SF6斷路器的在線監測與狀態檢修技術

宦扶天，米彬彬

(1.江蘇省鎮江市供電公司，江蘇 鎮江 12001;2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌443002)

1 引言

隨著國民經濟的發展，電力系統的規模日益擴大，相應的電力系統中的設備也越來越多，電力系統的穩定運行與設備的安全可靠運行密不可分，因此對于電力設備的運行狀態與檢修技術提出了更高的要求。在電力行業的發展史上，先后經歷了事故后檢修(Corretive Maintenance)和預防性檢修(Preventive Maintenance)的階段。20世紀40年代，因電網電壓等級低、容量小，電氣設備發生故障所帶來的損失和影響不大，因此一般采用事故后檢修制度，即設備損壞后，停電進行檢修。隨著電網容量的逐漸增大，電壓等級的提高，設備故障所引起的影響也相應增大。

隨著供電可靠性要求的提高，使得從60年代起，各國相繼出現了比較規范的停電預防性試驗及檢修標準，從而進入了預防性檢修(Preventive Maintenance)的階段。這是通過停運運行設備，施加高壓來判斷該設備的絕緣狀況。同時根據設備的一般運行狀況來編制設備的檢修周期，這樣進行有目的的檢修，遵循“到期必修，修必修好”的原則，這就是長期以來我國電力系統沿用的設備檢修制度。

近年來隨著電力系統裝備水平的提高，為開展圍繞可靠性為中心的設備維護管理(RCM－Reliability Centered Maintenance)。具備了基礎的物質條件。專業技術管理人員正在逐步從傳統的檢修理念束縛中解脫出來，開展電力設備“狀態檢修(State Maintenance)”的嘗試，這為進一步推行設備維護管理創造了條件。

2 SF6斷路器狀態檢修的現狀

2.1 斷路器檢修的現狀

在變電站中相對于其他靜止的電力設備而言，斷路器要在頻繁的正常開閉和故障切斷中保證正確動作，無疑較變壓器、電抗器、電容器等更為困難。但是在電力系統的生產考核指標中有著嚴格的規定:斷路器的可用率指標是99%，故障率是5臺·次/百臺·年。以110kV及以上斷路器為研究對象，開展狀態檢修技術的研究，無疑對提高斷路器的健康水平，從而提高電網的供電可靠性有著重要意義。

長期以來，編制斷路器的檢修計劃，是按照原能源部頒發的檢修工藝要求，并參考制造廠的規定編制計劃檢修的周期。以SW6－110/220斷路器為例，其大修周期一般是間隔4～6年。在對到大修周期的斷路器的檢修過程中，經常發現大量斷路器的滅弧室內動、靜觸頭運行良好，沒有燒傷的痕跡，反映斷路器絕緣油絕緣性能的介損、耐壓等指標良好等。諸如此類的問題，反映出檢修過剩的問題，造成了投資的浪費。同時，在檢修過程中將運行斷路器停運，將不可避免地造成供電可靠性的降低。在斷路器無油化改造中，110kV及以上系統將少油斷路器基本上已更換為SF6斷路器，根據各斷路器生產廠的規定，SF6斷路器滿容量開斷約10～20次才需進行一次解體檢修，但斷路器在運行壽命內，絕大多數是達不到額定滿容量的開斷次數的，針對此問題又沒有一個統一的標準，所以一般SF6斷路器投運后就不安排相應的檢修，一些運行單位也只是安排進行年度的預防性試驗等少量的維護工作。與少油斷路器相對比，SF6斷路器的檢修工作量就僅僅局限在暴露出來的缺陷處理上，這樣又會造成檢修不足。運行當中，SF6斷路器的一些缺陷往往會造成設備停運，例如，用作絕緣的SF6氣體泄漏等，因為缺陷暴露突然，所以不得不臨時停電處理。而SF6微水超標、滅弧室內動、靜觸頭燒損造成接觸電阻增大等缺陷，要在年度的預防性試驗中才能發現，在預防性試驗的周期之間就沒有發現的手段，如果檢修不及時，很可能造成重大的設備事故。

2.2 SF6斷路器在線監測技術

隨著電力電子技術的發展，針對斷路器的在線監測技術正逐步運用于電力生產實際。目前的SF6斷路器的在線監測和故障診斷系統，主要由傳感器、單片機監測系統、故障診斷系統三個部分組成，它包括以下兩方面功能:

(1)斷路器開斷電流監測:通過監測斷路器開斷電流的大小、次數進行監測。

(2)機械狀態監測:通過裝設在斷路器本體的傳感器監測開關分、合閘電磁鐵線圈電流的狀態，同時也對斷路器操作時的機構振動信號、分合閘時間、輔助開關的動作波形等進行監測。

圖1簡要說明了斷路器在線監測系統，就地裝設的單片機系統，將裝在斷路器本體的傳感器及開關量監測回路監測到的斷路器動作情況、開斷的電流、輔助開關的動作行為、SF6氣體的含水量和氣體密度等信號，上傳至斷路器的在線監測系統進行處理。上位機根據下位機傳送來的數據，分別計算出斷路器的觸頭磨損量、以及分、合閘的時間、SF6氣體的含水量和氣體密度等。并將這些數據與斷路器的額定參數進行對比，給出趨勢分析，并給出斷路器當修、不當修的判斷。

圖1 現階段SF6斷路器在線監測的原理框圖

2.3 SF6斷路器故障診斷技術

現階段的SF6斷路器故障診斷的主要內容是:對SF6斷路器的運行現狀進行評價和預測，如何識別出異常狀態，并對缺陷的原因、部位和危害程度進行診斷和評價。

SF6斷路器故障診斷的主要功能是:

(1)壽命診斷:通過監測SF6斷路器開斷電流的大小、次數、觸頭磨損的情況，判斷SF6斷路器是否需要檢修。

(2)機械狀態診斷:對SF6斷路器的機構振動信號、分合閘時間、輔助開關的動作波形、儲能電機的動作情況等的在線監測信號進行診斷。

SF6斷路器的故障診斷基于計算機技術和專家診斷系統，通過對狀態監測的信號進行分析、處理，從而得出斷路器是否存在故障的判斷。較人工診斷而言，計算機診斷較人工診斷減少了主觀隨意性，只要采集信號滿足診斷要求，且精度合格，故障判斷判據合理，趨勢分析計算正確、全面就能得到正確的診斷結果。

2.4 SF6斷路器在線監測和故障診斷系統現狀

在傳統的變電站中，斷路器在線監測及故障診斷系統結構層次劃分為站控層和間隔層，其中站控層義細分為系統層和通信層，系統層為斷路器故障診斷單元，間隔層為各斷路器在線監測單元，中間為通信網絡線組成的通信層。

系統的網絡結構采用總線方式，傳送數據采用主從站方法。斷路器故障診斷系統安裝在工業控制PC機內，作為上位機(主站)。斷路器在線監測單元采用單片機，作為下位機(從站)，主站啟動并控制網上的每一次通信，每一個從站有一個地址。

對于一個綜合自動化的變電站，如果采取建設一套獨立的SF6斷路器在線監測及故障診斷系統，將有兩個方面的弊病:

(1)管理的重復性

如果在一個綜合自動化的變電站中，再建立一套獨立的SF6斷路器在線監測及故障診斷系統，如果要了解一臺SF6斷路器的運行狀況，運行管理人員就要巡視兩套系統，這樣巡視工作就出現了重復。

圖2 現階段SF6斷路器在線監測及故障診斷系統結構示意圖

(2)部分設備的重復投資

因為在變電站綜合自動化系統中，監控系統已經具備了對包括斷路器在內的設備運行數據的實時采集，例如對斷路器的位置和通過三相交流電流的監測功能。作為SF6斷路器在線監測及故障診斷系統，也具備了上述功能，這樣無疑增加了部分設備的重復投資。

隨著變電站綜合自動化技術的推廣，電網新上的變電站基本上都是綜合自動化的變電站，而SF6斷路器在線監測及故障診斷系統在電力系統的應用正在開展，所以以上問題己凸顯出來。

3 狀態檢修需要開展的工作

3.1 開展運行狀態評分的管理

SF6斷路器在線監測和故障診斷系統是一種監督手段，但對設備運行狀態的綜合判斷還不僅僅局限于針對在線監測和故障診斷系統所反映的實時數據的判斷，它還應包括SF6斷路器試驗、運行(如近區故障、過負荷)情況、家族缺陷等重要信息。

運行狀態評分是能綜合反映SF6斷路器運行狀態的一種狀態檢修的管理手段。它依據設備運行的狀態信息，可以用分值來表述設備運行狀態的優劣。100分為狀態良好的設備，0分為需要立即維修的設備，其他情形的設備狀態評分介于滿分和0分之間。

在設備狀態評分中，評分的項目應包括在線的數據、試驗數據、運行缺陷，以及設備的家族缺陷等，這樣我們可得到狀態分值G的表達式如下，滿分為100分:

G=G0×Gt×Gr×Gf/106

式中:G0——在線的數據評分，如無異常，為100分。

Gt——試驗項目評分，如全部合格，為100分。

Gr——運行缺陷評分，如無缺陷，為100分。

Gf——家族缺陷評分，如無缺陷，為100分。

G0、Gt、Gr、Gf分別建立在各自取值對象的加權評分基礎上，下面以Gt(試驗項目評分)的計算進行說明:

設一個設備有m個試驗項目，第i個試驗項目的評分為Gi，權重為wi，試驗評分Gt為:

對于評分的時間，我們可以作如下的規定:(1)SF6斷路器新裝投運前，進行一次狀態評分;(2)SF6斷路器經過檢修，重新投運之后進行一次狀態評分;

(3)SF6斷路器在正常情況下，每三個月進行一次評分，在線評分下降至滿分的60%左右時，評分周期應縮短為一個月。

狀態評分作為設備運行狀態的歸納，可以對設備的檢修、維護、試驗提出指導性的意見。例如縮短SF6斷路器預防性試驗的周期，由通常的三年縮短為一年;維護檢修周期由一年縮短至三個月;在運行中加強巡視等。

狀態評分應用數學分值，來綜合反映設備的健康狀況，是狀態檢修技術管理發展的重要內容。

3.2 建立反映斷路器運行狀態的數據倉庫

基于前面的分析，斷路器在線監測及故障診斷系統發展可以作為變電站綜合自動化的一部分。而當運行的斷路器數量眾多時，以鎮江市供電公司系統為例，運行的斷路器就有上千臺。如果對這些斷路器的某一種運行參數進行歸納分析，以提供給企業管理人員作為某一決策的依據，那么變電站普通的數據庫就不能完成，這就需要建立數據倉庫。

表1 數據倉庫與數據庫的對比

仍以鎮江市供電公司為例，根據該局系統劃分的特點，我們可以對該局轄區建立一個設備管理的全局性數據倉庫，然后各個分局建立自己的局部數據倉庫。局部數據倉庫主要存儲各個變電站的設備細節數據，而在全局性的數據庫中存儲經過轉換的綜合數據。

圖3 分布式設備管理數據倉庫結構

4 結束語

本文對實現SF6斷路器在線監測和故障診斷的現狀進行介紹，并結合電力系統的發展，提出了與綜合自動化系統實現數據整和的方案，同時為適應電力系統發展的需要，提出針對狀態監測和故障診斷數據建立數據庫的必要性。

從科學技術的發展規律來看，正如預防性檢修取代事故后檢修一樣，狀態檢修與預防性檢修并存一個時期后，狀態檢修必然要取代預防性檢修。對企業而言，可以在相對不重要的變電站中的不很重要的SF6斷路器設備進行狀態檢修試點。通過長時間的技術積累，再運用于重要變電站的重要的設備。

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