CN105425145A - 断路器灭弧室电寿命监测方法及其燃弧电流起始时刻判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适应性好，操作简单，判断精确的断路器灭弧室电寿命监测方法及其燃弧电流起始时刻判断方法。本发明通过开关设备传动系统带动灭弧室动作时，在灭弧室动静触头分离时刻，传动系统上的力值会发生由大到小的突变，该力值的突变时刻即为灭弧室的刚分时刻；因而通过力值的突变时刻即可反应灭弧室的刚分时刻。但由于智能电子装置需要对采集的力值信号进行放大、处理和分析，存在着一定的硬件和软件延时，因而可通过真实断口信号对智能电子计算的力值突变时刻进行修正，确定硬件、软件延时。利用实时对断路器传动系统上的力值信号和线路电流信号进行实时监测与录波，确定断路器开断过程中的起始燃弧时刻、燃弧持续时间和燃弧电流值。

Description

断路器灭弧室电寿命监测方法及其燃弧电流起始时刻判断方法

技术领域

本发明涉及电力系统测量监测领域，具体为断路器灭弧室电寿命监测方法及其燃弧电流起始时刻判断方法。

背景技术

由于真空断路器在配电网中的普遍应用，要想真正达到少检修、少事故，对于真空断路器的寿命监测判断是必不可少的。真空断路器的寿命参数一般分为3个方面：机械寿命、存储寿命和电寿命。真空断路器的机械寿命一般可达1万次至10万次；目前符合国家标准的真空断路器其存储寿命长达15指20年。而一般应用中，真正决定真空断路器的使用寿命的是其电寿命参数，电寿命是指断路器在额定短路电流状态下的开断次数，而现有的真空断路器的电寿命仅为数十次。随着真空断路器在使用过程中断路器因多次开断导致金属触头的电磨损，金属触头会逐渐消耗，动作电流越大则磨损越大，当磨损过大时，断路器就不能正常工作，真空灭弧室失效，电弧不能断开，灭弧室可能因此而爆炸造成重大事故。因此，既要能够减少检修的次数又要保障电力系统的安全运行，能够提供一种实时监测真空断路器电寿命，预测剩余电寿命是相当必要的。

断路器的燃弧时间对电寿命的结果影响较大，一般情况下熄弧时间可通过开断电流的过零点确定，关键是问题这种方法不能准确地获得各相触头的起弧时刻，只能根据开断电流瞬时变化的特点确定，随机性大。现有技术中还存在如下处理方法：①采用触头开合辅助节点信号，结合开断电流确定，但由于辅助节点有动作延时且辅助触点的动作时间分散性大，从而不能有效准确确定燃弧起始时间。②利用磁场信号确定燃弧起始时间，但其忽略了三相的不同期性。多台高压断路器同时操作或相继操作时，磁场信号出现重叠，难以确定哪个磁场探头接受的信号是所需要的；高压断路器合闸时也会产生高频电磁辐射，将可能启动触发电路，误累计为开断电流。③高压断路器触头在分开时，相电流发生突变，此时频率变化显著，这时对电流信号进行高速采样，利用软件算法对各相电流信号分析处理，可以发现产生电流突变的时刻，以此来求取分闸时间、燃弧时间及高压断路器三相的同期性，但是如果是开断故障电流，由于故障电流的频率变化没有规律，因而采用软件算法，无法准确判断故障开断电流的燃弧时刻。通过将第四种方法结合第一和二方法，在假设三个辅助接点延时特性相同的条件下，利用辅助节点计算出三相不同期时间，利用磁场信号确定首开相起弧时间，虽然能够精确地获得各相燃弧时间。但这种方法适用性差，还需额外的磁场传感器，增加了监测量。⑤利用分闸线圈最大电流出现时刻为起弧时刻，忽略三相的不同期性和将触头的超程运行时间作为燃弧时间，不能有效的计算每相电弧能量且要求开断电流与分闸线圈电流同步采样。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种适应性好，操作简单，判断精确的断路器灭弧室电寿命监测方法及其燃弧电流起始时刻判断方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明断路器燃弧电流起始时刻判断方法，包括如下步骤，

步骤一，断路器在线运行时，通过各断口灭弧室传动输入端上设置的力传感器采集各相对应的力值信号；

步骤二，通过对力值信号的分析得到对应相的力值突变时刻；

步骤三，通过离线测量出每一相的刚分时刻，得到对应相的刚分时刻与力值突变时刻的时间差，将该时间差作为该相的修正因子；

步骤四，断路器在线运行时，根据采集到的在线力值突变时刻减去修正因子，得到断路器燃弧电流起始时刻。

本发明断路器灭弧室电寿命监测方法，包括如下步骤，

步骤1，确定断路器每相燃弧电流起始时刻；

1.1断路器在线运行时，通过各断口灭弧室传动输入端上设置的力传感器采集各相对应的力值信号，并分析得到对应相的力值突变时刻；

1.2通过离线测量出断路器每一相的刚分时刻，得到对应相的刚分时刻与力值突变时刻的时间差，将该时间差作为该相的修正因子；

1.3断路器在线运行时，根据采集到的在线力值突变时刻减去修正因子，得到断路器燃弧电流起始时刻；

步骤2，断路器在线运行时，采集每相的保护电流信号，确定断路器每相燃弧电流的终止时刻，从而得到每相燃弧电流的持续时间；

步骤3，采用计及燃弧时间的开断电流加权累计法，分别累计三相触头各自的电磨损情况，同时根据燃弧电流的持续时间计算每相每次开断电流的电磨损量；

步骤4，当判断每相每次开断电流的电磨损量不小于每相触头开断电流累计电弧能量的报警值时，给出报警信号。

优选的，步骤3中，计及燃弧时间的开断电流加权累计法中通过如下公式得到单相单次开断电流电弧能量；

$Q_n={\∫}_{t1}^{t2}|i_n\left(t\right){|}^{\mathrm{\β}}dt;$

其中，t₁是燃弧电流起始时刻；t₂是燃弧电流结束时刻；i_n(t)是单相第n次开断时电流值；其中β是常数，一般取1～2，n为正整数。

进一步，步骤3中，计及燃弧时间的开断电流加权累计法中通过如下公式得到单相累计开断电流的电弧能量；

$Q_N=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\∫}_{t1}^{t2}|i_n\left(t\right){|}^{\mathrm{\β}}dt;$

其中，N表示开断总数。

进一步，步骤3中，计及燃弧时间的开断电流加权累计法中通过如下公式得到单相单次开断电流电磨损量；

W_n＝K_nwQ_n；

其中，K_nw是单次开断磨损量。

进一步，步骤3中，计及燃弧时间的开断电流加权累计法中通过如下公式得到单相触头累计电磨损量；

$W_N=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{W}_n.$

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过开关设备传动系统带动灭弧室动作时，在灭弧室动静触头分离时刻，传动系统上的力值会发生由大到小的突变，该力值的突变时刻即为灭弧室的刚分时刻；因而通过力值的突变时刻即可反应灭弧室的刚分时刻。但由于智能电子装置需要对采集的力值信号进行放大、处理和分析，存在着一定的硬件和软件延时，因而可通过真实断口信号对智能电子计算的力值突变时刻进行修正，确定硬件、软件延时。利用实时对断路器传动系统上的力值信号和线路电流信号进行实时监测与录波，确定断路器开断过程中的起始燃弧时刻、燃弧持续时间和燃弧电流值，解决了燃弧起始时刻判定不精确或成本较高的问题。

本发明在上述确定的断路器燃弧电流起始时刻的基础上，根据燃弧电流实时采样及录波，通过累计燃弧电流能量，有效预测电寿命，及时给出报警信号。通过计算每一相的累计燃弧电流能量，并设定报警值，方便用户根据该报警值和每次的燃弧电流的历史录波数据，综合分析开关设备电寿命，同时为电寿命的评估系统的建立，提供数据基础。

附图说明

图1为本发明实例中所述断路器灭弧室电寿命监测方法的流程图。

图2为本发明实例中所述的断口跳变与力值传感器测试波形图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明的目的在于提供一种准确确定燃弧起始时刻的方法，解决开关设备内燃弧起始时刻判断不准确的问题，实现运行开关设备每一相燃弧电流录波、电弧能量的计算，并根据每相累计燃弧能量设定的阈值，进行预警，实现断路器灭弧室电寿命的监测。与此同时，通过燃弧电流原始数据收集，为准确确定电弧能量与触头电寿命之间的对应关系，奠定了基础。

本发明可以实时采集到线路的3相保护电流和断路器传动系统的力值信号；优选的使用采样率为40kHz，循环录波长度是600ms；高采样率可以定量采集到每一时刻燃弧电流的大小，有利于电弧能量的准确计算；长时间录波可以准确采集重合闸过程中电流波形。

本发明在进行断路器灭弧室电寿命监测方法及其燃弧电流起始时刻判断方法，整体的流程如图1所示。其中，断路器出厂之前，通过断路器真实断口信号，离线测量到断路器每一相刚分时刻与传动系统上力值的突变时刻的时刻差：Oaux-A、Oaux-B、Oaux-C，并将时间差进行存储。通过在线检测断路器传动系统上力的突变时刻和上述时刻差，间接确定断路器的刚分时刻，从而确定断路器开断过程中的起始燃弧时刻；再结合线路保护电流采样值，可以确定燃弧电流的持续时间。

如图2所示的测试结果可以看出，分合闸的过程中，力的突变时刻和断口跳变时刻也存在着直接的对应关系。分闸时监测力值-时间曲线，其斜率最大的时刻与断路器刚分时刻对应。因而通过力传感器监测力值-时间曲线中力值的突变时刻可以有效地判断出断路器的动静触头刚分时刻。

从图波形还可以看出，分闸过程中，在断路器刚分后的一段时间内力传感器输出的波形不断变化，但随着分闸动作结束，力值稳定在一个范围内，如分闸稳定后监测到力值约为-200N，因而可通过力值大小，判断出断路器处于合闸状态或者分闸状态。

然后采用记及燃弧时间的开断电流加权累计法，分别累计三相触头各自的电磨损情况，同时根据燃弧时间计算每相每次开断电流的电磨损量。以A相电磨损量计算为例，阐述计算方法：

(1)A相单次开断电流电弧能量的计算方法如下：

$Q_{nA}={\∫}_{t1}^{t2}|i_{nA}\left(t\right){|}^{\mathrm{\β}}dt$

其中，t₁是燃弧电流起始时刻；t₂是燃弧电流结束时刻；i_nA(t)是单相第n次开断时电流值；其中β是常数，一般取1～2，n为正整数，本优选实例中取2；

(2)A相累计开断电流的电弧能量计算公式如下：

$Q_{NA}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\∫}_{t1}^{t2}|i_n\left(t\right){|}^{\mathrm{\β}}dt$

式中，N表示开断总数；

(3)A相单次开断电流电磨损量：

W_nA＝K_nwQ_nA；

其中K_nw是单次开断磨损量，其值与灭弧介质、冷却条件、触头运动速度等有关；将电流大小分为9个等级，对不同的电流等级，K_nw的值不同；

则A相触头累计电磨损量的计算公式如下：

$W_{NA}=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{W}_{nA}$

通过每相触头开断电流累计电弧能量的报警值Q_MAX设定，给运行提供检修依据；

如果Q_NA≥Q_MAX或Q_NB≥Q_MAX或Q_Nc≥Q_MAX，则给出报警值；

对每相的燃弧电流录波文件和计算结果上传至后台监控系统。

本发明实时对断路器传动系统上的力值和三相保护电流进行实时监测与录波，确定断路器开断过程中的起始燃弧时刻、燃弧持续时间、燃弧电流值，解决了燃弧起始时刻判定不精确的问题；对燃弧电流实时采样及录波并生成录波文件上传到计算机监控系统，解决目前通过累计燃弧电流能量，不能有效预测电寿命的问题，同时为电弧能量与电磨损的比例因子K_nw的确定奠定了基础。本发明计算每一相的累计燃弧电流能量，并设定报警值，方便用户根据该报警值和每次的燃弧电流的历史录波数据，综合分析开关设备电寿命，同时为电寿命的评估系统的建立，提供数据基础。能够将保护、控制、测量、监测、通信等功能集成于智能电子装置，并将计算结果及录波数据就地保存的同时，采用通信协议(如IEC61850协议)上传至计算机监控系统，可方便设备制造厂家和变电站运行人员了解设备的运行状态。

每一相传动系统上力突变时刻与离线测量得到断口改变时刻时间差只与安装于本断路器上的力值测量传感器和控制装置的硬件电路延迟有关，因而同一台断路器每一相传动系统上力突变时刻与断口改变时刻的时间差是个固定值。

断路器在线运行时，当断路器有动作时通过力值的突变时刻与Oaux-A、Oaux-B和Oaux-C值，计算断路器的刚分时刻，从而准确确定燃弧起始时刻；计算本次动作3相开断电流燃弧能量、累计燃弧能量，本次动作的触头磨损量和累计磨损量，并判断累计燃弧能量是否超过设定的阈值Q_MAX。

Claims (6)

1.断路器燃弧电流起始时刻判断方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤一，断路器在线运行时，通过各断口灭弧室传动输入端上设置的力传感器采集各相对应的力值信号；

步骤二，通过对力值信号的分析得到对应相的力值突变时刻；

步骤三，通过离线测量出每一相的刚分时刻，得到对应相的刚分时刻与力值突变时刻的时间差，将该时间差作为该相的修正因子；

步骤四，断路器在线运行时，根据采集到的在线力值突变时刻减去修正因子，得到断路器燃弧电流起始时刻。

2.断路器灭弧室电寿命监测方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，确定断路器每相燃弧电流起始时刻；

1.1断路器在线运行时，通过各断口灭弧室传动输入端上设置的力传感器采集各相对应的力值信号，并分析得到对应相的力值突变时刻；

1.2通过离线测量出断路器每一相的刚分时刻，得到对应相的刚分时刻与力值突变时刻的时间差，将该时间差作为该相的修正因子；

1.3断路器在线运行时，根据采集到的在线力值突变时刻减去修正因子，得到断路器燃弧电流起始时刻；

步骤2，断路器在线运行时，采集每相的保护电流信号，确定断路器每相燃弧电流的终止时刻，从而得到每相燃弧电流的持续时间；

步骤3，采用计及燃弧时间的开断电流加权累计法，分别累计三相触头各自的电磨损情况，同时根据燃弧电流的持续时间计算每相每次开断电流的电磨损量；

步骤4，当判断每相每次开断电流的电磨损量不小于每相触头开断电流累计电弧能量的报警值时，给出报警信号。

3.根据权利要求2所述的断路器灭弧室电寿命监测方法，其特征在于，步骤3中，计及燃弧时间的开断电流加权累计法中通过如下公式得到单相单次开断电流电弧能量；

$Q_n={\∫}_{t1}^{t2}|i_n\left(t\right){|}^{\mathrm{\β}}dt;$

其中，t₁是燃弧电流起始时刻；t₂是燃弧电流结束时刻；i_n(t)是单相第n次开断时电流值；其中β是常数，一般取1～2，n为正整数。

4.根据权利要求3所述的断路器灭弧室电寿命监测方法，其特征在于，步骤3中，计及燃弧时间的开断电流加权累计法中通过如下公式得到单相累计开断电流的电弧能量；

$Q_N=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\∫}_{t1}^{t2}|i_n\left(t\right){|}^{\mathrm{\β}}dt;$

其中，N表示开断总数。

5.根据权利要求4所述的断路器灭弧室电寿命监测方法，其特征在于，步骤3中，计及燃弧时间的开断电流加权累计法中通过如下公式得到单相单次开断电流电磨损量；

W_n＝K_nwQ_n；

其中，K_nw是单次开断磨损量。

6.根据权利要求5所述的断路器灭弧室电寿命监测方法，其特征在于，步骤3中，计及燃弧时间的开断电流加权累计法中通过如下公式得到单相触头累计电磨损量；

$W_N=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{W}_n.$