淺析宜興電站GCB電壽命評估現場應用

宋晉紅

（華東宜興抽水蓄能有限公司，宜興市 214205）

淺析宜興電站GCB電壽命評估現場應用

宋晉紅

（華東宜興抽水蓄能有限公司，宜興市 214205）

本文主要介紹了累計開斷電流法和動態電阻法在江蘇宜興抽水蓄能電站GCB電壽命評估中的應用，詳細介紹了兩種方法的原理、計算方法，用實例對兩種方法計算結果進行對比分析，提出將兩種方法結合修正，提高評估準確度的觀點。

動態電阻法；累計開斷電流法；GCB

0 引言

發電機電能的安全輸出對電力系統的穩定運行至關重要，而發電機出口斷路器（Generator Circuit Breaker，下文簡稱GCB）作為保證發電機投入運行和同期的一次高壓開關設備，當發電機或系統發生故障時，可以安全切斷線路中的故障過電壓和過電流，保護發電機和電力系統中的設備安全。

隨著抽水蓄能電站在電力系統中的作用越來越明顯，GCB事故給電網和電站帶來的影響及損失越來越大，因此保證GCB的安全運行越來越重要，準確評估GCB壽命顯得尤為重要。近年來，各抽水蓄能電站開始開展動態電阻檢測來評估GCB電壽命，收到了較好的效果。

1 概述

江蘇宜興抽水蓄能電站（以下簡稱電站）共裝設4臺250MW立式抽水蓄能機組，采用在發電機出口裝設斷路器的接線方式，機組的并網與解列通過發電機斷路器的合、分操作來完成。在機組剛投運后，由于機組小開度振動問題，機組抽水停機時須接近滿負荷拉開發電機斷路器，造成了發電機斷路器經常須要開斷9000A左右的負荷電流。同時，抽水蓄能機組頻繁啟停的運行方式也造成了發電機斷路器操作次數較多的問題。因此，在電站投產后，就開始了GCB電壽命評估探討和應用，經過5年多的應用實踐，電站摸索出一套行之有效的GCB電壽命評估方法。

2 GCB滅弧室結構和開斷電流過程

電站GCB采用瑞士ABB公司生產的HECPS-3S型SF6斷路器，觸頭系統包含靜主觸頭、靜弧觸頭、動主觸頭和動弧觸頭。主觸頭采用的是導電性能良好的銅鍍銀材料，弧觸頭采用的是耐高溫的鎢合金材料。發電機斷路器處于合閘位置時，靜觸頭是主導電回路。

圖1 SF6斷路器滅弧室結構示意圖

斷路器分閘操作時，主觸頭先分開，然后弧觸頭再分開（毫秒級）。斷路器合閘時，過程相反。

SF6斷路器滅弧室結構示意如圖1所示。當斷路器開斷電流時，主觸頭先分開，電流轉移到弧觸頭上，當弧觸頭分開時，產生電弧，滅弧腔由于空間變化推動SF6氣吹弧從而達到滅弧效果。雖然弧觸頭采用了耐高溫的鎢合金材料，但電弧燒蝕仍無法避免。隨著累計開斷電流的增長，弧觸頭的燒蝕程度加劇，長度變短。當弧觸頭的長度不足以保證在斷路器分閘過程中主觸頭先分開時，將在主觸頭上直接燃弧，由于主觸頭采用的是導電性能好的銅鍍銀材料，不耐高溫，將嚴重磨損主觸頭。

3 GCB電壽命檢測現場應用方法

電壽命是指滅弧室成功開斷額定短路電流的次數或開斷額定電流的次數。SF6斷路器的電壽命診斷指的是通過對各種檢測方法（離線或在線）取得的信息，經過科學全面綜合分析，掌握設備的當前狀況和壽命期望，它是電力設備狀態檢修的基礎和前提。國內外常用于斷路器電壽命診斷的方法有模糊診斷法、累計開斷電流法、動態電阻法、信號特征提取法等。目前模糊診斷法和信號特征提取法不適用于現場評估，因此，電站利用累計開斷電流法和動態電阻法開展GCB電壽命評估。

3.1 累計開斷電流法

累計開斷電流法以斷路器的電壽命曲線為依據。觸頭電磨損由開斷電流和開斷次數決定，開斷電流越大，觸頭的電磨損越大，允許開斷的次數就越少。ABB公司對HECPS-3S型SF6滅弧開關開斷電流計算提供了加權系數，見表1，加權系數f（I）計算公式為：

電站GCB累計開斷電流為20000kA，當斷路器開斷電流小于0.755kA時，每動作一次損耗電壽命為1；當開斷電流大于等于0.755kA小于等于150%額定運行電流時，每動作一次損耗電壽命為f（I）；當開斷電流大于150%額定運行電流時，每動作一次損耗電壽命為5000kA。

表1 電站GCB累計開斷電流加權系數表

3.2 動態電阻法

斷路器在分閘期間主觸頭和弧觸頭電阻變化是同趨勢變化，根據歐姆定律，在穩流（DC）試驗中，電壓降是隨著斷路器主回路電阻值突變而突變的。所以在主觸頭分開瞬間和弧觸頭分開瞬間，整個回路的電阻都會發生突變，從而施加在斷路器兩端的電壓會出現兩次突變，這兩次突變時間差就是斷路器的動態電阻，單位為ms，動態電阻與斷路器動作速度的乘積就是弧觸頭長度。斷路器在投運后，其動作速度變化量可以忽略，所以檢測動態電阻就可以估算弧觸頭剩余壽命。

下面利用瑞典保伽瑪公司生產的TM1600/MA61斷路器機械特性測試儀檢測GCB動態電阻，接線如圖2所示，電壓、電流線直接接在GCB滅弧室兩端，儀器控制線接入GCB分合閘線圈，試驗前GCB兩側接地隔離開關至少需拉開一把，避免并聯回路對檢測結果的影響。試驗時，開關測試儀通過電流線在GCB上施加大于100A直流電流，控制斷路器分閘，記錄下電壓波形。試驗電流大小對測試結果有一定的影響，電流偏小時，觸頭分閘運動過程中易出現斷續，電壓波形會發生畸變，對分辨出主觸頭和弧觸頭的分離點造成一定的困難，甚至無法辨認出分離點。而試驗電流大于100A時，測試所得的電壓曲線可以明顯看出主觸頭分離和弧觸頭分離在曲線上所表現的突變。

圖2 動態電阻試驗接線

圖3 GCB動態電阻檢測波形

圖3是電站GCB某相分閘期間電壓波形圖，圖中橫軸為時間值，縱軸為電壓值和斷路器行程。光標1處為斷路器主觸頭分開時間，此刻電壓波形出現一個尖波量；光標2為斷路器弧觸頭分開時間，此刻電壓波形突升，此后電壓波形為一穩態量。光標1、光標2與斷路器行程曲線交于點A、B，點A與點B橫坐標之差為該相GCB的動態電阻，縱坐標之差為該相主觸頭分開后弧觸頭的長度。

4 電壽命評估

4.1 宜興電站GCB電壽命評估

對電站2號GCB電壽命分別用累計開斷斷流法和動態電阻法進行評估，電站機組在抽水方向和發電方向停機時，負荷均在10MW以下拉開GCB，累計開斷電流按表1加權系數為1進行計算統計，其歷年動態電阻檢測值和累計開斷電流計算值見表2。可以看出，GCB每年電壽命損耗在0.2～0.3ms或700～1000kA。根據廠家資料，宜興電站GCB動態電阻檢測值應大于3ms或累計開斷電流大于5000kA，則電站該臺GCB還可運行較長時間。

表2 2號GCB動態電阻和累計開斷電流統計表

4.2 兩種評估方法對比

計算GCB兩次動態電阻檢測間隔電壽命損耗值值見表3，動態電阻利用間隔間損耗值除以新設備檢測值，累計開斷電流法用間隔間損耗值除以廠家給的電壽命值。從表中可以看出，累計開斷電流法計算壽命與動態電阻檢測壽命存在一定的偏差，這是由于：

表3 2號GCB電壽命損耗比率統計表

（1）GCB開斷時刻所處電流相位不確定，且燃弧時對弧觸頭的燒蝕過程非常復雜，其開斷時的電流值并不一定是其有效值且三相一定存在差別，而在計算累計開斷電流時利用的是開斷電流有效值，因此不能真實的反映GCB剩余的電氣壽命。

（2）檢測動態電流是直接檢測GCB主、弧觸頭分離時的電壓波形變化間的時間差，其值與弧觸頭長度成正比，在斷路器速度特性不變或變化及其微小的情況下，可以認為動態電阻直接反應弧觸頭長度。

（3）故通過動態電阻測試可直接反映GCB的電氣壽命，其結果要比計算GCB的累積開斷電流有效值準確、可靠。

4.3 評估方法的結合

累計開斷電流法可以實時計算，動態電阻法必須離線檢測，可以將累計開斷電流法與動態電阻法相結合，找出之間關聯差值。根據表3，利用動態電阻法和累計開斷電流法評估2號GCB損耗比率差值最大為0.05%（2010年），之后幾年的差值在0.01%～0.02%。在設備評估壽命時按最壞情況考慮，取最大誤差，每月結合設備月度分析時利用累計開斷電流法計算出GCB電壽命，再考慮0.05%損耗比率，從而計算出GCB最惡劣情況下的電壽命。電站依據本文方法來開展了兩臺次GCB本體大修。從GCB解體、試驗檢測、監測等方面來看，上述的方法是合理和準確的。

另外，在積累了一定數據后，可以建立神經網絡模型，推出兩者之間更為精確的聯系，編制計算程序，也可以收集全系統GCB相關數據，建立模型，找出規律。

5 結束語

抽水蓄能電站機組出口斷路器性能完好與否對機組啟停成功率和事故處理有著極為重大的影響，而抽水蓄能電站機組斷路器電壽命評估對斷路器大修周期和日期確定有著舉足輕重的作用，故在平時的運行維護中，特別是在開斷短路電流后，對GCB電壽命評估一定要重視。下面結合現場實際，筆者提出以下建議：

（1）新投產設備應檢測動態電阻、計算累計開斷電流作為原始基礎數據。

（2）每臺GCB實際情況不完全一樣，應定期計算累計開斷電流值并與動態電阻值對比修正，有條件的可以安裝錄波儀，檢測GCB開斷電流波形，提高累計開斷電流計算精度。

（3）與動態電阻相比，雖然累計開斷電流法精確度較低，但累計開斷電流法可以實時計算，故可以將兩種方法結合起來，來評估GCB電壽命。

（4）GCB開斷大電流特別是短路電流后，應立即開展電壽命評估，計算電壽命損耗和剩余壽命。

（5）GCB大修時應測量弧觸頭長度，算出損耗壽命，與動態電阻法和累計開斷電流法計算數據進行核對，并進行相應修正，進一步提高電壽命評估準確度。

[1]蔣明君.江蘇宜興抽水蓄能電站發電機斷路器電氣壽命探討[J]. 抽水蓄能技術，2011（03）.

[2]王明勝，袁平.降低開關觸頭接觸電阻的方法[J].電氣試驗，2001（01）.

宋晉紅，女，工程師，主要從事抽水蓄能電站技術管理工作。E-mail：Jinhong-Song@sgxy.sgcc.com.cn

The Analysis and Application about Electrical Life of GCB on Yixing Pumped Storage Power Station

SONG Jinhong
（East China YiXing Pumped Storage Power，YiXing 214205，China）

This paper describes the application of the accumulated breaking curren and dynamic resistance in Jiangsu Yixing Pumped Storage Power Station GCB electrical life Evaluation.This paper describes the principlescalcu，lation methods of the accumulated breaking curren and dynamic resistance，and comparative analysis of the two methods with examples of calculation results.Finally，the proposed amendment would combine the two methods to improve the assessment of the accuracy of methods can be used

dynamic resistance ；accumulated breaking current；GCB