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1 斷路器在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
斷路器的動作可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。以往多采用離線例行試驗對斷路器運行狀態(tài)進行判斷,預(yù)防性試驗及計劃檢修存在盲目性大、費用高等缺點,并且頻繁的操作及過度的拆卸會降低斷路器動作的可靠性。隨著用戶對供電可靠性要求的不斷提高,及時了解斷路器的運行狀況,掌握其變化趨勢顯得尤其迫切。
與變壓器、避雷器及電容性設(shè)備相比,斷路器在線監(jiān)測技術(shù)起步較晚。20世紀(jì)90年代,美國、日本開始研究斷路器的狀態(tài)監(jiān)測,美國學(xué)者率先給出斷路器壽命與開斷電流的關(guān)系,提出“滅弧觸頭電壽命”的概念,同時還提出了“全工況跳合閘回路完整性監(jiān)視”的概念,此時的研究工作主要是圍繞著斷路器狀態(tài)檢修進行。
2001年國際電氣工程師協(xié)會開關(guān)設(shè)備委員會出臺的標(biāo)準(zhǔn)指出,斷路器檢測方法應(yīng)分為5個步驟,即: (1)故障類型分析; (2)選取合適的監(jiān)測對象來發(fā)現(xiàn)最可能發(fā)生的故障; ( 3)對設(shè)備可能發(fā)生的故障進行風(fēng)險分析; ( 4)進行利益分析來確定是采用在線監(jiān)測還是周期檢測; ( 5)制定方法。
在上述標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下,根據(jù)國內(nèi)外多年的運行故障統(tǒng)計和國內(nèi)外一些在線監(jiān)測的運行經(jīng)驗,斷路器在線監(jiān)測的內(nèi)容有: ( 1 )合、分閘線圈回路; (2)合、分閘線圈電流; (3)合、分閘線圈電壓;(4)斷路器動觸頭行程; (5)斷路器動觸頭速度;(6)開斷電流; (7)斷路器的操動次數(shù)統(tǒng)計; (8)斷路器操動過程中的機械振動; (9)合閘彈簧狀態(tài);(10)導(dǎo)電接觸部位的溫度; ( 11)絕緣狀態(tài); ( 12)SF6 斷路器的氣體密度; ( 13)真空斷路器的真空度。
上述監(jiān)測項目從不同角度反映斷路器的狀態(tài),在實際應(yīng)用中,可以有選擇性的選取部分參量做為監(jiān)測內(nèi)容。
2 關(guān)鍵參數(shù)選取及分析方法
(1) 高壓斷路器行程—時間特性的在線監(jiān)測
高壓斷路器在分、合閘過程中,動觸頭的運動行程規(guī)律與主軸連動桿的合、分閘速度特性一致,可通過位移傳感器連結(jié)在主軸連動桿上監(jiān)測開關(guān)動作的行程- 時間特性,可提取各種機械特性參數(shù)(行程、開距、超程及剛分剛合速度等) ,并分析其變化可發(fā)現(xiàn)較多機械故障隱患,并可預(yù)測可能的故障部位。但是目前由于高壓斷路器位移傳感器的安裝存在很大障礙,建議在中壓斷路器上可采用此方法。
(2) 高壓斷路器分、合閘電磁鐵線圈電流的在線監(jiān)測
分合閘線圈是控制斷路器動作的關(guān)鍵元件,應(yīng)用霍爾元件電流傳感器可方便地監(jiān)測多種信息的分、合閘電流波形。高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級控制元件,以直流為控制電源。直流電磁線圈的波形中包含著重要的信息,一定程度上可以彌補位移傳感器無法安裝的不足。
(3) 主操作桿上機械負(fù)載特性的在線監(jiān)測
不同類型的斷路器有不同的機械負(fù)載特性,分、合閘過程中力—行程特性的變化是斷路器工作狀態(tài)變化的主要表征。監(jiān)測主操作桿上機械負(fù)載特性可提供剛分剛合時刻、觸頭接觸壓力,還可反映連桿松動、斷裂、卡死、斷路器機械負(fù)載持性與操動機構(gòu)輸出特性之間的配合情況。
(4) 振動信號的在線監(jiān)測
斷路器操作過程中機械零部件間的撞擊或摩擦?xí)鹫駝?對于同一高壓斷路器同種狀態(tài)下的重復(fù)操作過程,外部振動信號在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。機械振動波形是由一系列衰減的正弦波組合而成的,外部振動響應(yīng)的幅值與沖擊力的大小成正比,振動的頻率及衰減時間常數(shù)與高壓斷路器的機械結(jié)構(gòu)有關(guān)。斷路器傳動機構(gòu)的監(jiān)測針對斷路器分合動作時其機械振動進行。首先錄下斷路器正常狀態(tài)下的機械振動“指紋波”,斷路器傳動機構(gòu)出現(xiàn)卡澀、斷裂、松動等問題,其振動事件頻率和時間會發(fā)生改變;另外,分合動作撞擊力度的改變也直接影響振動信號的幅度。傳動機構(gòu)異常的分合振動波形是與正常狀況的分合振動波形有明顯區(qū)別的。振動信號可以反映斷路器的機械狀態(tài)。其最大優(yōu)點是不涉及電氣測量,傳感器安裝于外部,對斷路器無任何影響。
(5) 儲能電機的在線監(jiān)測
對儲能電機的監(jiān)測針對儲能電機的日儲能次數(shù)、單次儲能時間長短。如果儲能周期縮短,單次儲能時間變長,則說明儲能系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了問題,如油路或氣路發(fā)生泄漏、儲能電機出力不夠管路不暢等。如油泵打壓頻度增加或彈簧儲能不到位等來預(yù)告儲能系統(tǒng)液壓油不清潔、閥口密封破壞及泵系統(tǒng)異常、彈簧機構(gòu)狀態(tài)異常等故障。
(6) 相對電壽命診斷方法
[$page] 對斷路器電壽命監(jiān)測是建立在觸頭累計磨損量模型基礎(chǔ)上的。根據(jù)I—N曲線擬和的計算公式,按單次開斷電流累計觸頭磨損量。在計算開斷電流的同時,根據(jù)輔助觸頭與開斷電流波形,計算出燃弧時間,則ΣI2 t可以定量計算。通過對累計觸頭磨損量, ΣI2 t的監(jiān)測來判斷電壽命是目前比較通用的方法。但具體絕對磨損量的計算涉及到觸頭材料、工藝、絕緣材料、動作電壓電流及滅弧室結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響,因此根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢分析原理應(yīng)采用相對磨損量的概念來標(biāo)定斷路器的電壽命。
3 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在斷路器在線監(jiān)測上的擴展研究
本文根據(jù)特高壓斷路器在線監(jiān)測的特征量,采用CIM /C IS方法在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上進行信息建模和服務(wù)建模。首先對斷路器在線監(jiān)測的特征量進行研究和分析,深入理解特征量在高壓現(xiàn)場環(huán)境中表現(xiàn)出的特征和規(guī)律,然后對所建立的信息模型作擴展,對具體的邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)節(jié)點進行分析研究,創(chuàng)建合適的LN 類。具體包括模擬量數(shù)據(jù)建模、控制數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)描述及GOOSE模型分析等。最后應(yīng)用新興的、復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理方法引入對斷路器的診斷,如用模式識別和分類的數(shù)學(xué)模型,通過大量無電流操作及模擬故障試驗訓(xùn)練識別系統(tǒng),從所測數(shù)據(jù)辨認(rèn)參數(shù)的變化。
IEC61850規(guī)范了數(shù)據(jù)模型、服務(wù)以及建模方法。本文基于面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷牒头謱哟蔚目傮w原則對斷路器設(shè)備建模進行研究。
同一個功能對象相關(guān)的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)屬性,建模在該功能對象中(包括對該對象的擴展) ;多個功能相關(guān),或全系統(tǒng)功能相關(guān)的數(shù)據(jù),建模在公共的邏輯節(jié)點或者邏輯設(shè)備中。
(1) 物理設(shè)備的建模
一個斷路器設(shè)備即一個IED,應(yīng)建模為一個裝置對象。該對象是一個容器,應(yīng)包含服務(wù)器對象,服務(wù)器對象中應(yīng)包含至少一個LD對象,每個LD對象中應(yīng)至少包含3個LN對象。
(2) 邏輯設(shè)備的建模
按功能劃分邏輯設(shè)備類型,有以下幾種類型:公用LD、測量LD、保護LD、控制及開入LD、錄波LD等。在不影響正常功能的條件下,不劃分過多LD。
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