发电厂电气自动化中断路器状态在线监测的实现

吕宝英

（同煤集团同达热电公司，山西 大同 037003）

新一代发电厂电气自动化技术（ECS）涵盖了发电厂机组和厂用电保护与监控、网络站监控以及其他的电气自动装置的监控与信息集成，并可以与DCS接口实现一体化控制。目前ECS系统实现的监控功能主要包括模拟量、开关量、脉冲量的采集，开关的遥控，SOE，保护事件，录波，远方通信等，也包括继电保护及自动装置的远方整定管理、防误闭锁及操作票等应用功能。这些功能基本覆盖了运行人员对电气系统的日常操作和管理，但随着监控技术的发展，两项新功能将融入电气监控系统:一项是电气运行的视频监控，另一项是高压电气设备的工作状态在线监测。

本文以高压断路器的工作状态在线监测为例，分析了在ECS系统的监控功能中实现对高压设备，例如断路器的电寿命、机械性能等状态指标的在线监测，从而将对电气系统的紧急控制从故障后保护动作，发展为以发现潜在故障特征为目标的预防性控制，这对于提高发电厂电气设备的安全运行十分有益。

在发电厂的一次设备中，就单台设备而言，断路器是仅次于发电机、变压器的大型电力设备，但就需用数量和所占电站设备的投资大小而言，它又排在二者之前。它的动作可靠性直接关系着系统的安全与稳定，许多重大设备损坏或系统解列停电事故都是开关操作失常所致。

目前，内蒙古兴安热电有限责任公司的高压断路器基本尚处于定期维护阶段，这种传统的计划检修往往造成巨大的人力、财力浪费，并可能对生产造成冲击。采用基于设备工作状态的在线采集监视的状态检修是今后设备维护和检修的发展方向。

所谓“状态检修”就是要通过种种手段对正在运行中的设备进行健康水平的评估或诊断，进而有针对性地采取相应措施，以最大限度地延长设备的检修周期及使用寿命，增强其运行的可靠性。对断路器实施状态检修能减少停电时间，消除不必要的人力、财力浪费，避免因拆装不当所造成的设备事故或人身伤害。

因此，对断路器健康状态的在线监测与诊断是电力工业不可回避的重大课题。同时，也只有在对运行中的大量断路器实施在线监测与诊断，摸索和积累大量第一手资料后，才能制造出智能型带诊断功能的免维修断路器。而推行状态检修的关键在于在线监测系统对设备健康状况的诊断。

在电气自动化系统的测控装置或保护测控一体化装置中增加高压断路器实时状态监测功能是必要的、可行的。其工作原理主要是根据断路器开断电流与开断次数、辅助电路线圈电流和其机械特性等状态信息进行综合判断，以诊断其电寿命状态和常规机械故障。能适用于装有少油或多油、SF6及真空三大类不同电压等级的断路器，能同时对一个系统内所有断路器的触头电寿命及主要机械故障和辅助电路进行实时监测与诊断，实时给出明确的状态信息。该功能可提高断路器运行的可靠性，进而提高电厂运行的安全性，克服定期维修的盲目性，减少检修次数，降低检修费用，最大限度地延长检修周期，提高设备的投运率，为实现状态检修提供科学依据和决策建议。

1 电气监控系统的结构和功能

发电厂的电气部分可分为电气网控部分和机组电气部分（包括厂用电和发变机组保护监控）。其中机组电气部分直接关系到发电厂的生产与运行；网控部分是发电厂与输电网发生联系的部分。发电厂电气监控系统直接完善了DCS/FCS系统的监控范围和自动化程度，该技术的应用将大大提高发电厂运行的自动化水平。电气监控系统的基本功能包括以下几项。

1.1 实现电厂电气自动化（ECS）并完全纳入DCS系统

（1）实现发电厂厂用电自动化，使用保护测控一体化智能装置实现厂用6kV、380V及公共部分的继电保护、监控、信息管理和设备维护，并经ECS系统融入DCS。

（2）实现发电厂网络站自动化（NCS），实现对升压站的监控和远动功能，并实现NCS与DCS的接口（例如，GC部分）。

（3）实现对发变组保护、发变组录波、发电机励磁、同期、电度表等的监控和管理，并经ECS系统纳入DCS。

（4）实现对厂用电快切、UPS、直流系统等的监控和管理，并经ECS系统纳入DCS。

（5）实现在DCS的操作员站上对电厂所有电气部分进行控制和设备管理，DCS系统也可以授权在ECS操作员站上实现电气操作。

（6）实现电厂电气系统的防误闭锁及操作。（7）实现电气设备工作状态的在线监测。

1.2 断路器的在线监测目前断路器在线监测的主要内容包括以下四个方面

（1）触头电寿命。

（2）操作回路的完整性。

（3）绝缘特性。

（4）机械特性。

1.3 目前技术所能满足的在线监测和状态评估要实现对断路器及气体绝缘组合电器（GIS）的电气和机械性能的在线监测和状态评估，目前的技术能够实现以下几项。

（1）断路器触头磨损的评估，即触头的电寿命。下文将详细讨论触头电寿命的计算。

（2）断路器机械故障的评估。机械特性的停电、不揭盖的测量已较为成熟，但在线监测难度较大。采用在线监测方法应考虑其得失利弊及经济性。电气回路的完整性可以在保护装置中实现。

（3）真空泡的真空度的测量。目前仅仅停留在对原理的探讨上，如果一定要实现在线监测，尚无经济而安全的方法。

（4）目前，在线监测GIS机械振动或局部放电已有望实现。

2 断路器触头电寿命的分析方法

发电厂内断路器的状态监测通常包括真空、SF6、少油或多油断路器三大类不同电压等级的断路器。对断路器电寿命的诊断传统方法是累计开断电流和开断次数。但当被测电流相差很大时，因烧损机理不同，同样的累计电流量所造成的灭弧室烧损量却相差很大。仅考虑累计开断电流和累计开断次数是不够的，合理的办法是把开断电流的大小、每次累计触头烧损量作为电寿命判别的依据。

2.1 断路器电寿命的检修判据

通过对少油、SF6和真空断路器电磨损的分析可知，断路器每次开断电流时都会产生电弧，电弧是使断路器电气寿命减少、电气性能劣化的直接原因，其中断路器触头的烧损是断路器电寿命减少的决定性因素，触头的电磨损又取决于开断电弧的能量，即开断电流和燃弧时间。大量试验及运行经验证明，虽然燃弧时间的长短对于单次开断而言是随机的，在一定范围内变化，但当开断次数达到一定值后，其平均燃弧时间则是趋近的。也就是说，从断路器电磨损累计效应和统计平均的角度看，随机因素对燃弧时间分散性的影响是可以忽略不计的，只用开断电流作断路器的电磨损标示是可行的。

笔者认为，利用触头磨损公式直接计算每次开断的磨损量，并累计，把触头累积磨损量作为判断断路器电寿命的标示量，是目前较为科学的方法。

从各种规范标准及推导的电磨损公式和曲线中，断路器触头的电磨损量m是一个绝对量，与燃弧电流有关。但由于断路器生产厂家并不提供其断路器的总允许磨损量和触头磨损公式，所以无法以它来判断断路器的开断后触头的实际磨损量与当时的电寿命状态。实际中，断路器生产厂家提供的是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。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命状态的。

因此，采用相对电磨损和相对电寿命的概念，以便利用N-Ib曲线来标示断路器触头的磨损情况与电寿命状态。

设额定开断电流下单次开断的电磨损为M，其对应的允许开断次数为N，从统计平均和累计效应的角度看，可认为断路器的允许总磨损量为N×M；同样，设任意开断电流下单次开断的电磨损为m，根据断路器厂家提供的N-Ib曲线，可知任意大小开断电流所对应的允许开断次数Nb，则断路器的允许磨损总量也可表示为Nb×m。

引入相对电磨损的概念，可得到断路器在任意开断电流下开断的单次电磨损量相对于触头允许磨损总量的相对磨损量为：

也就是说，只要测得了断路器的实际开断电流，通过N-Ib曲线就可得到相应的允许开断次数，进而也就得出了以相对值表示的本此开断引起的触头磨损量。

2.2 断路器的机械寿命的监测

断路器机械寿命的在线监测由分布式的保护测控装置监测断路器的分合闸线圈的电流波形进行分析判别。分合闸线圈是控制断路器动作的关键元件，应用电流传感器可以方便地测出其电流波形。

采用上述算法可以在测控装置或保护测控一体化装置中实现对断路器的在线监控功能，从而在ECS系统中增加电厂电气设备的状态监控。

3 结论

在发电厂电气自动化系统中增加关于高压电气设备的工作状态在线监测功能是电气监控系统的发展方向，无论是发电厂的电气监控还是输电网的电气监控都努力增加对事故的预防性监控措施，其中关于高压电力设备的工作状态的在线监测是一项相对独立的监控技术。

本文讨论了如何在发电厂电气监控系统（ECS）中实现断路器的工作状态在线监测功能，本文详细讨论了断路器的触头电寿命的在线估算以及断路器机械性能的在线分析，探讨了利用现有的分布式保护测控装置，通过增加传感环节，利用算法实现对断路器状态的在线监测，从而使ECS能够监测并管理电厂电气设备的寿命，并最终实现状态检修。这对于提高发电厂电气设备的安全运行十分有益。