基于电弧能量的SF6断路器灭弧室寿命预测方法与流程

基于电弧能量的sf6断路器灭弧室寿命预测方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于电弧能量的sf6断路器灭弧室寿命预测方法，属于断路器灭弧室评估技术领域。


背景技术：

2.高压断路器是电力系统最重要的保护和控制设备，随着运行时间的延长，sf6断路器的寿命问题日益突出，其中断路器的失效会造成事故范围扩大，使得电网可靠性下降。因此，有效的断路器状态评估对于预防事故和提升电网稳定性具有十分重要的意义。断路器由三部分组成：灭弧室，控制单元和操作机构。
3.大部分断路器故障发生在灭弧室中。相比于断路器其他部位，灭弧室的状态评估是比较困难的。其主要原因是在断路器的分合过程中，电弧燃烧的能量一部分被灭弧室内的触头和喷口所吸收，这个热过程导致了触头侵蚀和喷口烧蚀。从而导致断路器故障率上升。目前常用不同的特征参数来评估灭弧室的状态。这些参数包括分合闸次数、触头的动静态电阻、电荷量以及电弧电压和电弧电流。但这些参数都不能实现触头和喷口的实时状态监测。
4.针对断路器灭弧室的磨损情况，目前已开展了许多断路器灭弧室状态评估方面的研究，也取得了一定的成果。
5.公开号为cn1645534a，名称为用于检验断路器的方法，涉及一种用于检验具有固定触点和移动触点的断路器的方法，该固定触点和移动触点分别具有一个副触点和一个主触点，其中该移动触点由可控制的电动机来移动。开关过程利用可预先确定的移动过程来执行，其中在该开关过程期间记录该电动机的驱动电流的测量值和/或该移动触点经过的位移的测量值。将所记录的测量值考虑用于评价触点的状态或传输链的状态。
6.上述方法的缺陷为：动态电阻是与静态回路电阻相对应的，即弧触头接触电阻，它需要在断路器分闸的动态过程中进行测量。这个参数体现了弧触头电阻与弧触头行程的综合作用，很早就用于断路器触头的状态评估中，但是它费时、复杂，仅用于断路器的离线检测，不适用于在线监测。
7.公开号为cn1125978c，名称为放电型真空灭弧室真空度在线检测方法，其主要特征是在真空灭弧室内，在具有一定电场强度的位置处，设置由浮电位体构成的放电间隙；当真空灭弧室处在正常范围的运行电压和真空度时，放电间隙不放电；而当真空灭弧室的真空度降低，导致绝缘强度降低时，放电间隙放电；通过探测放电间隙的放电情况，在线检测真空灭弧室的真空度。本发明其结构和实现简单，能够进行在线检测。
8.故上述方法的缺陷为：采用实验室人工短路试验测得成功开断电流总和。断路器剩余寿命就是已开断电流与能开断的电流总和之比。这个方法的不足是只关注电流幅值大小，而缺乏对燃弧时间和电弧电压的综合考虑。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电弧能量的sf6断路器灭弧室寿命预测方法，利用在线测量电弧电压装置，既能承受瞬态恢复电压，也能有效抑制测量噪声；又根据电弧电压和电弧电流的测量结果，评估灭弧室剩余有效寿命。
10.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
11.一种基于电弧能量的sf6断路器灭弧室寿命预测方法，包括以下步骤：
12.步骤s1,对额定累积弧能进行计算；
13.步骤s2,对断路器已承受的电弧能量进行计算；
14.步骤s3,灭弧室的剩余使用寿命由断路器已承受电弧能量与额定累积弧能的比值求得。作为本发明的进一步改进，所述额定累积弧能是灭弧室在整个寿命周期中所能承受的燃弧能量总和，其计算方法有两种，第一种计算方法为：重复人工短路开断试验直到灭弧室开断失败；在短路开断测试中测得每一次的电弧能量，求和得到额定累积弧能；第二种计算方法为：从断路器操作手册中得到断路器操作次数，接着进行人工短路开断试验，记录电弧能量；额定累积弧能等于试验测得的电弧能量平均值乘以断路器的操作次数寿命。
15.作为本发明的进一步改进，第二种计算方法进行额定累积弧能的计算公式如下：
16.ae
arc
＝n
×
e
r
ꢀꢀꢀ
(1)
17.式中，ae
arc
是额定累积弧能；n是断路器的操作次数寿命；e
r
是断路器在开断额定短路电流试验时所测得的电弧能量。
18.作为本发明的进一步改进，断路器已承受的电弧能量计算公式如下：
[0019][0020]
式中，e是电弧能量；u(t)是电弧电压；i(t)是电弧电流、t
arc
是燃弧时间。
[0021]
作为本发明的进一步改进，断路器第k次操作后的寿命指数预测公式如下：
[0022][0023]
式中，ae
arc
表示额定积累弧能；e
i
是第i次操作过程中的电弧能量；rl
k
是灭弧室第k次操作后的剩余寿命；tl是与额定开断次数相关的灭弧室总寿命。
[0024]
作为本发明的进一步改进，所述电弧电压利用电弧电压测量装置测量；所述电弧电流利用电流互感器测量；
[0025]
所述电弧电压测量装置包括断路器、电容分压器、电源开关、瞬态二极管、电压缓冲器、隔离放大器、光透射器
‑
信号接收器、信号处理单元和开关控制单元。
[0026]
作为本发明的进一步改进，所述电容分压器并联在断路器的源侧和负荷侧；所述电源开关电连接电容分压器与瞬态二极管之间；所述瞬态二极管电连接电压缓冲器和隔离放大器；所述电压缓冲器与隔离放大器双向连接；所述开关控制单元采集电压缓冲器的信息并控制电源开关；所述隔离放大器电连接光透射器
‑
信号接收器；所述光透射器
‑
信号接收器将信号传输至信号处理单元。
[0027]
作为本发明的进一步改进，所述电容分压器的输出端串联滤波器，经滤波器后串联瞬态二极管，所述瞬态二极管串联有用于限制高能冲击的电阻；所述瞬态二极管及其串联电阻的外侧固定安装有屏蔽盒。
[0028]
作为本发明的进一步改进，所述电弧电压测量装置通过一个继电器开关与电网连接；当二次保护装置发出断路器脱扣信号后，继电器动作；而继电器的断开则利用瞬态恢复电压实现；在回路中，电压缓冲器用来保护主电路不受电压冲击；将电压缓冲器的输出和参考电压进行比较，而参考电压的标定比电弧电压高3
‑
6倍；如果电压缓冲器上的得到电压数据超过参考值，继电器随即断开。
[0029]
作为本发明的进一步改进，采用人工短路试验在24kv sf6断路器上测试电弧电压测量装置的性能；预测结果和实际测试进行比较验证。
[0030]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0031]
本发明采用在线测量电弧能量的装置测量电弧电压，再加上电流互感器测量电弧电流，即可实现在线求取电弧能量值。该装置的优点是能承受瞬态恢复电压，能有效消除静电噪声及电磁噪声，从而准确测量电弧电压。在此基础上，灭弧室寿命预测的新方法在人工短路试验进行验证。试验结果表明，新方法的寿命预测结果比传统方法更佳，与实际情况更为吻合。电弧电压随着电弧电流不断变化，所以用电弧能量作为寿命评估更加合适。本方法有利于实现断路器灭弧室在线状态评估。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1是断路器灭弧室结构示意图；
[0034]
图2是24kv sf6断路器电弧电压波形图；
[0035]
图3是测量装置原理框图；
[0036]
图4是实验室测试装置原理图；
[0037]
图5是记录的电弧电压和电弧电流波形图；
[0038]
图6是记录的实时电弧能量波形图；
[0039]
图7是两种不同故障电流下的电弧电压波形比较图。
[0040]
其中，1静弧触头、2动弧触头、3喷口、4主触头。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0042]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0043]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
[0044]
因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0045]
在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0046]
图1所示是灭弧室的基本结构。喷口3用来产生冷却电弧的sf6气流。当断路器动作时，在大电流阶段动弧触头2与静弧触头1接触产生电弧燃烧会阻碍气体流过喷口，成为“喷口阻塞”。喷口阻塞或多或少伴随着喷口3材料的蒸发，导致了喷口3的烧蚀。
[0047]
灭弧室的磨损主要指sf6断路器中弧触头的侵蚀和喷口的烧蚀。故障电流开断过程中，当弧柱中的热量集中转移到触头表面时，热传导形式的热量分布非常不均匀，将引起一小部分触头材料局部急剧升温至汽化温度，呈现出湍流特征并以金属等离子喷流的形式是材料脱离电机，这一机理被认为是触头侵蚀的主要原因。触头侵蚀量大小与电弧能量、燃弧时间和触头的尺寸形状以及材料性质有关。触头侵蚀造成的直接后果就是触头变形，具体体现为表面粗糙度增加和触头长度减小。这些不良后果将会影响主触头4和弧触头(动弧触头2与静弧触头1)的电流切换过程以及间隙的介质绝缘性能，从而降低了断路器的开断可靠性。
[0048]
一种基于电弧能量的sf6断路器灭弧室寿命预测方法，包括以下步骤：
[0049]
步骤s1,对额定累积弧能进行计算；
[0050]
步骤s2,对断路器已承受的电弧能量进行计算；
[0051]
步骤s3,灭弧室的剩余使用寿命由断路器已承受电弧能量与额定累积弧能的比值求得。本实施例进一步的，所述额定累积弧能是灭弧室在整个寿命周期中所能承受的燃弧能量总和，其计算方法有两种，第一种计算方法为：重复人工短路开断试验直到灭弧室开断失败；在短路开断测试中测得每一次的电弧能量，求和得到额定累积弧能；
[0052]
第二种计算方法为：从断路器操作手册中得到断路器操作次数，接着进行人工短路开断试验，记录电弧能量；额定累积弧能等于试验测得的电弧能量平均值乘以断路器的操作次数寿命。
[0053]
本实施例进一步的，第二种计算方法进行额定累积弧能的计算公式如下：
[0054]
ae
arc
＝n
×
e
r
ꢀꢀꢀ
(1)
[0055]
式中，ae
arc
是额定累积弧能；n是断路器的操作次数寿命；e
r
是断路器在开断额定短路电流试验时所测得的电弧能量。
[0056]
本实施例进一步的，断路器已承受的电弧能量计算公式如下：
[0057][0058]
式中，e是电弧能量；u(t)是电弧电压；i(t)是电弧电流、t
arc
是燃弧时间。
[0059]
本实施例进一步的，断路器第k次操作后的寿命指数预测公式如下：
[0060][0061]
式中，ae
arc
表示额定积累弧能；e
i
是第i次操作过程中的电弧能量；rl
k
是灭弧室第k次操作后的剩余寿命；tl是与额定开断次数相关的灭弧室总寿命。
[0062]
当故障电流流过断路器主触头时，断路器断口电压大约是几十毫伏。而当断路器进行开断操作时，主触头分离，电流通道从主触头切换到弧触头，这时断路器断口电压大约几百毫伏。而当弧触头刚分离时，电流密度急剧增加，形成了熔化的金属桥。电流密度和金属桥的温度持续上升最后导致金属桥蒸发。当触头间的间隙距离是几微米时，电弧中充满大量金属蒸汽。此时电弧为金属相。当触头间的间隙增大时，电弧周围的气体被电离从而成为电弧的一部分，电弧由金属相向气相转变。在金属相形成时，电弧电压大约提高到10v～15v。接着在电弧从金属相到气相的转变过程中，电弧通路阻抗上升，导致电弧电压上升。在燃弧过程中电弧电压大约是几百伏。当电弧电流趋近于0时，电弧电压突然上升，幅值很高。一台24kv的sf6断路器的电弧电压记录图形图2所示。
[0063]
本实施例进一步的，所述电弧电压利用电弧电压测量装置测量；所述电弧电流利用电流互感器测量；
[0064]
所述电弧电压测量装置包括断路器、电容分压器、电源开关、瞬态二极管、电压缓冲器、隔离放大器、光透射器
‑
信号接收器、信号处理单元和开关控制单元。
[0065]
本实施例进一步的，所述电容分压器并联在断路器的源侧和负荷侧；所述电源开关电连接电容分压器与瞬态二极管之间；所述瞬态二极管电连接电压缓冲器和隔离放大器；所述电压缓冲器与隔离放大器双向连接；所述开关控制单元采集电压缓冲器的信息并控制电源开关；所述隔离放大器电连接光透射器
‑
信号接收器；所述光透射器
‑
信号接收器将信号传输至信号处理单元。
[0066]
图3是测量系统的原理图。电容分压器用来减小瞬态恢复电压幅值，它不仅可以实现断路器和测量系统的电气隔离，也消除了断路器和测量系统的接地环路引起的测量误差。由于隔离放大器和光变送器的低幅值输入要求，采用tvs瞬态二极管串联电阻限制高能冲击。用隔离放大器实现电压信号隔离作用。光投射器部件用来防止信号传输中的电磁干扰。
[0067]
本实施例进一步的，所述电容分压器的输出端串联滤波器，经滤波器后串联瞬态
二极管，所述瞬态二极管串联有用于限制高能冲击的电阻；所述瞬态二极管及其串联电阻的外侧固定安装有屏蔽盒。
[0068]
本实施例进一步的，所述电弧电压测量装置通过一个继电器开关与电网连接；当二次保护装置发出断路器脱扣信号后，继电器动作；而继电器的断开则利用瞬态恢复电压实现；在回路中，电压缓冲器用来保护主电路不受电压冲击；将电压缓冲器的输出和参考电压进行比较，而参考电压的标定比电弧电压高3
‑
6倍；如果电压缓冲器上的得到电压数据超过参考值，继电器随即断开。
[0069]
本实施例进一步的，采用人工短路试验在24kv sf6断路器上测试电弧电压测量装置的性能；预测结果和实际测试进行比较验证。
[0070]
具体的，如图4所示，人工短路试验回路包括两条并联支路。左边支路是模拟产生短路故障电流，右边支路则是模拟产生电弧熄灭后断口间的瞬态恢复电压。为在实验中测量电弧电压，将测量装置与断路器并联的电容分压器的输出端相连。为限制断路器操作过程中的瞬态恢复电压幅值，分压比设置为1:2000。因此，瞬态恢复电压幅值将被减小为几十伏。测量系统的输出信号将传送到控制室，电弧电压可由此精确地测量。
[0071]
图5是试验中断路器开断额定短路电流(25ka)的电弧电压和电弧电流波形图，短路燃弧时间为13ms～14ms。图6则为同一参数试验的电弧能量计算图。在现有断路器工况下，用式(2)计算的额定电弧能量大约为40kj。然后通过式(1)计算额定累积弧能。根据试验断路器手册，n取值20。因此，额定累积弧能为800kj。这个值对任何一台同型号断路器是有效的。
[0072]
灭弧室的剩余有效寿命可通过式(3)进行计算。一共进行了6次不同燃弧时间和幅值的试验来比较新方法和传统方法的寿命预测准确性。根据式(3)，采用新方法计算得到6次开断操作后的灭弧室剩余有效寿命是80.6％，而根据传统方法剩余有效寿命只有70％。随着操作次数的增加，两种方法的预测结果相差越来越大。原因在于传统预测方法未考虑每次操作过程中的电弧能量的差异。
[0073]
灭弧室的失败与电弧能量直接相关，而电弧能量与电弧电压有关。另一方面，电弧电压随着电弧电流是随时变化的，比如在9.3ka时电弧电压平均值是202v，而在25ka时电弧电压平均值是175v。因此，用电弧能量来预测灭弧室寿命是最直接准确的。两种不同故障电流下(9.3ka和25ka)的电弧电压波形比较图如图7所示。