高壓斷路器機械部件生命周期模型研究

趙旭州，周 剛

（國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

隨著高壓斷路器使用時間的增加，機械機構、觸頭磨損，分合閘二次機構等故障問題日益凸顯，此類問題導致斷路器相關部件老化、損壞，引起斷路器運行失常，直接影響電網安全穩定運行，甚至導致地區大面積停電，給企業及用戶帶來了不可逆轉的經濟損失和嚴重的社會影響。為了預防上述問題的出現，須檢修人員定期對高壓斷路器進行全方面的“體檢”，及時發現斷路器機構故障并安排檢修計劃。為了合理地制定檢修計劃，幫助檢修人員減少工作，提高工作效率，須對高壓斷路器機械部件進行生命周期研究。然而生命周期的結果是否準確，取決于評估模型的合理性，精準的生命周期評估模型可以降低用戶的停電時間，提高社經濟效益、設備利用率及保障電網安全運行。

近年來，越來越多學者開始研究高壓斷路器的生命周期模型，但大多數研究基本針對斷路器各部分成本作為邊界條件，以經濟成本最低為優化目標，建立斷路器的剩余經濟生命周期模型。上述這些成果僅分析了斷路器全生命周期內經濟成本的合理性，但是對斷路器機械部件生命周期模型建立與研究所述較少。不能很好預測尚未出現故障的高壓斷路器剩余生命周期，不能幫助檢修人員及時發現高壓斷路器存在的隱患，無法起到安全運行指導性的作用。

因此本文建立了高壓斷路器機械部件生命周期模型方法。對于尚未出現故障的高壓斷路器，能夠針對機械部件的生命周期進行評估，通過主動設置故障源，解決故障下的檢測數據樣本數量少的技術問題，且使檢測數據與故障的關聯性更密切，有助于提高故障分析的準確度。

1 現狀分析

不同型號的斷路器發生的故障現象是不同的，通過研究總結為斷路器內部構件在受到環境、電流的熱效應等影響所導致的結構變化，進而引發性能降低。

絕緣性劣化：斷路器在長時間運行時，內部會流過較大的負荷電流，電流的磁效應以及熱效應會導致絕緣材料劣化，當劣化到臨界位置時，還會進一步引起局部放電，最終導致斷路器出現故障。

機械性劣化：斷路器在磁場的變化下，內部會受到應力的作用。應力會造成斷路器零部件松動以及結構出現空隙，進而影響絕緣性能。

熱劣化：在長時間受到電流熱效應的作用下，斷路器的材料內部會發生不可逆轉的變化，進一步影響絕緣性能，分內部絕緣物質的熱劣化、密封材料的熱劣化等。

環境劣化：斷路器長時間經受風吹雨打，惡劣天氣會在絕緣物表面產生污穢從而引發絕緣性能降低；酸雨會導致金屬材料表面發生腐蝕；高溫天氣會促使SF6氣體在接觸電弧后發生高溫分解等。

斷路器故障的發生有著其自身的規律。如果檢修人員能夠通過檢測裝置獲得高壓斷路器的典型參數并結合合理的生命周期模型進行分析，就可以得到該斷路器的狀態，從而實現預測斷路器性能發展趨勢的功能，對電氣設備檢修、電網安全運行、企業經濟效益具有重要意義。

2 技術方案

2.1 制定方案

在尚未出現故障的高壓斷路器的每個機械運動部件上均安裝非接觸式位移傳感器，在斷電條件下反復分合閘直至斷路器損壞，將平均分合閘次數作為該型號斷路器壽命，并記錄對應機械部件位移量，建立同型號高壓斷路器的機械特性與機械部件生命周期的關聯模型、同型號高壓斷路器帶電分合閘次數與接觸電阻的關聯模型。將待評估高壓斷路器的機械特性檢測數據輸入所述機械特性與機械部件生命周期的關聯模型，獲得待評估高壓斷路器的機械部件生命周期評估結果；獲得待評估高壓斷路器帶電分合閘的次數，與同型號高壓斷路器帶電分合閘次數與接觸電阻的關聯模型對比，獲得接觸電阻的評估結果作為機械部件生命周期評判依據。

2.2 方案實施

2.2.1 建立同型號高壓斷路器的機械特性與機械部件生命周期模型

在正常高壓斷路器的每個機械運動部件上均安裝非接觸式位移傳感器；根據高壓斷路器的維護要求，依次選擇一項維護要求使其不達標，在斷電條件下，對該高壓斷路器不斷重復分合閘試驗，直至該高壓斷路器的機械部件出現損壞，記錄試驗過程中分合閘次數N；記錄試驗過程中各個機械運動部件在分合閘過程中的位移數據并關聯對應維護要求不達標對應故障，而后修復高壓斷路器，并進行下一項維護要求不達標的試驗。

在待評估的高壓斷路器的每個機械運動部件上均安裝非接觸式位移傳感器，對待評估的高壓斷路器進行一次分合閘，獲得非接觸式位移傳感器所測得的位移數據，將待評估的高壓斷路器的非接觸式位移傳感器所測得的位移數據與歷史位移數據對比，獲得最接近的歷史位移數據對應的分合閘試驗次數n，將（N-n）作為待評估的高壓斷路器的剩余使用生命周期。

非接觸式位移傳感器包括激光發射器、限流電阻、光敏電阻、供電模塊、反射貼紙、電壓傳感器和通信模塊，激光發射器固定安裝在高壓斷路器的外殼內，沿法向對準機械運動部件外表面的一個對準點，調整使激光發射器出射光與機械運動部件外表面法向具有夾角，在機械運動部件的行程內，激光發射器的對準點沿機械運動部件的外表面移動，形成移動范圍，反射貼紙貼附在機械運動部件上并覆蓋所述對準點的移動范圍，所述反射貼紙具有若干個沿機械運動部件行程等間距排列的高反射區，相鄰高反射區之間為低反射區，高反射區寬度與低反射區寬度相等，激光發射器的光斑直徑等于該間隔寬度的整倍數，光敏電阻安裝于激光發射器關于機械運動部件外表面法向對稱的另一側，光敏電阻一端接地，另一端通過限流電阻與供電模塊連接，電壓傳感器采集光敏電阻與限流電阻連接點的電壓，電壓傳感器與通信模塊連接。

2.2.2 建立同型號高壓斷路器帶電分合閘次數與接觸電阻的關聯模型

獲得同型號高壓斷路器全部歷史檢測數據中的帶電分合閘次數，以及對應次數時測得的接觸電阻。

將接觸電阻按對應的帶電分合閘次數分組，獲得每個帶電分合閘次數下的全部接觸電阻，并求均值。

將帶電分合閘次數作為自變量，將帶電分合閘次數對應的接觸電阻均值作函數值，進行擬合，將擬合函數作為同型號高壓斷路器帶電分合閘次數與接觸電阻的關聯模型。將待評估高壓斷路器的接觸電阻與關聯模型輸出的接觸電阻的商，作為待評估高壓斷路器的接觸電阻的評估結果。

3 現場應用

2022年1月，在浙江省某地市供電公司作為試點單位，實現高壓斷路器設備剩余生命周期的應用。目前已在該供電公司所屬多個單位和部門推廣應用，應用效果良好。

通過建立合理的高壓斷路器機械部件生命周期模型提高了公司變電安全運行的管理水平，提高了班組工作質量、工作能力、工作效率，提升業務質效和基層班組“獲得感”，支撐公司設備管理數字化轉型；同時提升了電網設備互聯感知、智能互動能力，為電力行業提供了典型范例，具有廣闊的應用前景。

4 效益分析

高壓斷路器作為電網中關鍵的電氣設備，旨在建立合理的高壓斷路器機械部件生命周期模型。對于尚未出現故障的高壓斷路器，給出機械部件的生命周期評估結果，作為高壓斷路器狀態評估的結果。

通過建立高壓斷路器機械部件生命周期模型使檢修人員能夠全方位、多角度地分析和掌握斷路器運行狀態和生命周期，根據現有信息制定合理的檢修維護策略。

檢修人員根據結果制定合理的檢修計劃，可以在一定程度上減少不必要的作業，同時還能降低設備的檢修費用。

通過對高壓斷路器機械部件生命周期的檢測，幫助檢修人員及時發現高壓斷路器存在的隱患，將隱患從根源上消滅，防患于未然，對安全可靠供電具有重要指導意義。

主動設置故障源可以解決故障下檢測數據樣本數量少的技術問題，同時通過主動設置故障源可以讓檢測數據和機械部件故障兩者之間更具有關聯性，從而有助于提高故障分析的準確度對保障電網的安全運行、提高電力企業的經濟效益具有重要意義。

5 結束語

本文所建立的高壓斷路器機械部件生命周期模型，適用于全電壓等級高壓斷路器，不同型號不同電壓等級的產品可以通過前期故障數據和故障模擬建立相應機械特性相關的生命周期評估模型和分合閘次數相關故障判斷模型，可實現高壓斷路器狀態評估和生命周期預判。研究過程中秉承電力系統生產“安全第一”的原則，致力于解決重要而又傳統的狀態評估中存在的低效、有安全隱患、過分依賴人工經驗的問題，幫助檢修人員及時發現高壓斷路器存在的隱患，將隱患從根源上消滅，起到防患于未然的作用。