發(fā)電廠電氣自動(dòng)化中斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

呂寶英

（同煤集團(tuán)同達(dá)熱電公司，山西 大同 037003）

新一代發(fā)電廠電氣自動(dòng)化技術(shù)（ECS）涵蓋了發(fā)電廠機(jī)組和廠用電保護(hù)與監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)站監(jiān)控以及其他的電氣自動(dòng)裝置的監(jiān)控與信息集成，并可以與DCS接口實(shí)現(xiàn)一體化控制。目前ECS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控功能主要包括模擬量、開關(guān)量、脈沖量的采集，開關(guān)的遙控，SOE，保護(hù)事件，錄波，遠(yuǎn)方通信等，也包括繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的遠(yuǎn)方整定管理、防誤閉鎖及操作票等應(yīng)用功能。這些功能基本覆蓋了運(yùn)行人員對電氣系統(tǒng)的日常操作和管理，但隨著監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，兩項(xiàng)新功能將融入電氣監(jiān)控系統(tǒng):一項(xiàng)是電氣運(yùn)行的視頻監(jiān)控，另一項(xiàng)是高壓電氣設(shè)備的工作狀態(tài)在線監(jiān)測。

本文以高壓斷路器的工作狀態(tài)在線監(jiān)測為例，分析了在ECS系統(tǒng)的監(jiān)控功能中實(shí)現(xiàn)對高壓設(shè)備，例如斷路器的電壽命、機(jī)械性能等狀態(tài)指標(biāo)的在線監(jiān)測，從而將對電氣系統(tǒng)的緊急控制從故障后保護(hù)動(dòng)作，發(fā)展為以發(fā)現(xiàn)潛在故障特征為目標(biāo)的預(yù)防性控制，這對于提高發(fā)電廠電氣設(shè)備的安全運(yùn)行十分有益。

在發(fā)電廠的一次設(shè)備中，就單臺設(shè)備而言，斷路器是僅次于發(fā)電機(jī)、變壓器的大型電力設(shè)備，但就需用數(shù)量和所占電站設(shè)備的投資大小而言，它又排在二者之前。它的動(dòng)作可靠性直接關(guān)系著系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，許多重大設(shè)備損壞或系統(tǒng)解列停電事故都是開關(guān)操作失常所致。

目前，內(nèi)蒙古興安熱電有限責(zé)任公司的高壓斷路器基本尚處于定期維護(hù)階段，這種傳統(tǒng)的計(jì)劃檢修往往造成巨大的人力、財(cái)力浪費(fèi)，并可能對生產(chǎn)造成沖擊。采用基于設(shè)備工作狀態(tài)的在線采集監(jiān)視的狀態(tài)檢修是今后設(shè)備維護(hù)和檢修的發(fā)展方向。

所謂“狀態(tài)檢修”就是要通過種種手段對正在運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行健康水平的評估或診斷，進(jìn)而有針對性地采取相應(yīng)措施，以最大限度地延長設(shè)備的檢修周期及使用壽命，增強(qiáng)其運(yùn)行的可靠性。對斷路器實(shí)施狀態(tài)檢修能減少停電時(shí)間，消除不必要的人力、財(cái)力浪費(fèi)，避免因拆裝不當(dāng)所造成的設(shè)備事故或人身傷害。

因此，對斷路器健康狀態(tài)的在線監(jiān)測與診斷是電力工業(yè)不可回避的重大課題。同時(shí)，也只有在對運(yùn)行中的大量斷路器實(shí)施在線監(jiān)測與診斷，摸索和積累大量第一手資料后，才能制造出智能型帶診斷功能的免維修斷路器。而推行狀態(tài)檢修的關(guān)鍵在于在線監(jiān)測系統(tǒng)對設(shè)備健康狀況的診斷。

在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的測控裝置或保護(hù)測控一體化裝置中增加高壓斷路器實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測功能是必要的、可行的。其工作原理主要是根據(jù)斷路器開斷電流與開斷次數(shù)、輔助電路線圈電流和其機(jī)械特性等狀態(tài)信息進(jìn)行綜合判斷，以診斷其電壽命狀態(tài)和常規(guī)機(jī)械故障。能適用于裝有少油或多油、SF6及真空三大類不同電壓等級的斷路器，能同時(shí)對一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所有斷路器的觸頭電壽命及主要機(jī)械故障和輔助電路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷，實(shí)時(shí)給出明確的狀態(tài)信息。該功能可提高斷路器運(yùn)行的可靠性，進(jìn)而提高電廠運(yùn)行的安全性，克服定期維修的盲目性，減少檢修次數(shù)，降低檢修費(fèi)用，最大限度地延長檢修周期，提高設(shè)備的投運(yùn)率，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修提供科學(xué)依據(jù)和決策建議。

1 電氣監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

發(fā)電廠的電氣部分可分為電氣網(wǎng)控部分和機(jī)組電氣部分（包括廠用電和發(fā)變機(jī)組保護(hù)監(jiān)控）。其中機(jī)組電氣部分直接關(guān)系到發(fā)電廠的生產(chǎn)與運(yùn)行；網(wǎng)控部分是發(fā)電廠與輸電網(wǎng)發(fā)生聯(lián)系的部分。發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)直接完善了DCS/FCS系統(tǒng)的監(jiān)控范圍和自動(dòng)化程度，該技術(shù)的應(yīng)用將大大提高發(fā)電廠運(yùn)行的自動(dòng)化水平。電氣監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能包括以下幾項(xiàng)。

1.1 實(shí)現(xiàn)電廠電氣自動(dòng)化（ECS）并完全納入DCS系統(tǒng)

（1）實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠廠用電自動(dòng)化，使用保護(hù)測控一體化智能裝置實(shí)現(xiàn)廠用6kV、380V及公共部分的繼電保護(hù)、監(jiān)控、信息管理和設(shè)備維護(hù)，并經(jīng)ECS系統(tǒng)融入DCS。

（2）實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠網(wǎng)絡(luò)站自動(dòng)化（NCS），實(shí)現(xiàn)對升壓站的監(jiān)控和遠(yuǎn)動(dòng)功能，并實(shí)現(xiàn)NCS與DCS的接口（例如，GC部分）。

（3）實(shí)現(xiàn)對發(fā)變組保護(hù)、發(fā)變組錄波、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、同期、電度表等的監(jiān)控和管理，并經(jīng)ECS系統(tǒng)納入DCS。

（4）實(shí)現(xiàn)對廠用電快切、UPS、直流系統(tǒng)等的監(jiān)控和管理，并經(jīng)ECS系統(tǒng)納入DCS。

（5）實(shí)現(xiàn)在DCS的操作員站上對電廠所有電氣部分進(jìn)行控制和設(shè)備管理，DCS系統(tǒng)也可以授權(quán)在ECS操作員站上實(shí)現(xiàn)電氣操作。

（6）實(shí)現(xiàn)電廠電氣系統(tǒng)的防誤閉鎖及操作。（7）實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備工作狀態(tài)的在線監(jiān)測。

1.2 斷路器的在線監(jiān)測目前斷路器在線監(jiān)測的主要內(nèi)容包括以下四個(gè)方面

（1）觸頭電壽命。

（2）操作回路的完整性。

（3）絕緣特性。

（4）機(jī)械特性。

1.3 目前技術(shù)所能滿足的在線監(jiān)測和狀態(tài)評估要實(shí)現(xiàn)對斷路器及氣體絕緣組合電器（GIS）的電氣和機(jī)械性能的在線監(jiān)測和狀態(tài)評估，目前的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾項(xiàng)。

（1）斷路器觸頭磨損的評估，即觸頭的電壽命。下文將詳細(xì)討論觸頭電壽命的計(jì)算。

（2）斷路器機(jī)械故障的評估。機(jī)械特性的停電、不揭蓋的測量已較為成熟，但在線監(jiān)測難度較大。采用在線監(jiān)測方法應(yīng)考慮其得失利弊及經(jīng)濟(jì)性。電氣回路的完整性可以在保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)。

（3）真空泡的真空度的測量。目前僅僅停留在對原理的探討上，如果一定要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，尚無經(jīng)濟(jì)而安全的方法。

（4）目前，在線監(jiān)測GIS機(jī)械振動(dòng)或局部放電已有望實(shí)現(xiàn)。

2 斷路器觸頭電壽命的分析方法

發(fā)電廠內(nèi)斷路器的狀態(tài)監(jiān)測通常包括真空、SF6、少油或多油斷路器三大類不同電壓等級的斷路器。對斷路器電壽命的診斷傳統(tǒng)方法是累計(jì)開斷電流和開斷次數(shù)。但當(dāng)被測電流相差很大時(shí)，因燒損機(jī)理不同，同樣的累計(jì)電流量所造成的滅弧室燒損量卻相差很大。僅考慮累計(jì)開斷電流和累計(jì)開斷次數(shù)是不夠的，合理的辦法是把開斷電流的大小、每次累計(jì)觸頭燒損量作為電壽命判別的依據(jù)。

2.1 斷路器電壽命的檢修判據(jù)

通過對少油、SF6和真空斷路器電磨損的分析可知，斷路器每次開斷電流時(shí)都會產(chǎn)生電弧，電弧是使斷路器電氣壽命減少、電氣性能劣化的直接原因，其中斷路器觸頭的燒損是斷路器電壽命減少的決定性因素，觸頭的電磨損又取決于開斷電弧的能量，即開斷電流和燃弧時(shí)間。大量試驗(yàn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，雖然燃弧時(shí)間的長短對于單次開斷而言是隨機(jī)的，在一定范圍內(nèi)變化，但當(dāng)開斷次數(shù)達(dá)到一定值后，其平均燃弧時(shí)間則是趨近的。也就是說，從斷路器電磨損累計(jì)效應(yīng)和統(tǒng)計(jì)平均的角度看，隨機(jī)因素對燃弧時(shí)間分散性的影響是可以忽略不計(jì)的，只用開斷電流作斷路器的電磨損標(biāo)示是可行的。

筆者認(rèn)為，利用觸頭磨損公式直接計(jì)算每次開斷的磨損量，并累計(jì)，把觸頭累積磨損量作為判斷斷路器電壽命的標(biāo)示量，是目前較為科學(xué)的方法。

從各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及推導(dǎo)的電磨損公式和曲線中，斷路器觸頭的電磨損量m是一個(gè)絕對量，與燃弧電流有關(guān)。但由于斷路器生產(chǎn)廠家并不提供其斷路器的總允許磨損量和觸頭磨損公式，所以無法以它來判斷斷路器的開斷后觸頭的實(shí)際磨損量與當(dāng)時(shí)的電壽命狀態(tài)。實(shí)際中，斷路器生產(chǎn)廠家提供的是斷路器的開斷次數(shù)與相應(yīng)開斷電流的關(guān)系曲線，即N-Ib曲線。此曲線由廠家通過等效開斷試驗(yàn)獲得，它是以斷路器的開斷能力來衡量斷路器觸頭磨損及其電壽命狀態(tài)的。

因此，采用相對電磨損和相對電壽命的概念，以便利用N-Ib曲線來標(biāo)示斷路器觸頭的磨損情況與電壽命狀態(tài)。

設(shè)額定開斷電流下單次開斷的電磨損為M，其對應(yīng)的允許開斷次數(shù)為N，從統(tǒng)計(jì)平均和累計(jì)效應(yīng)的角度看，可認(rèn)為斷路器的允許總磨損量為N×M；同樣，設(shè)任意開斷電流下單次開斷的電磨損為m，根據(jù)斷路器廠家提供的N-Ib曲線，可知任意大小開斷電流所對應(yīng)的允許開斷次數(shù)Nb，則斷路器的允許磨損總量也可表示為Nb×m。

引入相對電磨損的概念，可得到斷路器在任意開斷電流下開斷的單次電磨損量相對于觸頭允許磨損總量的相對磨損量為：

也就是說，只要測得了斷路器的實(shí)際開斷電流，通過N-Ib曲線就可得到相應(yīng)的允許開斷次數(shù)，進(jìn)而也就得出了以相對值表示的本此開斷引起的觸頭磨損量。

2.2 斷路器的機(jī)械壽命的監(jiān)測

斷路器機(jī)械壽命的在線監(jiān)測由分布式的保護(hù)測控裝置監(jiān)測斷路器的分合閘線圈的電流波形進(jìn)行分析判別。分合閘線圈是控制斷路器動(dòng)作的關(guān)鍵元件，應(yīng)用電流傳感器可以方便地測出其電流波形。

采用上述算法可以在測控裝置或保護(hù)測控一體化裝置中實(shí)現(xiàn)對斷路器的在線監(jiān)控功能，從而在ECS系統(tǒng)中增加電廠電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。

3 結(jié)論

在發(fā)電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中增加關(guān)于高壓電氣設(shè)備的工作狀態(tài)在線監(jiān)測功能是電氣監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，無論是發(fā)電廠的電氣監(jiān)控還是輸電網(wǎng)的電氣監(jiān)控都努力增加對事故的預(yù)防性監(jiān)控措施，其中關(guān)于高壓電力設(shè)備的工作狀態(tài)的在線監(jiān)測是一項(xiàng)相對獨(dú)立的監(jiān)控技術(shù)。

本文討論了如何在發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)（ECS）中實(shí)現(xiàn)斷路器的工作狀態(tài)在線監(jiān)測功能，本文詳細(xì)討論了斷路器的觸頭電壽命的在線估算以及斷路器機(jī)械性能的在線分析，探討了利用現(xiàn)有的分布式保護(hù)測控裝置，通過增加傳感環(huán)節(jié)，利用算法實(shí)現(xiàn)對斷路器狀態(tài)的在線監(jiān)測，從而使ECS能夠監(jiān)測并管理電廠電氣設(shè)備的壽命，并最終實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修。這對于提高發(fā)電廠電氣設(shè)備的安全運(yùn)行十分有益。