張煒?呂澤承

摘要：研究斷路器剩余電壽命評(píng)估系統(tǒng)，并以此制定設(shè)備運(yùn)維管理策略。基于斷路器觸頭相對(duì)電磨損與相對(duì)電壽命法構(gòu)建信息模型，并依據(jù)IEC61850要求構(gòu)建電壽命評(píng)估系統(tǒng)。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸與邏輯節(jié)點(diǎn)無縫銜接，實(shí)現(xiàn)評(píng)估傳輸一致性與及時(shí)性。利用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)斷路器電壽命測值進(jìn)行預(yù)評(píng)估、實(shí)時(shí)評(píng)估、后評(píng)估，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與狀態(tài)檢修的科學(xué)管理。應(yīng)用案例表明，斷路器電剩余壽命評(píng)估系統(tǒng)可優(yōu)化設(shè)備管理機(jī)制，工程應(yīng)用價(jià)值顯著。

關(guān)鍵詞：斷路器；IEC61850；剩余電壽命；觸頭累積磨損、管理

作者簡介：張煒（1983-），男，安徽安慶人，華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院碩士研究生。（北京 102206）呂澤承（1973-），男，壯族，廣西南寧人，廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，高級(jí)工程師。（廣西 南寧 530023）

中圖分類號(hào)：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）09-0242-02

按傳統(tǒng)的計(jì)劃檢修模式檢修斷路器存在工作量大、經(jīng)濟(jì)性低等問題，同時(shí)受限于運(yùn)行方式及供電需求的限制，導(dǎo)致檢修不足。以上問題直接影響到設(shè)備的可靠管理。由于高壓斷路器電壽命反映額定短路開斷次數(shù)，體現(xiàn)不經(jīng)檢修的連續(xù)開斷能力，且電壽命較其本體壽命短。[1]因此可通過電壽命來確定在其性能下降時(shí)檢修或更換，避免盲目檢修，提升設(shè)備管理水平。

高壓斷路器觸頭電磨損的主要影響因素為開斷電流、燃弧時(shí)間及開斷次數(shù)。傳統(tǒng)的高壓斷路器電壽命計(jì)算方法即是基于觸頭電磨損值折算電壽命大小。在線監(jiān)測技術(shù)的提高、電壽命理論的完善為基于高壓斷路器觸頭的電磨損情況進(jìn)行電壽命分析奠定了基礎(chǔ)。[2]其具體算法有計(jì)及燃弧時(shí)間加權(quán)評(píng)估法、累計(jì)開關(guān)電流或電弧能量法、累計(jì)開斷電流加權(quán)法、觸頭相對(duì)電磨損與相對(duì)壽命法等。[3-4]

由于觸頭相對(duì)電磨損與相對(duì)電壽命法適用于評(píng)估不同種類的斷路器，并可較準(zhǔn)確地表征斷路器的電磨損情況，故本文基于該方法研究設(shè)計(jì)斷路器電壽命診斷模型，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測功能。該模型依據(jù)IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，滿足高壓斷路器的智能化（自我感知、自我診斷、自我報(bào)告）要求，并最終經(jīng)優(yōu)化檢修管理策略達(dá)到經(jīng)濟(jì)、效能、安全的平衡。

一、電壽命監(jiān)測原理及算法

1.監(jiān)測參數(shù)選擇

影響高壓斷路器電壽命的因素包括滅弧室、滅弧介質(zhì)、觸頭三方面電磨損，其中起主要作用的是由于觸頭電磨損引起接觸表面的損傷、導(dǎo)電材料的缺失和變形等。觸頭電磨損主要取決于開斷電流的大小及燃弧時(shí)間的長短，然而實(shí)際應(yīng)用中難以準(zhǔn)確測量燃弧時(shí)間[5]，且由統(tǒng)計(jì)和累計(jì)的角度分析可不考慮燃弧時(shí)間。

另外，累計(jì)開斷電流與觸頭電磨損之間的變化并非單值函數(shù)，其電磨損量數(shù)值與開斷電流數(shù)值成正比。因此，應(yīng)依據(jù)高壓斷路器單次開斷電流值換算成相應(yīng)的電磨損量，并依據(jù)開斷次數(shù)來確定磨損總量；其不同開斷電流下的等效磨損量可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線確定。[6，7]

綜上所述，高壓短路電壽命評(píng)估算法需針對(duì)觸頭的電磨損進(jìn)行計(jì)算，用于計(jì)算的在線監(jiān)測參數(shù)包括動(dòng)作次數(shù)、開斷電流值?；谶@些監(jiān)測值進(jìn)行電壽命評(píng)估的對(duì)比分析如下：[8]

2.計(jì)算方法比較

累計(jì)開斷電流算法是直接計(jì)算方法，實(shí)施復(fù)雜。監(jiān)測燃弧時(shí)間需確定剛分點(diǎn)，確定剛分點(diǎn)則需加裝傳感器，[9]進(jìn)而使得傳感器間的同步采樣和計(jì)算分析更為復(fù)雜，影響裝置穩(wěn)定性。

開斷電流加權(quán)累計(jì)算法是間接推導(dǎo)方法，實(shí)施簡單，但需綜合考慮觸頭材料、滅弧介質(zhì)等對(duì)累計(jì)電磨損值的影響，故存在計(jì)算值偏差。

基于觸頭相對(duì)電磨損與相對(duì)電壽命算法是間接等效方法，實(shí)現(xiàn)方式簡單，且有利于現(xiàn)場監(jiān)測裝置的穩(wěn)定性，可靠反應(yīng)電磨損變化趨勢。因此本文設(shè)計(jì)的斷路器剩余電壽命分析模型選擇相對(duì)電磨損法實(shí)現(xiàn)，推斷斷路器觸頭電磨損值、等效允許開斷次數(shù)、實(shí)際允許開斷次數(shù)。

二、系統(tǒng)模型及功能實(shí)現(xiàn)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于電壽命分析所需監(jiān)測參量構(gòu)建其硬件結(jié)構(gòu)。硬件結(jié)構(gòu)由套裝于電流電壓互感器二次側(cè)的微型電流傳感器、光電旋轉(zhuǎn)編碼器、信號(hào)采集處理模塊等組成。其中信號(hào)采集處理模塊包括現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、中央處理器以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

由于變電站內(nèi)數(shù)據(jù)交互實(shí)施認(rèn)證性強(qiáng)[10]，故信號(hào)采集處理模塊為確保數(shù)據(jù)并行處理能力、提高數(shù)據(jù)交換速度和精度而選用占用時(shí)間少、通信量大的雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random-Access Memory，RAM）和FPGA，可支持模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和差分信號(hào)同時(shí)采集和處理。同時(shí)，按IEC 61850要求配置通信端口權(quán)限。

信號(hào)采集處理模塊作業(yè)流程為：實(shí)時(shí)采集信號(hào)，初步分析后由操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，啟動(dòng)多線程立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、特征量分析、結(jié)果計(jì)算、診斷和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。硬件結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2.數(shù)據(jù)模型

依據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磨損監(jiān)測的智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）進(jìn)行建模。首先定義IED的邏輯設(shè)備（Logical Device，LD），再依具體功能對(duì)LD分類，并構(gòu)建若干邏輯節(jié)點(diǎn)（Logical Node，LN）。其中，LN為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中能實(shí)現(xiàn)某一具體功能的最小抽象單位，包含數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)屬性）。[11]針對(duì)斷路器電磨損監(jiān)測涉及多類邏輯節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間需無縫銜接；具體的邏輯節(jié)點(diǎn)包括：LLNO（Logical Node Zero）、LPHD（Logical Physical Device）、SCBR（Circuit Breaker Supervision）、CPOW（Point-on-wave switching）、CSWI（Switch controller）。[12]

SCBR用于斷路器電磨損監(jiān)測的關(guān)鍵邏輯節(jié)點(diǎn)定義。該邏輯節(jié)點(diǎn)強(qiáng)調(diào)互用性，可與其他邏輯節(jié)點(diǎn)銜接配合；如與CSWI或CPOW配合應(yīng)用，以獲取斷路器分/合狀態(tài)信號(hào)。如需在CSWI或CPOW和XCBR之間達(dá)到“時(shí)間激活控制”服務(wù)功能，則用通用變電站事件（Generic Substation Event，GSE）報(bào)文完成分/合狀態(tài)信號(hào)傳輸。[13]為保證電流采樣、分合閘位置監(jiān)測數(shù)據(jù)并行傳輸時(shí)的傳輸實(shí)時(shí)性與一致性，模型設(shè)定GSE報(bào)文傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)別最高，其傳輸時(shí)差小于4ms。由于觸頭按相配置，因此邏輯節(jié)點(diǎn)按相分別定義。

3.評(píng)估功能實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)由預(yù)評(píng)估、實(shí)時(shí)評(píng)估和后評(píng)估三個(gè)角度對(duì)斷路器電壽命進(jìn)行多維度評(píng)估，給設(shè)備管理部門提供反饋?zhàn)罴褭z修周期信息，以指導(dǎo)設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工作。

預(yù)評(píng)估即是結(jié)合設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行方式及電壽命測值與系統(tǒng)運(yùn)行部門制定的調(diào)度計(jì)劃、負(fù)荷預(yù)測等信息進(jìn)行比較，以評(píng)估電壽命變化趨勢，從而給出合理的設(shè)備運(yùn)維管理指導(dǎo)意見。

實(shí)時(shí)評(píng)估即是在實(shí)時(shí)運(yùn)行中評(píng)估電壽命測值，校正與預(yù)評(píng)估值偏差，反饋斷路器設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)；并預(yù)警斷路器異常，避免發(fā)生事故。

后評(píng)估即是根據(jù)當(dāng)前的電壽命預(yù)評(píng)估值以及過去一年內(nèi)的實(shí)際電壽命變化曲線，求取一年后電壽命評(píng)估值，并與電網(wǎng)檢修預(yù)試計(jì)劃進(jìn)行比較，同時(shí)計(jì)算停電檢修成本，以充分挖掘設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行潛力，改善檢修維護(hù)策略，從而為設(shè)備管理部門的檢修維護(hù)提供輔助決策。

三、實(shí)例分析

本系統(tǒng)模型支持三相合體式和分體式斷路器的電壽命監(jiān)測。下面以某500kV變電站三相分體式高壓斷路器為例介紹系統(tǒng)模型安裝、調(diào)試與運(yùn)行情況。

如圖2所示，在斷路器本體的動(dòng)作機(jī)構(gòu)和本地匯控柜里的合適位置分別安裝CT電流傳感器、光電旋轉(zhuǎn)位移編碼傳感器和分合閘輔助觸點(diǎn)接線端子。利用電纜和屏蔽線把傳感器連接到智能設(shè)備背板相應(yīng)的接線端子排上。運(yùn)行測試程序，進(jìn)行通道檢驗(yàn)，檢驗(yàn)確認(rèn)設(shè)備正常運(yùn)行后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集后，需在診斷分析前先進(jìn)行變比等參數(shù)設(shè)定和配置。操作斷路器進(jìn)行動(dòng)作，智能設(shè)備會(huì)自動(dòng)采集、分析、計(jì)算和遠(yuǎn)傳結(jié)果數(shù)據(jù)。電壽命診斷根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，以4種方式進(jìn)行輸出，分別是電壽命百分比、等效允許的斷路器開斷次數(shù)、實(shí)際允許的開斷次數(shù)和相對(duì)電磨損量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。根據(jù)在線監(jiān)測計(jì)算出來的電壽命百分比查參數(shù)表可對(duì)比確定斷路器實(shí)際允許的開斷次數(shù)。

對(duì)于該臺(tái)斷路器設(shè)備而言，在檢修管理工作流程中，首先對(duì)斷路器電壽命評(píng)估值進(jìn)行分析，并判定得到設(shè)備故障類型，再進(jìn)行設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)合不同檢修方案完成設(shè)備狀態(tài)檢修的風(fēng)險(xiǎn)決策。在此過程中，結(jié)合電壽命周期成本管理可將設(shè)備使用與維護(hù)成本最小化，以提升管理效率。

四、結(jié)論

對(duì)于斷路器設(shè)備而言，在維護(hù)工作流程中首先是對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。本文基于斷路器觸頭磨損程度構(gòu)建斷路器電壽命評(píng)估模型，并得出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及檢修周期。依據(jù)該方式可為制定維護(hù)方案提供輔助決策，避免在計(jì)劃檢修體制下斷路器所面臨的維修不足或過剩問題。引入了斷路器電壽命評(píng)估機(jī)制的檢修方式，可推導(dǎo)出最佳檢修策略。提出的結(jié)合斷路器周期成本管理概念對(duì)合理安排設(shè)備運(yùn)行與檢修，進(jìn)而節(jié)省成本、降低風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式提供借鑒和參考。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）