断路器弧触头寿命在线监测分析系统

断路器弧触头寿命在线监测分析系统

苏再刚朱瑞超蒋立斌郭伟华

（深圳供电局有限公司广东深圳518000）

摘要：本文主要是通过对高压断路器弧触头寿命引入模型，将开断次数和短路电流作为模型中重要指标元素，模型算法作为断路器弧触头短路开断寿命在线监测分析系统的基础部分，将此系统内置于厂站综合自动化监控系统中作为子系统运作，在电网发生故障时，子系统软件通过读取保护装置中断路器的开断次数和短路电流，并自动分析计算出断路器弧触头的运行寿命，当断路器达到运行寿命的设定值时，将自动告警提示运行人员及时进行检修维护。

关键词：断路器；弧触头；在线监测

前言

高压断路器是保护电网安全的最重要设备之一。在当前的技术水平下，断路器不能无限次开断。当达到断路器的运行寿命时，需要进行开关机构维护或者大修，否则断路器在断开短路电流或者合上负荷电流时，可能出现故障，这将极大地影响电网的安全稳定。

目前，国内外在断路器弧触头寿命在线监测方面的研究还是空白。国内的断路器运行维护主要通过抄录断路器开断次数、红外测温等人工现场维护手段，随着智能变电站的飞速发展，这种低效的工作方式将逐渐被智能化的微机后台所替代。

1断路器寿命监测工作现状及不足

断路器的运行寿命主要取决于弧触头运行寿命。断路器的开断次数和短路电流是两个衡量弧触头运行寿命的重要指标。

目前，我局关于断路器运行寿命方面的日常运维工作，主要是定期人工抄录断路器开断次数。这里主要存在以下三方面问题：

1.1抄录的断路器开断次数器中的动作次数是断路器机械开断、带负荷开断、短路开断的次数总和。而断路器机械开断和带负荷开断不会引起弧触头的损伤，因此只有短路开断次数才是有效次数。日常维护时抄录的断路器开断次数器中的动作次数不能有效反映这一数值。

1.2无法抄录断路器断开故障时的短路电流。短路电流是瞬时值，抄录比较困难。

1.3断路器生命周期的管理比较困难。根据断路器的维护要求，需要计算断路器开断短路电流的次数与短路电流的关系。

2正文

2.1软件研究的目的和意义

通过在厂站综合自动化监控系统内增加一个软件模块，实时监测读取电网发生故障时保护装置中断路器的开断次数和短路电流，并自动分析计算出每次开断短路电流对断路器弧触头造成的损耗，估算出断路器弧触头的剩余运行寿命，当剩余运行寿命达到设定告警值时，将自动告警提示运行人员及专业维护人员。

如果此软件得到推广，将在今后的断路器运维工作方面一部分人力，并且可以实现断路器弧触头寿命实时监控，对运行状况不良的断路器提早发现，及时维护，避免因设备维护不到位引发电网事故，其经济效益和社会效益自不言而喻。

2.2主要研究内容

2.2.1获取断路器保护装置跳闸信号。通过关联断路器保护装置的跳闸命令节点，来判断该次断路器的开断是否为有效开断。若软件得到跳闸命令，则开始计数采样。

2.2.2软件自动记录断路器开断次数，并采集短路电流大小。软件得到保护跳闸命令后，则判断此次开断为有效开断，计数有效，并通过测控装置采集故障电流值。

2.2.3分析计算出断路器的故障开断次数乘以短路电流值的1.8次方的总和（即）。实时动态计算断路器的故障开断次数乘以短路电流值的1.8次方的总和值。

2.2.4断路器弧触头剩余运行寿命达到预设值时，能自动告警。

3断路器弧触头短路开断寿命在线监测分析系统主要功能

3.1软件主要功能介绍

断路器弧触头短路开断寿命在线监测分析系统的主要功能有以下几个方面：

3.1.1录波文件解析

录波文件采用标准的COMTRADE文件格式，文件解析模块根据标准定义读取录波文件，并解析出文件中记录的各个通道波形，识别出动作跳闸的断路器，并计算其故障电流大小。

3.1.2断路器弧触头电寿命评价

断路器弧触头电寿命评价功能根据断路器的寿命特性评估其剩余电寿命情况，并可视化展示。

3.2软件相关说明

3.2.1本部分包含软件运行的环境和系统参数设置说明。

操作系统：Windows2000，WindowsXP等操作系统。

CPU：1000Mhz及以上。

内存：最低为512M，建议使用1G以上。

硬盘：2G以上的可用空间。

3.2.2断路器弧触头短路开断寿命在线监测分析系统的使用

双击本软件图标后，可进入图3-1所示的主界面。

图3-1系统主界面

该界面中，左边是一个树型控件（treeview），用于显示各变电站中的断路器间隔列表，只要曾被包含在本软件所解析的录波文件中的间隔，都将在此列表中显示。右上部分的饼图和曲线图显示断路器的寿命情况。右下角的列表显示各个间隔的具体信息，包括其所属变电站、电压等级（可无）、所属间隔、名称、编号、型号、额定寿命、A相剩余寿命、B相剩余寿命和C相剩余寿命等。

若要解析具体的录波文件时，点击主界面顶部菜单栏的“文件”，在下拉菜单中选择“解析”。

弹出“打开文件对话框”，如下图所示。在此对话框中导航到录波文件保存的文件夹位置，COMTRADE标准录波文件一般包括四个文件，文件的名称相同，扩展名不同。扩展名分别为CFG、DAT、HDR和INF。在四个文件中任意点选一个即可。

图3-2选取录波文件操作界面

选取具体的录波文件之后，软件就会对所选文件进行解析，解析完成后会弹出一个新的窗口，在新窗口中显示解析结果，如下图所示。窗口中会画出录波文件中所有通道的波形，每个通道一个曲线图。曲线图的横坐标为时间，单位为秒（s），纵坐标为通道对应的物理量（如电压、电流、辅助触头位置等）。

图3-3录波文件解析结果展示

将左边的树型控件展开，即可查看所有断路器间隔情况，单击要查看的断路器间隔，右上侧的图形即会展示所选断路器的寿命信息。饼图中的指针指示该断路器弧触头电磨损的百分度，其所处的区域颜色表示断路器的状态，绿色表示“正常”，黄色表示“告警”，红色表示“临界”。运行人员可以根据断路器的状态采取不同的措施。右侧曲线图表示此断路器弧触头电寿命的变化曲线。如下图所示。

图3-4评价结果展示界面

界面右下的表格列出了所有断路器的详细信息，具体包括所属变电站、电压等级（可无）、所属间隔、名称、编号、型号、额定寿命、A相剩余寿命、B相剩余寿命和C相剩余寿命等，其中A相剩余寿命、B相剩余寿命和C相剩余寿命即为此断路器的电寿命结果。用鼠标双击某一行，右上角的图形会变为该断路器弧触头电寿命情况。

4软件开发过程中遇到的问题及解决方法

4.1状态通道的抖动问题

在实际的录波文件中，经常会存在状态通道的抖动，如图4-1状态通道所示：

图4-1处理前状态通道

针对这种这种抖动问题，在业内通常的做法是，将持续2毫秒以内的信号变位视为抖动处理，只有持续2毫秒以上，才认为是有效信号。所以如果存在如上抖动应在实际计算中，当成图4-2所示处理：

图4-2处理后状态通道

4.2寿命计算问题

寿命计算采用跳闸信号持续时间内，所对应的模拟通道电流的有效值中最大值计算，有效值按每半个周波为单位，通过这半个周波内最大的瞬时值折算，有效值与录波器记录值的关系为：

例如：

某DAT文件其中一次录波，第18号模拟通道记录的是B相的二次侧电流，原始记录数值为3D00，并且这个值是这个周波中的最大值，其对应的CFG文件中，对18号通道的描述为：

其计算过程为：

先将3D00转置为003D，然后换算成十进制数值61，乘以通道乘数0.0018874384，值为0.1151337424，然后加上通道偏移加数0.000000，值为0.1151337424，乘以一次系数3000，值为345.4012272，除以二次系数1.000000，值为345.4012272，除以1.414，值为244.2355499，单位为A，然后除以1000，得值为0.2442355499，单位为kA，如果这个值为跳闸信号持续时间内的最大值，则通过这个值计算断路器寿命损耗，寿命损耗曲线因录波器不同而不同，其中选取最具代表性的公式：

绘制为曲线如下图所示：

图4-3绘制曲线

可以明显看出，0.2442355499kA的开断电流对断路器弧触头几乎没有任何损耗，这仅仅是一次小电流情况下的正常开断。

而如果电流高达30.11kA，则弧触头的损耗为7.6%，这是开断短路电流时，才可能达到的电流值。

图4-4绘制曲线

所以为了提升软件运行速度，减少不必要的报警信息，在计算寿命时可以认为开断电流不足1kA的动作，是正常开断而不是跳闸，并且不计入寿命损耗（或记录很少，小于万分之三）。

5结论与展望

通过对高压断路器弧触头寿命引入模型，将开断次数和短路电流作为模型中重要指标元素，建立断路器弧触头短路开断寿命在线监测分析系统。通过一年的研究，我们取得了如下研究成果：

5.1将断路器开断的短路故障电流值纳入断路器运行寿命分析计算。

5.2采用的算法排出了断路器开断次数中包含的无效次数。

5.3通过软件实现断路器运行寿命智能分析计算告警功能。

5.4设计并开发了断路器弧触头短路开断寿命在线监控系统。

断路器弧触头短路开断寿命在监测分析系统通过读取保护装置中断路器的开断次数和短路电流，并自动分析计算出断路器弧触头的运行寿命，当断路器达到运行寿命的设定值时，将自动告警提示运行人员。

如果此软件研制成功并得到推广，以后再无需人工抄录断路器开断次数，将解放一部分人力资源。而且可以实现断路器弧触头寿命实时监控，当断路器达到运行寿命时，能够及时进行维护检修，避免因设备维护不到位引发电网事故。

参考文献：

[1]徐国政.《高压断路器原理和应用》.清华大学出版社.2000

[2]刘士峰.高压断路器常见故障分析.科技创新与应用，2013