 灭弧室烧损变形以及油的损失都与断 路器的开断电流有直接关系，也就是说，开断电流的大小是判断油断路器电寿命的 最重要的依据。 二、真空断路器的电寿命 真空断路器的灭弧室一般为不检修元件， 当触头烧损到一定程度即更换新的真 空泡。与其他种类断路器比较， 真空断路器具有更长的电寿命， 一般满容量开断3 0 次以上，额定电流下开断 1 0万次。真空断路器的电寿命取决于触头的磨损，而触 头磨损又取决于燃弧放电量4 , ! pi 位库仑: 、 一 王 “ id t ( 2 - 9 ) 其中i 为开断电 流，t * 为燃弧时间。 触头的磨损量以 触头重量的 减少表示， 常以 每库仑多少克的 损失量 ( s 勺) 来 表示触头耐电侵蚀的性能。影响触头电磨损的主要因素有电流的大小、 燃弧时间的 长短以及触头材料、磁场结构、弹跳性能等。 但针对某一具体断路器而言，实际上 就只体现在电流的大小和次数上。 三、s f 6 断路器的电寿命 影响s f 。 断路器电寿命的主要指标是电磨损程度，而其电磨损主要集中于喷口 磨损和触头磨损两方面。 通过对电磨损的研究可知，电磨损的主要决定因素是断路 器的开断电流i ,燃弧时间t 、灭弧室的结构及其动触头的运行速度。研究人员 通 过建立的试验用 s f 6 断路器，制定了开断电流的分档方案，在多次试验的基础上， 得到了喷口和静弧触头在以各档开断电流开断的平均磨损量。 进行相应的数据处理 后，即可得到喷口磨损曲线和静弧触头磨损曲线，如图2 - 8 , 2 - 9 所示。由图可见， 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 喷口和静弧触头的磨损量与开断电流的关系曲线呈指数变化规律， 并分为两段，分 段点约在 l o k a 处。 么。( 间 600600咖 0八u六叼 匆即功 1 0加 l e ( h a ) 3 0 4 0 1 e ( s 习 0 1 0 2 0 3 0的 图2 - 8喷口磨损曲线 将实验数据用电子计算机进行拟合 图2 - 9静触头磨损曲线 可以分别得出喷口和静弧触头的理论磨损 公式。喷口磨损公式为: 0 .0 8 1 1 1 1 ( 1 _ i o k a ) ( 2 - 1 0 ) 式中的1 表示开断电 流有效值 ( k a ) , a m表示磨损量 ( m g ) o 静弧触头磨损公式为: 0 .0 2 1 ( 1 0 . 当i x ij - x s i i e ， 认 为 x i 是 虚 假 点 ， 并 用x 8 i 来 代 替 x 1il 。 一 阶 差 分 法 的 关 键 是 x 8 i 的 获 取 和 。 的 确 定 。 的 求 取 过程见第五章) 。 图 3 - 2中给出了数据剔除作用的结果验证。说明数据剔除在干扰很强的环境 下是必要的。 加怕伟14佗1086420-2 a i 囚7 四 3 m 4 0 0 s a a 6 的i 囚b a o s 加t .a 0 a ( a )具有虚假数据的原始序列 ( b ) 未剔除虚假数据滤波效果( c )剔除虚假数据后滤波效果 图3 - 2数据剔除验证 3 . 2 . 2滤波 高次谐波电流主要存在于交流回路，即三相回路中， 而计算断路器触头电寿命 时利用的是当时流过断路器的实际电流，各次谐波电流对触头烧损也有贡献，因此 高次谐波电流不予滤掉;载波通讯和无线电通讯产生的干扰为周期性的脉冲干扰， 其振幅谱是以主频为中心的脉冲波形，叠加在信号波形上，造成信号的突然升高， 若不滤掉，可能将对时间特征值的提取造成很大误差;白噪声是普遍存在的一种环 境干扰，成正态分布， 其频谱为恒值，两噪声脉冲之间的相关性小:脉冲型干扰和 随机噪声可统一考虑为随机脉冲干扰，表现为单个脉冲干扰， 其影响同周期型脉冲 21 华北电力大学 c 北京)硕士学位论文 干扰 。 由以上分析，可确定我们在数据处理时应除掉的干扰有:通讯干扰 ( 即周期型 脉冲千扰) 、白噪声千扰和随机性脉冲千扰三种。 白噪声干扰滤除 一种软件滤除白噪声的方法是平均滤波法。 平均滤波其实就是设计一个简单的 f i r 滤波器，对于选定的n个点设计一个传递函数: h ( z ) 二 h o + h , z - i + . 斗 h x - ,z - (n - q ( 3 - 3) 不同的传递函数对应不 同的滤波方法 。 x n n 一 0 ,1 . . . . . . . n - 1 ) 中 的 每 个 点 分 别 进 行m - 1 平均滤波 的原理是将数据序列 点移动，其中 m为所选取的窗口宽 度，一般选奇数窗口。将整个窗口内的数据平均得到y ( n ) ，即 y ( n ) 二告 ( ”艺 x (i) 人月 ( 3 - 4) 用y ( n ) 代替该窗口中心的原数据。对应的传递函数是 h ( z ) = ( 1 + z 一 ， + : 一 ， + . 二 ， + z - (ra - i ) ) / m( 3 - 5) 其对应的噪声减少率 n r r = 1 / m a为防止波形畸变，噪声减少率不应过大。这样，若 要得到较小的 n r r ，则需要较高的计算点数 m ，而较高的点数会造成截止频率 。 、二 7 / m较小， 有可能 造成 尖 端波 形 发生 平滑 畸变， 丢掉 数 据信息。 因 此， 选择 合适的滤波窗口m 是比较重要的。 二、 脉冲噪声的滤除 中值滤波对高频毛刺的抑制作用很强，其为非线性的滤波方法，常用于有高频 千扰的随机信号， 对于有随机脉冲或噪声叠加的信号尤为有效。 具体实现过程如下: 建立一个长度为m的滑动窗口， 在线监测获得的数据可看成一个按时间排列的数据 序列f ( x , ) ， 经滑动窗处理后得到长 度为m 的 序列以 x i ) ， 再对以 x i ) 按升序( 或降 序) 排序， 取出 排序后的中 值组成序列h ( x , ) , h ( x ) 就是经过中 值滤波处理后的 数据序 列 。 理论上中值滤波算法中滤波窗口m 越大，滤波的效果越显著;但m 较大时，单 独计算一个参数时计算量都非常大， 若同时处理几个参数，数据处理会很慢。一般 m 1 0 a 为了得到平滑的波形以便更加容易进行波形检测， 本文采用中值滤波和均值滤 波级联算法，经过验证， 基本可以取得满意的滤波效果。图3 - 3 ( a )为一实测真空 断路器永磁操动机构的分fl-p i 线圈电流波形， 我们可以看出其中有白噪声干扰和随机 脉冲干扰。经过中一 均值滤波处理后，基本达到可以进行波形检测的程度，且波形 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 畸变程度 比较小。 2 0 9 0 0 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 9 0 1 6 0 1 二2 0 0 2 2 0 ( a )原始数据序列 2 0叨6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 叨1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 ( b )滤波后数据序列 图3 - 3 中一 均值级联滤波效果 3 . 3电寿命评估算法实现 高压断路器的电寿命是断路器在线监测的重要参数，电磨损是表征电寿命损耗 程度的指标。 断路器电磨损主要指灭弧室、灭弧介质和触头的电损耗。 开断短路电 流时，触头间会产生强烈的电弧，电弧的高温可造成灭弧室壁烧灼， 使室壁金属材 料缺损;同时也可能使灭弧介质在高温下分解，灭弧介质化学成分发生改变，不利 于快速灭弧;触头电磨损主要表现为触头的净损失、 触头材料的金属转移和化学腐 蚀。 净损失是指触头材料在高温电弧作用下发生气化或烧熔， 被流体介质冲走或发 生喷溅而离开触头表面。实际上，触头电磨损量与电寿命损耗并不是同一概念，但 触头电磨损可以间接表征电寿命损耗的程度。电磨损主要取决于开断电弧的能量， 即开断电流与燃弧时间。 目前，断路器生产厂家所提供的电耐受能力有以下两方面: ( 1 )断路器不经检修的累计电流值; ( 2 )提供断路器额定开断电流 ( 或 5 0 %额定开断电流 ) 下的开断次数; 在实际的运行过程中，这种评估方法是不合理的。因为断路器每次开断的烧损 情况是不一样的，首先，每次开断的开断电流值和燃弧时间不同。事实上，同一断 路器在相同的开断电流下其触头烧损程度也可能不同。 我们知道，当开断电流相差 很大时， 触头烧损机理不同， 烧损量相差很大。 另外， 电磨损虽然取决于电弧能量， 但还与触头分断速度、触头材料、灭弧介质等有关。因此，单纯靠累计电流值评估 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 电气寿命是很不准确的。而断路器每次开断并不是在同一开断电流 ( 额定开断电流 或5 0 y o 额定开断电流) 下， 厂家提供的某电流下的开断次数就没有多少实际意义了。 因此， 要对断路器触头电磨损、电寿命监测做进一步研究，以得到更加精确的 评估方法。本文充分总结了近年来发展起来的触头电寿命评估方法，并在此基础上 作了改进，提出单指标评估和综合指标评估方法。下面对这两类方法做分别介绍。 3 . 3 . 1单指标评估 一、累计开断电流法 电弧的烧损与电流大小有很大关系，可以用累计开断电流的办法反映触头烧损 n 状况。计算公式为 q 一 艺 1 , ( 3 一 6) 其中q 为总的电磨损量;i 为每次开断电流;i 为断路器开断次数; 断路器厂家一般提供不经检修的累计电流值，以此为初始量，可计算剩余寿命 裕度。 从断路器多次开断的开断时间平均值来看， 例如3 0 次开断和2 0 次开断，其平 均开断时间差别不是很大，因而累计开断电流法在电寿命监测的初期也被广泛应 用。但这种方法有很大的不足之处。事实上，同一断路器在同样的外部条件下先后 开断两次同样大小的电流值， 其烧损程度也可能不相同。开断电流相差很大时，触 头的烧损机理不同，烧损相差很大，因此用累计开断电流法来判断触头烧损量是不 够的;由于算法中忽略了很多实际问题，比较粗糙，准确性不高，在断路器电寿命 监测的初期得到广泛应用。 二、累计电弧能量法 我们知道，电弧烧损与电弧能量有密切关系，用累计电弧能量表征比单纯地累 计开断电流值更准确。计算公式为: ( 3 - 7) 其中q 为总的电 磨损量; i 为每次开断电 流; i 为断 路器开断次数; t 为每次开断 时间; 本算法计算简单，只需测得燃弧时间即可。然而在实际应用中，由于燃弧时间 的测量还比较困难，故经常用开断时间代替燃弧时间进行计算。 三、开断电流加权累计法 针对累计开断电流法中没有计及不同断路器的触头材料不同、灭弧介质不同、 开断电流大小不同等对触头电磨损的影响， 采用加权的办法计其影响。 计算公式为: 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 q 一 艺1 0 b, ( 1 a 1 0 %几 ( 3 一 2 3 ) 1 , 1 0 %1 , ( 3 - 2 4) b .s f 。 断路器相对电磨损公式 。 ， 一 1 5 .94 7 5 x (0 .3 5 x 。/“ ) 责。 ， 。 三 。 0 3 51 。 一 1 3 .2 5 x (