抽水蓄能機組出口斷路器電氣壽命評估方法研究

梁睿光，陳 鵬，呂鵬飛，王丁一，李晟宇

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧省丹東市 118000）

0 引言

抽水蓄能機組出口斷路器（Generator Circuit Breaker，GCB）是保證抽水蓄能機組正常啟停的開關設備，GCB的電氣壽命決定其正常運行周期，因此，對GCB電氣壽命進行評估，判斷其使用狀態顯得尤為重要。

GCB開斷電流是其弧觸頭磨損量的決定因素，以GCB開斷電流為研究對象分析斷路器電氣壽命也是常用的電氣壽命評估方法。文獻[1-2]使用累計開斷電流法評估斷路器電氣壽命，但該方法靈敏度低，評估GCB電氣壽命誤差較大。文獻[3-5]根據開斷電流數值賦予不同加權系數，使用累計開斷電流加權系數法評估斷路器電氣壽命，該方法相比累計開斷電流法，評估精度更高，但測量程序顯得煩瑣，也因為測量裝置的安裝，增加了設備成本。

本文通過分析GCB電氣壽命評估方法，并結合某抽水蓄能電站機組電動工況停機過程開斷電流的研究，選取更適于某抽水蓄能電站GCB電氣壽命評估方法，根據優化停機過程前后的開斷電流大小對GCB進行了電氣壽命評估。

1 基于Nk-Iki壽命曲線的相對電壽命法

對某類型的SF6斷路器進行大量的開斷試驗，根據實驗數據分析得到針對該類型SF6斷路器電壽命的經驗公式，稱為Nk-Iki壽命曲線[6-7]。基于Nk-Iki壽命曲線的相對電壽命法根據不同類型斷路器特定的等效開斷電流和等效開斷次數曲線，提出用相對電壽命的概念來進行斷路器電氣壽命評估。

Nk-Iki壽命曲線即相對開斷電流Iki/Ie與等效開斷次數Nk/Ne之間的關系，也稱為等效觸頭損耗定律，Nk=f（Ie/Iki）。觸頭損耗定律定義以開斷一次0.5Ie的電磨損作為參考，獲取不同開斷電流與觸頭燒損量之間的折算關系。當Iki＜0.35Ie時，與開斷一次0.5Ie產生的電磨損相當的小電流Iki的等效開斷次數Nk：

當Iki≥0.35Ie時，與開斷一次0.5Ie所產生的電磨損等價Iki的等效開斷次數Nk：

若以開斷電流值為Ie的允許開斷次數作為參考，當Iki＜0.35Ie時，與開斷一次0.5Ie產生的電磨損相當的小電流Iki的等效開斷次數Nk：

當Iki＜0.35Ie時，與開斷一次Ie產生的電磨損相當的小電流Iki的等效開斷次數Nk：

圖1是根據觸頭損耗定律Nk=f（Ie/Iki）得出的Nk-Iki曲線。

圖1 Nk-Iki壽命曲線Figure 1 Nk-Iki life curve

根據Nk-Iki壽命曲線可以得知斷路器任意開斷電流所對應的等效開斷次數。定義GCB的額定開斷電流為Ie時，額定開斷次數為Ne，則單次開斷GCB的相對電磨損為1/Ne，當開斷電流值為任意Iki時，等效開斷次數為Nk，則單次開斷GCB的相對電磨損為1/Nk。若：

由能量守恒定則，有：

斷路器剩余的相對電壽命為：

式（5）與式（6）中的Qe、Qk皆表示GCB單次開斷的電磨損量，L0為GCB總允許磨損量，0≤L0≤1，對于全新的GCB，L0取值為1。

基于Nk-Iki壽命曲線的相對電壽命法與其他評估GCB電氣壽命的方法相比，存在以下優點：

（1） 適用于任何類型SF6斷路器的電氣壽命評估。

（2） 評估參量為GCB開斷電流，數據采集簡單易行，便于現場評估。

（3） 可根據任意開斷電流計算其等效開端期數，可精確計算GCB的電氣壽命。

（4） 可計算每次開斷對GCB弧觸頭引起的相對電磨損，及時反映GCB的使用情況。

2 抽水工況停機過程GCB開斷電流仿真分析

通過對抽水工況停機過程的仿真研究，收集GCB開斷時刻的電流有效值，可對GCB的電氣壽命進行評估。圖2為抽水蓄能機組的仿真模型。該仿真模型主要由同步電機、勵磁系統、水輪機、GCB等組成，通過模擬抽水工況下抽水蓄能機組停機過程收集GCB開斷電流數值。本次仿真用到的相關數據由某抽水蓄能電站提供。

圖2 抽水蓄能機組仿真模型Figure 2 Pumped storage unit simulation model

為了采集不同的開斷電流數值，通過調節水輪機導葉開度y（0≤y≤1）值，使其值分別為0.26、0.2、0.15、0.1，仿真得到停機時刻GCB開斷電流值見表1，為了消除仿真試驗的偶然性，導葉開度取值為0.26、0.2、0.15、0.1時，分別進行100次重復試驗。

表1 GCB開斷電流值與開斷次數Table 1 GCB’s switching current value and switching times

仿真實驗選取的GCB額定開斷電流為15kA，額定開斷次數為1300次，根據Nk-Iki曲線，可計算得出導葉開度分別為0.26、0.2、0.15、0.1時GCB的等效開斷次數以及相對電磨損見表2。

表2 GCB等效開斷次數與相對電磨損Table 2 GCB′s equivalent breaking times and relative electrical wear

根據表2可知，當導葉開度為0.10或者0.15時，GCB的開斷磨損很小，若GCB每次的開斷電流低于289.19A，則GCB的開斷次數可以接近機械開斷次數20000次。根據表2，GCB的剩余相對壽命為：

由L＞0可以判斷該GCB處于正常運行狀態，且此時GCB的電氣壽命損耗已達2%，當L接近于0時，則意味著該GCB需要檢修或更換。

3 結束語

本文以開斷電流為研究對象，分析了基于Nk-Iki壽命曲線的相對電壽命法，并結合某抽水蓄能電站抽水工況停機過程仿真分析，得出導葉開度分別為0.26、0.2、0.15、0.1時GCB的開斷電流值，使用相對電壽命法對GCB進行電氣壽命評估，計算得到GCB的剩余電氣壽命為0.998，表明GCB處于正常運行狀態。