SF6斷路器狀態監測系統在電網中的應用

董 杰

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SF6斷路器狀態監測系統在電網中的應用

董 杰

（國網青海省電力公司檢修公司，青海海東810700）

通常電力系統對SF6斷路器多采用定期檢修的模式來進行預檢，此種模式不僅耗費大量的人力物力，而且過度的拆卸檢修和頻繁操作也降低了SF6斷路器的運行可靠性。隨著大量傳感技術、智能終端設備的應用，依托狀態監測系統來實現SF6斷路器的狀態檢修新模式，對于降低運維費用、減少停電時間及實現故障風險預控等至關重要。本文將借鑒國內外同類系統設計思路，采用分層分布式架構來實現對全站SF6斷路器的操動機構機械特性、絕緣特性、輔助設備狀態等信息的采集、分析和存儲功能，從而為SF6斷路器狀態檢修模式的實現提供數據支撐。

電網；SF6斷路器；狀態監測系統；狀態檢修

近年來國內外針對SF6斷路器狀態監測系統進行了大量的研究，例如美國CEI公司研制的SF6斷路器監測器，能夠在線測量SF6氣體的壓力和溫度，實時計算SF6氣體的密度，并且能夠根據所獲得的SF6斷路器的氣體/液體壓力、操作電流及分合閘線圈的工作情況，來對SF6斷路器的各類潛在故障進行預測[1]。香港中華電力公司研制的分布式斷路器狀態在線監測系統，能夠實現SF6斷路器的持續狀態監測。

但現階段我國還沒有比較成熟且應用廣泛的SF6斷路器狀態監測系統，已經應用的產品存在如下方面的突出問題：①無法全面實現監測數據的存儲、處理和分析等功能，從而無法為電力部門在鎖定故障位置、劣化趨勢判斷等方面提供權威指導數據；②功能架構有待完善，監測項目比較單一；③對縣域電網缺乏成熟的改裝方案且與原站內系統無法有效融合，具有較強的信息孤島效應[2]。為滿足電力系統日益嚴格的運維需求，構建一套功能完善且經濟性強的SF6斷路器狀態監測系統迫在眉睫了。

1 SF6斷路器的常見故障分析

要實現SF6斷路器狀態監測系統在電網中的良好應用，就必須先通過信息采集和數據分析的方式，根據SF6斷路器的常見故障來推斷狀態監測系統需要針對性實現的故障類型、狀態參數和關鍵部位[3]。表1為第二屆GIGRE調查的斷路器常見故障部分結果，由此獲得高壓斷路器常見故障及監測項目關系圖，如圖1所示。可知機械故障和絕緣劣化等是SF6斷路器的主要故障。

表1 第二屆GIGRE調查的斷路器常見故障部分結果

2 SF6斷路器狀態監測系統的詳細設計

2.1 SF6斷路器狀態監測系統的整體架構

圖2為SF6斷路器狀態監測系統的整體硬件架構，整個系統的運行原理如下：通過加裝在SF6斷路器及附屬設備上的各類傳感器（如振動傳感器、氣體濕度傳感器、滑阻式位移傳感器、分合閘線圈精密電流互感器等），對斷路器的電氣壽命、絕緣性能、機械特性等狀態數據進行實時采集；獨立敷設的RS 485總線可以將信號傳遞給SF6斷路器狀態監測子系統和輔助設備監測子系統進行數據處理，并將處理后的數據上傳到狀態監測屏通訊管理機進行數據匯總處理（數據存儲、綜合運算、比對規程設置閾值等）；基于B/S架構的監控中心對SF6斷路器的各狀態參數形成診斷參考結果，并上傳后為電力企業的SCADA系統、狀態檢修管理系統、PMS系統等提供數據參考。

圖2 SF6斷路器狀態監測系統的整體硬件架構

單臺斷路器的“SF6斷路器狀態監測系統”由SF6斷路器狀態監測子系統和輔助設備監測子系統等兩個部分構成，功能模塊包括SF6氣體微水密度狀態監測、操動機構機械性能狀態監測、電壽命診斷、無線綜合測溫監測、蓄電池狀態監測、SF6開關室空氣質量監測、變電站邊界警戒監測等7個部分。通過將現場傳感器采集的狀態監測原始傳感信號匯總到各個子系統，SF6斷路器狀態監測系統能夠對SF6斷路器的運行狀態和功能部件性能進行直觀展示，從而為SF6斷路器的在線狀態顯示、越限閾值報警、故障診斷等功能提供數據支撐。SF6斷路器狀態監測子系統和輔助設備監測子系統間通過站內RS 485總線來實現數據的傳輸[4]。

1）SF6斷路器狀態監測子系統設計

（1）SF6氣體微水密度狀態監測模塊設計

通過采用ZWM型SF6氣體微水密度綜合檢測裝置，SF6氣體微水密度狀態監測模塊可以對各氣室SF6氣體的相對溫度、壓力及溫度等數據進行實時采集，然后通過計算獲得標準狀況下SF6氣體密度和微水含量。表2為SF6氣體微水密度狀態監測模塊的機構表。

表2 SF6氣體微水密度狀態監測模塊的機構

（2）操動機構機械性能狀態監測模塊設計

當SF6斷路器動作時，操動機構機械性能狀態監測模塊能夠對主回路電流曲線、機械振動波形、分（合）閘線圈電壓電流曲線、觸頭行程位移時間特性曲線、輔助觸點信號燈等進行采集，然后將上述實測曲線波形與數據庫中的“健康標準”波形進行比對，從而判斷SF6斷路器的各種狀態量是否超限。表3為操動機構機械性能狀態監測模塊的機 構表。

表3 操動機構機械性能狀態監測模塊的機構

（3）電壽命診斷模塊設計

通過采集SF6斷路器累計動作次數和開關電流數據，電壽命診斷模塊能夠對SF6斷路器主觸頭的電灼燒磨損量進行測算，并將SF6斷路器累計動作次數與最大觸頭動作次數進行對比，從而對觸頭電氣壽命進行判斷[5]。當判斷出觸頭電氣壽命超限時，系統將會發出相應的警報。表4為電壽命診斷模塊的機構表。

表4 電壽命診斷模塊的機構

2）輔助設備監測子系統設計

（1）無線綜合測溫監測模塊設計。將感應電源式無線測溫采集裝置安裝于SF6斷路器的開關柜、鏈接銅排及手車開關觸頭等部位，從而準確反映被測面溫度值。

（2）蓄電池狀態監測模塊設計。通過將電流傳感器和溫度傳感器安裝在蓄電池上，能夠對蓄電池的溫度、電流及電壓等數據進行采集。然后通過RS 232/RS 485將蓄電池的狀態數據傳輸到客戶端數據庫中，并通過網絡最終傳輸到后臺綜合監測服務器中，以便于主系統對蓄電池的狀態數據進行處理。

（3）SF6開關室空氣質量監測模塊設計。通過安裝在SF6氣體配電裝置室低位區的氧量儀和入口處的SF6氣體檢漏儀，SF6開關室空氣質量監測模塊能夠對SF6開關室空氣質量和SF6氣體含量進行實時監測，一旦發現空氣中SF6氣體含量超過1000PPM時就發出聲光警報，同時啟動強力通風裝置[6]。

（4）變電站邊界警戒監測模塊設計。變電站邊界警戒監測模塊在微機控保室、變電站圍墻、SF6開關室、電纜坑道等4個地方設置防區，對周界區域人員穿越信號進行探測，一旦發現有違規進入行為，就發出聲光報警信號，從而極大地完善了安防 管理。

2.2 SF6斷路器狀態監測系統數據庫設計

根據SF6斷路器狀態監測系統的功能需求及所采集變量的特點，系統數據管理時具有記錄連貫性要求高、數據間關聯運算關系復雜、數據類型較多、數據安全性較高、數據冗余度要求高等設計要求，為此本文最終選擇了SQL Server 2000數據庫[7]。相較于其他數據庫，SQL Server 2000數據庫具有Internet集成、可用性和可伸縮性、企業級數據庫、易于安裝及部署等特點，完全適用于本系統對后臺數據庫的設計要求。

表5為SF6斷路器狀態監測系統各庫表的具體功能。表6為Realtime表的表內參數。

表5 SF6斷路器狀態監測系統各庫表的具體功能

3 SF6斷路器狀態監測系統的應用效果

3.1 SF6斷路器狀態監測系統的應用舉例

圖3為SF6斷路器狀態監測系統的監測主界面，用戶輸入正確的用戶名和密碼后就可以進入監測主界面，此外用戶可以對用戶名和密碼進行更改。

圖3 狀態監測系統的監測主界面

圖4為SF6斷路器狀態監測系統的閾值設定對話框，在此界面上，用戶可以對SF6壓力閾值、SF6濕度閾值、空壓機電流閾值、主回路電流閾值、空壓機壓力閾值、控制箱溫度閾值等進行越限告警閾值設定。

圖4 狀態監測系統的閾值設定對話框

3.2 SF6斷路器狀態監測系統的應用效果

已經投入運行的SF6斷路器狀態監測系統，有效輔助了電力企業運維人員實現對各SF6斷路器的實時準確狀態監測和歷史數據綜合分析，完整獲得了斷路器電壽命、滅弧介質絕緣狀態、機械操動機構狀態、關聯部件溫度、開關室有毒氣體、電磁組可用性等各類狀態參數，為SF6斷路器狀態檢修模式的實現提供了技術支撐。

SF6斷路器狀態監測系統的使用，能夠通過對SF6斷路器狀態參數加工整合而成的分（合）閘線圈電流波形、動觸頭行程和速度、儲能性能、振動波紋等形象、準確分析SF6斷路器操動機構機械特性變化趨勢是否在合理范圍，及時鎖定準故障部位和準故障類型并開展針對性預控檢修；能夠通過對SF6斷路器周邊輔助設備電氣性能和邊界環境安全的在線監測，杜絕絕大多數可能干擾斷路器安全穩定運行的不良因素；能夠通過對SF6氣體微水密度的監測，及時發現氣體泄漏趨勢和氣體干燥器失效隱患，并準確鎖定密封劣化部位。

4 結論

作為電力系統的重要組成部分，SF6斷路器在電網中發揮著控制和保護的作用，雖然一臺SF6斷路器自身的價格并不高，但當SF6斷路器發生故障時，則可能引發巨大的經濟損失及人員傷亡，為此確保SF6斷路器的可靠運行對于重新配置電網能力具有十分重要的現實意義。

利用在線監測技術來對SF6斷路器的運行參數進行實時且長期的監測，不僅能夠使運行人員準確了解SF6斷路器的當前運行狀態，而且還能夠使運行人員對SF6斷路器各種運行參數的變化趨勢進行研判，從而實現SF6斷路器故障的預知性研判，為降低SF6斷路器的維修保養費用、提高SF6斷路器的利用率奠定基礎。

[1] 呂鵬鵬. 基于光電和無線傳輸技術的SF6斷路器在線監測系統[D]. 北京: 華北電力大學, 2015.

[2] Gcrchikov, L. G., Gnbakin, G. F. Electron attachment to SF6and 1ifetimes of SF6-negative ions[J]. Physical ReviewA, 2008, 77(4).

[3] 苑毅, 黃珍. SF6斷路器故障專家監測系統的研究[J]. 中國建材科技, 2014, 23(4): 6-7.

[4] 楊惠. 基于模糊神經網絡的SF6斷路器專家診斷系統的研究[J]. 自動化與儀器儀表, 2015(2): 83-84, 88.

[5] 張鑫. 基于數據挖掘技術的SF6氣體分析和故障診斷研究[J]. 電氣開關, 2013, 51(5): 37-40.

[6] 王迪. 基于IEC 61850標準的SF6斷路器在線監測系統關鍵技術研究[D]. 南京: 東南大學, 2015.

[7] 王琛. 無人值守變電站SF6斷路器狀態監測研究[D]. 哈爾濱: 東北農業大學, 2014.

The Research of SF6Circuit Breaker Online Monitoring System Application in Power Grid

Dong Jie

(State Grid Qinghai Electric Power Company Maintenance Company, Haidong, Qinghai 810700)

A lot of manpower and resources was consumed by using the regular maintenance of SF6Circuit Breaker. With the applications of sensing technology, intelligent terminal equipment, the condition-based maintenance of SF6Circuit Breaker has become possible. Based of drawing lessons from similar system design ideas at home and abroad, the SF6Circuit Breaker Online Monitoring System Application will be designed in this paper.

power grid; SF6Circuit Breaker; online monitoring system; condition-based maintenance

董 杰（1987-），男，本科，河南鶴壁人，助理工程師，從事交流電力設備試驗檢測工作。