真空断路器触头电磨损的在线监测算法

内蒙古石油化工　　　　　　　　　　2012年第11期　

真空断路器触头电磨损的在线监测算法

关建平

(巴彦淖尔电业局,内蒙古临河　015000)

　　摘　要:真空断路器在线监测一直是电力系统十分关注并亟待解决的问题。电磨损是真空断路器在线监测的重要参数之一。真空断路器电磨损主要指灭弧室、灭弧介质和触头的电损耗。通常认为起决定作用的是触头的电磨损。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。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。本文基于影响断路器电寿命的主要因素,论述了断路器电寿命在线监测的多种计算方法及各自特点。

关键词:真空断路器;在线监测;电寿命;算法

　　中图分类号:TM561.2　　文献标识码:A　　文章编号:1006—7981(2012)11—0062—03　　随着电力系统开关设备的无油化进程,真空断路器凭借自身的诸多优点,迅速广泛地被应用于电力系统中。在我国中压领域中,真空断路器已占到80%以上。2000年我国真空断路器的产量已占全部中压断路器产量87.36%,2004年占有率为98.85%。

在真空断路器使用数量迅速增长的同时,由于其维护量小、检修周期长等特点,容易使用户忽略其存在的电寿命问题。而随着时间的推移,首批被应用的真空断路器逐渐步入老龄化,问题日益突显,应当引起足够的重视。

真空断路器具有很长的电寿命,一般满容量开断30次以上,额定电流下开断10万次。影响电寿命的主要因素是电磨损,包括灭弧室、灭弧介质、触头3方面,通常认为起决定作用的是触头的电磨损。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。

本文基于上述各种影响因素,介绍了真空断路器触头电寿命在线监测的各种计算方法及其特点。1　真空断路器触头电磨损在线监测算法1.1　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状况。计算公式为:

N

损情况就相差极大,前者灭弧室已达到烧蚀的极限,

后者灭弧室的烧损情况极其轻微,尽管两者的累积开断电流都为。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,仅在断路器电寿命监测的初期得以应用。

1.2　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。即按Q=∑Ibiti值来考虑灭弧室触头的电磨损比较合理些。试验结果表明:虽然燃弧时间的长短对单次开断是随机的,但其平均燃弧时间则是趋近的,例如次开断和次开断,其平均开断时间差别不是很大,因此在追求比较适合工程应用的值时,省去了时间因数,则计算公式为:

N

Q=

∑I

i=

1

bi

(1<<2)(2)

Q=

i=1

∑I

i

(1)

其中Q为总的电磨损量;I为每次开断电流的有效值;i表示第几次开断;N为断路器总开断次数。

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。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,如次和次,其灭弧室的烧

收稿日期:2012-03-25

其中Q为总的电磨损量;Ib为断路器运行中某一次开断电流有效值为Ib时的电磨损象征量;i表示第几次开断;N为断路器总开断次数。

本方法的重点是权系数的求取。实际中,断路器生产厂家可以提供断路器的开断次数与相应开断电流的关系曲线,即N-Ib曲线,图1示出了有代表性的一组曲线,这些曲线之间在数量上有些差异,但曲线的走势特征相同。对于额定开断电流Ibn相同而额定电流In不同的断路器都表现出:In较大的比较In小的具有长一些的电寿命,这种差异在开断电流较大(0.5Ibn及以上)开断电流区间内则差异明显,如在0.1Ibn式附近,不同In的断路器开关相同电流的开断次数相差大约140%。

此曲线由厂家通过等效开断试验获得,它是以断路器的开断能力来衡量断路器触头磨损及其电寿

　2012年第11期　　　关建平　真空断路器触头电磨损的在线监测算法命状态的。电寿命曲线的相应表达式为NIb=Qg,在曲线上任取两点带入上式即可求得,也可以多算几组求其平均值。由下图可知,当开断电流较小(0.04Ibn以内)时,对应开断次数近似不变,此时为零。

N

t

63

i

Wg=KgWg=KgKw∑∫0ibi(t)dt

i=1

N

t(6)

式中,Kg为比例系数,令K=KgKw,W′g=

i

图1　典型真空断路器曲线

该方法原理简单,只需检测开断电流的有效值

即可,但由于触头电磨损不仅仅取决于燃弧电流,还受燃弧时间的极大影响,因此该方法在原理上误差较大。

1.3　电流热能等效折算法

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:

N

Q=

i∑2=1

Iit

i

(3)

其中Q为总的电磨损量;Ii为每次的开断电流有效值;i为断路器开断次数;N为总的开断次数;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。但实践与开断试验都表明,这种折算法也比较粗糙,不适于工程使用。

1.4　记及燃弧时间的开断电流加权累计法

主要针对方法2.2中没有计及燃弧时间这一缺陷进行改进,分别累计三相触头各自的电磨损情况,同时根据燃弧时间计算每次开断电流的电磨损量。单次开断电流时,磨损量与开断电流有如下关系:

t

w=K∫w

0ib(t)dt(4)式中,w为单次开断的磨损量;Kw为常数,与灭弧介质、冷却条件、触头运动速度等有关;为常数,与触头材料有关,一般在1∶2之间取值;ib(t)为开断电流;t为燃弧时间。由此确定的电磨损总量为:

N

t

∫i

Wg=Kwi∑=1

0ibi(t)dt(5)

因为Kw未知,无法直接用上式计算。为此,假设=(证明见文献[6]

)。断路器允许的电磨损总量仍用Qg表示,Qg和Wg有如下对应关系:

i∑=∫1

0

i

bi

(t)dt,则有:

Qg=KW′

g(7)K=Qg

W′g

(8)

Qg可由法1.2结合电寿命曲线(即找出对应于某一开断电流的开断次数代人法二即可)得出,W′g可由电寿命试验各次开断过程中燃弧期间的电流波

形计算得到。K的具体计算见文献[5]

。这样,在实际监测中断路器累计的电磨损量可以使用下式来计算:

N

t

i

Q=K∑i=∫1

0ibi(t)dt(9)

式(8)中K的求取是基于整个电寿命长度的(Qg和W′g),而不是部分磨损的积累,所以可以认为K是一个平均过来的系数,因此对于一次或几次开断,K并不能完全如实的反映实际开断情况,但是从多次开断的累积效应来看K还是比较合理的。式(9)的合理性比式(2)有了较大提高。1.4.1　燃弧时间的确定

燃弧时间对计算结果影响较大,一般情况下熄弧时间可通过开断电流的过零点确定。问题的关键是不能准确地获得各相触头的起弧时刻,随机性很大,只能根据开断电流瞬时变化的特点确定,目前近似的处理方法有:采用触头开合辅助节点信号,结合开端电流确定,但由于辅助节点有动作延时,使各相燃弧时间偏小。利用磁场信号确定起弧时间,但忽略了三相不同期时间。多台高压断路器同时操作或相继操作时,磁场信号出现重叠,难以确定哪个磁场探头接受的信号是所需要的;高压断路器合闸时也会产生高频电磁辐射,将可能启动触发电路,误累计为开断电流。高压断路器触头在分开时,相电流发生突变(频率变化显著),这时对电流信号进行高速采样,利用小波变换对各相电流信号分析处理,可准确发现产生电流突变的时刻,以此来求取分闸时间、燃弧时间及高压断路器三相的同期性。结合方法和,在假设三个辅助接点延时特性相同的条件下,利用辅助节点计算出三相不同期时间,利用磁场信号确定首开相起弧时间,就可精确地获得各相燃弧时间。但这种方法适用性差,还需额外的磁场传感器,增加了监测量。为减少监测量,同时考虑算法本身的保守性,可利用分闸线圈最大电流出现时刻为起弧时刻,忽略三相不同期性和将触头的超程运行时间作为燃弧时间。此时要求开断电流与分闸线圈电流同步采样。

1.5　用相对电磨损量法

假设一台全新的断路器的触头允许磨损总量为100%,对应其相对电寿命为100%,额定短路开断电

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1.8　信号特征提取法

流下,断路器允许开断次数为,则每次额定短路电流开断时的相对电磨损量为1/N。然后根据不同断路器的N-Ib曲线求得任意大小开断电流Ib对应的等效开断次数N1,则对应每次开断的相对电磨损为1/N1(定义为Qm),则可计算出该断路器的相对电寿命为:

(10)L=LN-∑Qm

式中LN是断路器触头电寿命的初始值,是个小于等于1的百分数,一般对新断路器和大修过的断路器,LN可取为1。当L>0,说明断路器处于正常运行状态;当L≤0,说明断路器急需检修,不能继续运图2　触头间的簇射波形

行。

1.6　模糊综合诊断法

模糊综合诊断法将模糊理论应用于电器设备触头电寿命的在线监测综合评判,为电器设备在线实时监测和智能化开辟一种新的途径。模糊综合评判的主要步骤如下[6]:

1.6.1　评判对象因素集的建立。主要包括影响真空断路器开断电寿命的各种因素如开断电流、开断次数、首开相在三相中的分布均匀度、燃弧时间以及触头材料等。

1.6.2　这是一种新颖的、综合的诊断方法。与单项指标诊断方法相比,该方法更准确、更科学和更完善,它的优越性在于使被评判对象的各种相关联或不相关联的单参数性能指标归一化后成为可比和可量化的量,同时又可以从实时数据采集中实现在线的评判。其不足在于因素集中影响因素很多,如何选(2)隶属函数的确定。由于因素的模糊性及其等级的模糊性,很难把某因素具体规定为某一等级,因此,因素等级集应视为等级论域上的模糊子集。因素等级隶属度的大小主要根据各因素对触头电寿命的作用程度来确定。

1.6.3　建立评判集。建立评判结果好坏的标准。1.6.4　建立模糊综合评判的数学模型。对属于不同层次和类别的对象进行综合评判。为了便于区分各因素在总的评价过程中的地位和作用,较全面地吸收所有因素提供的信息,可以进行多级评判,得出评判结果。

取合适的因素集,没有一个标准,而且评判集的粗细划分也要视具体情况而定。在多级评判模型中,各级划分因素权重集合的选取都是凭经验得出的,准确度不能得到保证。1.7　接触电阻法

众所周知,接触电阻包括收缩电阻和薄膜电阻两部分。电寿命试验过程中因为存在一定的接触压力,一般情况下各种膜会破碎,所以接触电阻主要表现为收缩电阻。收缩电阻的大小与触头的可靠性及电寿命的指标有直接关系,收缩电阻越小,电器触头电寿命指标越高。但是两者之间的具体关系还有待进一步研究。

采集感兴趣的信号波形或图像,用多分辨分析法和小波变换等数学手段对信号进行预处理,提取信号特征,然后利用人工神经网络、专家系统、模式识别(包括指纹识别)等技术进行分类,进而对设备的状态作出评估。目前该方法还在探讨阶段,详细论述尚未见报道。文指出,电弧对电磁继电器触头的反复烧蚀使得触头表面粗糙度发生变化,而触头表面状态与触头簇射电弧波形有密切的内在关系。图2是文检测到的触头间簇射噪声信号,通过提取簇射信号中电流导通时间、导通次数等参数判断触头表面侵蚀状态和已通断操作次数,进而预测电器触头材料剩余寿命。2　结束语

目前真空断路器电寿命在线监测在国内尚未大量应用,其主要的一个原因就在于监测所用的算法尚不能完全反应各影响因素及其之间的关系,如权重等。随着运行实际经验的积累,进一步探索真空断路器电寿命与各参量的关系,进一步修正各参量的权重系数,可使真空断路器触头电磨损的在线监测达到经济化实用化,为真空断路器的状态监测提供科学依据,对维护电网安全运行、提高供电可靠性具有重要意义。

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