基于电弧功率的断路器触头磨耗状态分析

熊建军

（湖南长高高压开关有限公司，湖南 长沙 410219）

断路器是保证电网系统实现安全可靠运行的关键，其运行状态的好坏直接影响整个系统的安全水平。断路器的主要作用是实现电流的开端。对于整个电力系统来说，当故障发生时，断路器可以实现如过负荷电流、短路电流等故障电流的开断，从而实现对电网系统的有效保护。因此，稳定有效的断流能力是衡量短路器质量的关键，断路器实现断流的关键是其灭弧结构的存在。目前，电力系统中较常见的断路器主要有六氟化硫断路器（SF6断路器）、压缩空气断路器、真空断路器等，不同的短路器由于具备各自的特点，因此，都有一定范围的应用。

由于断路器的重要性，准确获取其工作状态是目前研究的热点和重点。近年来，国内外科研人员开展了一系列有关断路器工作状态评估、寿命预测的等相关的研究工作，其中，如何准确获取断路器触头的磨耗情况是较重要的研究内容。传统计算断路器触头电磨损的方法一般为基于设备所开断的电流的大小以及开断次数，该方法虽然监测的指标简单，较易实现，但是，由于未考虑燃弧发生的时间、故障相和非故障相之间开断的电流不同等因素，计算的误差一般偏大，无法达到相关安全评价标准的要求，只能用于简单的、安全性要求不高的电力系统。断路器磨损一般分为机械磨损和电气磨损，由于磨损状态的多变性，因此，目前在线实时监测的方法也得到了大量应用，其中主要的方向有监测断路器开始分闸开断电流时，电弧开始起弧的时间，以及对断路器触头表面平滑度进行监测，断路器触头的机械特性进行在线监测等。此外，基于估算电磨损量和开断电流加权累计法估算电磨损量的方法也较为常见。

随着国家电力系统的快速发展，高压、特高压等应用愈加广泛，因此，如何更加智能、准确地实现断路器触头磨耗状态的获取，对于保障电力系统安全，助力国家电力系统的发展意义重大。本文重点分析了断路器触头磨耗状态的分析方法，首先，对触头的相对电磨损与相对电寿命的关系进行了介绍，分析了传统的基于开断电流累计次数的电磨损量计算的方法的不足，针对以上问题提出了一种基于电弧功率的断路器触头电磨损状态评估方法。仿真结果表明，该方法具有较好的应用效果。

1 基于电弧功率的触头电磨损状态分析

目前，较为传统和简单的断路器触头磨耗状态监测中，一般只是对于某一型号断路器开断固定大小的电流，当断路器开关达到了一定次数后，再对其进行计划维修。该方法的弊端是在断路器整个工作过程中，实际上发生开断满容量的额定短路电流的情况较为少见，大部分情况下，造成短路器触头磨损的原因是燃弧电气磨耗，只针对开关次数进行评价，并不能真实有效地反映断路器触头的磨耗状态，该方法虽然简单，但是，容易造成大量人力资源的浪费，且由于无法实时获取断路器的工作状态，从而造成一定的安全隐患。因此，只针对开断额定短路电流的开断次数去评价一台断路器的电寿命是不科学的，且无法满足大规模电力系统的稳定性要求。

针对以上问题，本文在充分总结现有方法的基础上，提出了一种基于电弧功率的短路器触头磨耗状态分析方法，该方法以获取断路器工作状态下触头两端的瞬时功率为基础，通过实时分析断路器触头的磨损量，实现对断路器磨耗状态的监测。断路器工作状态下，触头两端的瞬时功率值可由断路器端子上的瞬时电压V(t)和通过断路器的瞬时电流I(t)计算得到，其计算公式如下所示：

由公式可知，当断路器在工作状态中，无论出于打开或者闭合状态，断路器两端的功率值总是保持为0，但是，短路器产生电弧反应时功率的消耗是以光、热等形式存在的，因此，断路器在工作中两段功率是不为0的，断路器产生电弧时的功率损耗等于断路器两端测得的功率值，这个功率值为电弧功率。基于电弧功率的短路器触头磨耗状态分析方法一般分为电弧功率获取、状态监测报警标准确定、累积电弧能量的计算等。各步骤具体实施方法如下：

（1）电弧功率获取。电弧功率的获取通过采集短路器端子的瞬时电压和电流获取，计算公式如下：

式中，VCB为断路器两端电压，iCB为断路器的电流瞬时值，s为采样指数，代表采样点为第s个TS周期，为采样周期。

（2）状态监测响应值。断路器状态监测的响应值可初步确定基于电弧功率的阈值，计算方法如下：

式中，nbr为产品说明书规定的断路器额定电流允许开断的次数，k为电弧功率的加权系数，Ei为断路器每次开断的电弧能量的估算值。

（3）累积电弧能量。累积电弧能量的计算方式为将每次断路器启动操作后测得的电弧放电功率进行积分或累加，其计算公式如下所示：

式中，m为断路器启动操作次数。

最后，通过比较每次断开过程中累积电弧能量与状态监测阈值，可以确定状态监测算法的报警标准，如式（5）所示：

系统出现报警的标准为短路器当断路器任一相的累积电弧能量超出预设的阈值时。通过该算法，可实现断路器触头磨耗状态的实时监测，该方法准确地实现了电气磨耗状态的监测。当累计磨耗量达到规定限值后，对断路器进行维修检查，一方面。可以有效减少维修工人的工作量，提高工作效率；另一方面。可以实现集中规范管理，确保电网系统的长久安全运行。

2 仿真分析

针对上述提出的基于电弧功率的断路器触头磨耗状态分析方法，通过建立近区故障线路仿真模型对方法的有效性进行仿真分析。选用单相系统对相应的短路故障进行仿真，系统的采用20kV的交流电压源，线电压为35kV，为真实有效地还原实际电网系统，同时，在系统中加入工频电抗、暂态恢复电压控制支路和电源侧时延电容。利用Matlab/Simulink仿真软件进行仿真，图1为具有断路器的35kV短线路故障模型仿真电路图。

仿真采用的断路器规格参数为：额定电压40kV，额定电流1200A，额定功率50MVA。

图1 35kV故障线路模型图

额定断开容量1250MVA，额定频率 50/60Hz，额定开断电流（均方根）20kA，额定关合电流（峰值）50kA。故障电路模型中使用的电路元件参数为：R1、R2、R3、R4的电阻值分别为0.15Ω、100Ω、0.2Ω、0.5Ω；C1、C2、C3、C4分 别 为 0.5μF、0.02μF、1.8nF、1.2nF；L1、L2分别为11mH、1μH。

采用本文提出算法，断路器额定电流在40ms时开断的状态响应曲线如图2所示。由图2可以看出，断路器在稳定运行、开断的瞬态过程以及开断等情况下电压电流信号、采样得到的电弧功率值及累积的电弧能量，断路器开断起弧时间为5ms，断路器触头断开次数达到10000次的累积电弧能量达到了1.4355（pu.ms）。在40ms时，断路器开断故障电流，电流信号经过暂态过程后，在45ms时变为0，与此同时，电弧功率值也随之等于0。在断路器开断电弧的5ms时间段内，累积电弧能量逐渐增加，最终达到了1.4355(pu.ms)并维持不变，直到完成一次故障的开断。该方法能够有效过去短路器实际工作过程中的关键参数，实现对断路器触头磨耗状态的有效实时监测，累积电弧能量具有良好的状态保持功能，从而可以实现相关超限报警功能。

图2 开断断路器额定电流的响应图

3 结语

准确地获取断路器触头磨耗状态，对于保障电力系统安全，助力国家电力系统的发展具有积极意义。本文以目前断路器触头磨耗状态获取为切入点，综合分析了传统断路器寿命管理的不足，提出了一种基于电弧功率的断路器触头磨耗状态分析方法，并建立了仿真模型，计算了同一型号断路器在同一线路40ms时开断额定电流的响应情况，通过分析燃弧时间、累积电弧能量等指标去评价断路器触头电磨损程度，仿真结果表明，该方法具有较好的应用效果。