真空断路器状态评价及寿命评估

唐懿芳 侯瑞云 钟达夫

（1.广东科学技术职业学院计算机工程技术学院（人工智能学院），广东 珠海 519090；2.珠海伊能电子科技有限公司，广东 珠海 519085）

0 引言

真空断路器作为电力系统中的重要设备，它的运行状态受随机性和模糊性因素影响，比如自身质量、检修维护、运行环境等。为了实现对真空断路器寿命的准确评估，就必须充分考虑随机、模糊双重不确定性的影响[1]。

断路器运行状态的随机性和模糊性影响因素主要有以下方面：

（1）机械因素：包括不同期合分闸、合分闸时的速度等参数。机械因素直接影响断路器的稳定性和可靠性。

（2）开断磨损因素：包括断路器开断次数、开断时的电流和电流燃弧时间。开断性能是断路器的关键技术指标，断路器通过的负荷电流在其正常运行时要比短路时小很多，而断路器是按保证安全开断一定次数的短路电流设计的。断路器合分闸动作时，动触头和静触头之间碰撞及摩擦，引起断路器触头的形状改变及材料损失，造成机械磨损[2]。一般情况下，影响断路器开断性能的主要因素不是断路器触头的机械磨损，而是短路电流的大小和开断次数。断路器快速切断短路电流时会产生超强的电弧，断路器触头表面被电弧高温烧蚀，造成触头的金属材料减少和形状改变的结果，称之为“电磨损”[3]。电磨损会影响断路器灭弧室灭弧时的性能。

（3）用于变电站的真空断路器，存在电寿命缩短、回路电阻变大、过电压等问题，作为变电站高频切换设备使用的断路器，较常规使用的断路器动作更为频繁，供电公司往往采用定期检修的方式来保证真空断路器的可靠运行。统计显示，维修断路器时，因为维修技师技术及维修工艺问题，拆卸和安装又会造成新的隐患，维修费时、费钱，不正确的维修可能导致维修费额外增加10%。在有些地区，对断路器的例行检修和小修占了电力设备维护费的很大部分。

所以，从经济性和安全性两方面考虑，制订一套全新的检修方案刻不容缓。

1 真空断路器寿命分析

真空断路器寿命包括储存寿命、机械寿命和电寿命，如图1所示。

图1 真空断路器寿命构成图

（1）储存寿命，一般为20年。

（2）机械寿命，以开断次数计算，可以高达上万次。

（3）电寿命，由开断电流的次数和开断时的电流大小共同决定，短路时的开断电流次数仅为机械寿命的千分之几。机械寿命和电寿命比较，由较小的决定断路器寿命。断路器实际运行数据表明，机械寿命比电寿命长。

2 真空断路器电寿命计算及评估方法

由于不同电流下断路器触头的烧损与电流的大小并不遵从线性比例关系，文献[4]应用模糊理论，提出断路器电寿命的判断方法。影响电寿命的主要因素有：首开相的燃弧时间、后开相的燃弧时间、开断速度、开断时间等。在一定条件下，燃弧时间起着决定性的作用。基于此，使用计及燃弧时间的加权评估法，公式如下：

式中：C为常数（根据断路器的型号不同而不同），与断路器的灭弧介质、触头速度有关；β为常数，与触头的材质等有关；t为燃弧时间；it为开断时瞬时电流。

该方法因充分考虑到断路器触头的材质、灭弧介质、燃弧时间及在投切瞬间瞬时电流各个因素对断路器触头的影响，可以较准确地判断断路器电寿命。

断路器开断过程中：

（1）三相断路器触头不同步开断，造成A、B、C三相燃弧时间差异化。

（2）三相瞬时工况不同，所以断路器开断电流也不相同。

（3）需要获得在燃弧时间内每相开断电流的波形，才能计算出断路器电寿命。

（4）每台断路器A、B、C三相需独立测量。

在断路器开断期间，波形奇异点位置标记为起弧时间，电弧熄灭时间记为灭弧时间，两者之差即为燃弧时间。

不考虑直流分量的影响，正常状态下断路器一次暂态电流只含有周期分量，且频率稳定。当断路器接到开断命令、触头开始分离时，生成电弧。根据电弧的特性，其可以等效为一个非线性电阻，阻值随着电流的增大而减小，这是电导率随电流增大而急剧增大，电弧截面也随之增大的缘故[5]。因此，在产生电弧的时刻，暂态电流会产生一定程度的畸变，幅值变化的同时引入一些高频分量，如图2所示，这一特点为确定燃弧时间提供了机会。电流过零点的时刻即为电弧熄灭时刻，可以方便得到，而奇异点的位置就是起弧的时刻，电弧熄灭时刻与起弧时刻之差就是燃弧时间，从而为计算开断电磨损补齐了未知的参数。

图2 燃弧电流示意图

3 断路器最优检修及更换策略

3.1 断路器的维护

断路器的最优运行维护及更换策略就是降低投入的一次性平均成本和周期性的年均成本，而降低这两项成本的共同要点就是做好断路器的运行维护管理。

通常，断路器的维护主要有以下几种形式：

（1）定检维护。按一定周期对设备进行测试、检查，并根据测试结果进行诊断，调整、修复和更换个别零件，保证设备处于稳定可靠状态。

（2）消除设备故障和缺陷，将设备恢复到正常状态。

（3）技术改造和修理。技改修理是设备维护工作中耗费成本最多的一种维修方式。

然而，随着电气设备数量和定检工作量逐年增长，缺陷数量也逐年增加，致使周期性投入重复进行，耗费较高。因此，基于全寿命成本周期的最优断路器运维管理及更换策略需要在以下几方面进行加强：

（1）完善设备管理标准。从变电站安全可靠性考虑，对可靠性要求较高的点，采用性能较高的设备；对重要性一般的点，采用性能一般的设备。

（2）开展状态检修。通过寿命状态评估工具对断路器的运行状态进行评价，了解设备的运行状态。

（3）优化设备检修管理。在对高压断路器寿命状态进行准确评估的基础上，对传统的设备检修管理工艺、方式方法进行优化升级，改进检修工艺、方法，减少关键检修步骤上所消耗的作业时间。

3.2 寿命监测预警

真空断路器电寿命监测系统由传感器、采集器、通信网、合并单元、数据库系统组成，如图3所示。

图3 真空断路器电寿命监测系统示意图

该系统基于光电传感器、高速处理芯片及光电转换技术，通过前面提到的算法，计算断路器剩余的电寿命，并与初始寿命进行比较，给出检修的建议。因此，可以根据该系统的统计结果，科学地安排设备检修周期，避免断路器因为未能及时检修而导致的电网事故；同时相对于固定周期检修方式，这样也降低了维修成本。而且，该系统可以作为断路器设备实现状态检修的一个重要依据，为推动状态检修工作奠定基础。

4 解决方案

4.1 真空断路器寿命监测预警系统

真空断路器寿命监测预警系统由传感器、采集器、合并单元及后台预警软件组成，如图4所示，可实时在线监测断路器开断及关合瞬时电流值，结合预警系统软件算法实现对高压断路器开断次数及电寿命的实时在线监测；控制和数据处理中心作为后台软件，是断路器电寿命计算及人机交互的中心。软件实时监控真空断路器，收集监测断路器处大电流，实时计算电寿命的损耗，将计算结果储存在数据库，具备多种方式的预警和查询功能。

图4 系统结构图

其中的采集器是系统的关键部分，负责关键数据的采集和传输。采集器实时监控断路器，记录断路器断开、闭合状态信息，确定采集断开、闭合瞬时电流值信息，如图5所示。

图5 采集器结构图

采集器将采集的信号进行A/D转换，并将经过处理的数据传输到合并单元，进而传输到工控服务器进行分析处理。

4.2 实施实例

基于以上讨论，在某变电站进行了相关试验，该变电站一个主变是星转三角的变压器，通过加装在主变低压侧（10 kV）的一组光电传感器（每相一个，共三个）测量出主变出线电流，系统实时记录5 min的电流数据。在高压断路器发生短路开断的情况下，采集系统收到断路器变位信息自动识别断路器位置，并自动存储，计算出此时刻断路器的短路开断电流，从而计算出这个断路器的剩余电寿命。

为了降低传输信号失真，采用光纤传输信号，最后供监测系统进行数据处理和分析。现场安装图如图6所示。

图6 现场安装图

经过现场验证，该系统可靠监测电流范围为100 A～20 kA；误差为5P/20。图7为2021年底实际监测数据，具体如表1所示。

图7 系统界面图

表1 实际监测数据

该寿命监测预警系统于2020年3月份试验投运以来工作可靠，已为其中一台断路器的实际检修提前发现故障，提供了大量前期数据和检修依据。

5 结语

使用状态监测系统对断路器寿命进行监测，将从根本上突破断路器剩余寿命盲区，切实保障断路器剩余寿命预警功能的发挥；减少和消除断路器拒动，提高电网可靠性水平，并能够提高断路器在线监测设备的应用效果和经济效益，提高设备的可用率；延长设备的检修周期，有效降低电网的运行成本；防止重大事故的发生；实现对真空断路器寿命的实时监测，方便通过物联网对数据进行查询。