抽水蓄能机组出口断路器电气寿命评估方法研究

梁睿光，陈 鹏，吕鹏飞，王丁一，李晟宇

（辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁省丹东市 118000）

0 引言

抽水蓄能机组出口断路器（Generator Circuit Breaker，GCB）是保证抽水蓄能机组正常启停的开关设备，GCB的电气寿命决定其正常运行周期，因此，对GCB电气寿命进行评估，判断其使用状态显得尤为重要。

GCB开断电流是其弧触头磨损量的决定因素，以GCB开断电流为研究对象分析断路器电气寿命也是常用的电气寿命评估方法。文献[1-2]使用累计开断电流法评估断路器电气寿命，但该方法灵敏度低，评估GCB电气寿命误差较大。文献[3-5]根据开断电流数值赋予不同加权系数，使用累计开断电流加权系数法评估断路器电气寿命，该方法相比累计开断电流法，评估精度更高，但测量程序显得烦琐，也因为测量装置的安装，增加了设备成本。

本文通过分析GCB电气寿命评估方法，并结合某抽水蓄能电站机组电动工况停机过程开断电流的研究，选取更适于某抽水蓄能电站GCB电气寿命评估方法，根据优化停机过程前后的开断电流大小对GCB进行了电气寿命评估。

1 基于Nk-Iki寿命曲线的相对电寿命法

对某类型的SF6断路器进行大量的开断试验，根据实验数据分析得到针对该类型SF6断路器电寿命的经验公式，称为Nk-Iki寿命曲线[6-7]。基于Nk-Iki寿命曲线的相对电寿命法根据不同类型断路器特定的等效开断电流和等效开断次数曲线，提出用相对电寿命的概念来进行断路器电气寿命评估。

Nk-Iki寿命曲线即相对开断电流Iki/Ie与等效开断次数Nk/Ne之间的关系，也称为等效触头损耗定律，Nk=f（Ie/Iki）。触头损耗定律定义以开断一次0.5Ie的电磨损作为参考，获取不同开断电流与触头烧损量之间的折算关系。当Iki＜0.35Ie时，与开断一次0.5Ie产生的电磨损相当的小电流Iki的等效开断次数Nk：

当Iki≥0.35Ie时，与开断一次0.5Ie所产生的电磨损等价Iki的等效开断次数Nk：

若以开断电流值为Ie的允许开断次数作为参考，当Iki＜0.35Ie时，与开断一次0.5Ie产生的电磨损相当的小电流Iki的等效开断次数Nk：

当Iki＜0.35Ie时，与开断一次Ie产生的电磨损相当的小电流Iki的等效开断次数Nk：

图1是根据触头损耗定律Nk=f（Ie/Iki）得出的Nk-Iki曲线。

图1 Nk-Iki寿命曲线Figure 1 Nk-Iki life curve

根据Nk-Iki寿命曲线可以得知断路器任意开断电流所对应的等效开断次数。定义GCB的额定开断电流为Ie时，额定开断次数为Ne，则单次开断GCB的相对电磨损为1/Ne，当开断电流值为任意Iki时，等效开断次数为Nk，则单次开断GCB的相对电磨损为1/Nk。若：

由能量守恒定则，有：

断路器剩余的相对电寿命为：

式（5）与式（6）中的Qe、Qk皆表示GCB单次开断的电磨损量，L0为GCB总允许磨损量，0≤L0≤1，对于全新的GCB，L0取值为1。

基于Nk-Iki寿命曲线的相对电寿命法与其他评估GCB电气寿命的方法相比，存在以下优点：

（1） 适用于任何类型SF6断路器的电气寿命评估。

（2） 评估参量为GCB开断电流，数据采集简单易行，便于现场评估。

（3） 可根据任意开断电流计算其等效开端期数，可精确计算GCB的电气寿命。

（4） 可计算每次开断对GCB弧触头引起的相对电磨损，及时反映GCB的使用情况。

2 抽水工况停机过程GCB开断电流仿真分析

通过对抽水工况停机过程的仿真研究，收集GCB开断时刻的电流有效值，可对GCB的电气寿命进行评估。图2为抽水蓄能机组的仿真模型。该仿真模型主要由同步电机、励磁系统、水轮机、GCB等组成，通过模拟抽水工况下抽水蓄能机组停机过程收集GCB开断电流数值。本次仿真用到的相关数据由某抽水蓄能电站提供。

图2 抽水蓄能机组仿真模型Figure 2 Pumped storage unit simulation model

为了采集不同的开断电流数值，通过调节水轮机导叶开度y（0≤y≤1）值，使其值分别为0.26、0.2、0.15、0.1，仿真得到停机时刻GCB开断电流值见表1，为了消除仿真试验的偶然性，导叶开度取值为0.26、0.2、0.15、0.1时，分别进行100次重复试验。

表1 GCB开断电流值与开断次数Table 1 GCB’s switching current value and switching times

仿真实验选取的GCB额定开断电流为15kA，额定开断次数为1300次，根据Nk-Iki曲线，可计算得出导叶开度分别为0.26、0.2、0.15、0.1时GCB的等效开断次数以及相对电磨损见表2。

表2 GCB等效开断次数与相对电磨损Table 2 GCB′s equivalent breaking times and relative electrical wear

根据表2可知，当导叶开度为0.10或者0.15时，GCB的开断磨损很小，若GCB每次的开断电流低于289.19A，则GCB的开断次数可以接近机械开断次数20000次。根据表2，GCB的剩余相对寿命为：

由L＞0可以判断该GCB处于正常运行状态，且此时GCB的电气寿命损耗已达2%，当L接近于0时，则意味着该GCB需要检修或更换。

3 结束语

本文以开断电流为研究对象，分析了基于Nk-Iki寿命曲线的相对电寿命法，并结合某抽水蓄能电站抽水工况停机过程仿真分析，得出导叶开度分别为0.26、0.2、0.15、0.1时GCB的开断电流值，使用相对电寿命法对GCB进行电气寿命评估，计算得到GCB的剩余电气寿命为0.998，表明GCB处于正常运行状态。