CN109633423B - 一种断路器喷口烧蚀状态评估系统 - Google Patents

一种断路器喷口烧蚀状态评估系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种断路器喷口烧蚀状态评估系统，包括多氦离子检测装置，用于对被试断路器分解产物混合气体的组分进行分离测试，以跟踪SF6气体组分演化发展趋势；参数输入模块用于根据断路器喷口评估的应用场景来输入多氦离子检测模块所相对应的测试参数；关键特征参量提取模块用于根据多氦离子检测装置的分析试验数据提取关键特征参量；分析终端结合多氦离子检测装置的分析试验数据和关键特征参量提取模块所提取到的关键特征参量来进行分析计算，以开展灭弧室喷口状态分析及检修维护策略制定。本系统可以快速、高效、准确评估灭弧室喷口剩余寿命提供关键依据，帮助运维人员更好地制定大修计划，从而缩短停电检查时间，降低停电损失。

Description

一种断路器喷口烧蚀状态评估系统
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种断路器喷口烧蚀状态评估系统。
背景技术
根据国际大电网会议(CIGRE)统计结果，高压断路器的电寿命是影响断路器使用年限的主要因素之一，而弧触头与喷口是决定电寿命长短的关键部件。
随着我国西电东送“八交十一直”投运以及跨区域联网的工程不断建设运行，电力系统容量不断增长，短路容量不断增加，对断路器开断短路电流的能力提出了更高要求。其中，交流滤波器断路器需根据系统负荷波动进行频繁投切，投入容性负载的关合涌流对灭弧室弧触头、喷口有明显的烧蚀累积效应，对断路器的电气性能造成影响。线路断路器在多次开断短路电流，弧触头、喷口承受多次电弧烧蚀的累积效应后，是否满足继续运行的要求，也需要对其电气性能状态进行正确评估。
但是由于喷口材料的特殊性(聚四氟乙烯)，无法通过离线或者在线的电气试验手段检测喷口的状态，业内常规做法均是在断路器大修时解体灭弧室并对喷口进行检查或者更换，但是存在以下问题：
1、在灭弧室大修解体前，无法提前得到喷口的损耗数据，无法预知喷口在大修前的隐患。
2、即使对灭弧室状态存在怀疑并进行解体检查，设备停电、更换处理等措施也需消耗大量资源。
为跟踪SF6气体组分演化发展趋势，需要实时对断路器开合过程中的气体组分进行监测，但目前普遍采用的现场取样钢瓶法无法满足项目研究需求，存在检测效率低下问题，同时钢瓶吸附、长途运输、放置时间长使样气组分含量与现场组分含量表现出较大差异，导致对SF6电气设备的状态评价数据不真实、不全面、维度不多样，无法满足项目监测要求。而现有的实验室检测方法存在体型较大、不便现场操作、数据检测结果慢等问题。
因此，在不解体的情况下准确评估断路器灭弧室喷口的烧蚀状态是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种断路器喷口烧蚀状态评估系统，以为快速、高效评估灭弧室剩余寿命提供关键依据，帮助运维人员更好地制定大修计划，从而缩短停电检查时间，降低停电损失。
本系统适用于瓷柱式断路器在开合系统容量电流或者故障电流后，对断路器灭弧室内部喷口烧蚀累积效应的评估，该评估以断路器喷口作为评估对象，由于喷口在分合闸过程接触状态会随着断路器累积开合能量的增加而逐渐劣化，劣化的程度可以通过气体分解产物动态变化的特征量进行间接体现，因此，通过提取断路器气体组分的特征量，并分析它们之间的关联性，可用来评估断路器开断故障电流后的喷口的累积烧蚀效应。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种断路器喷口烧蚀状态评估系统，包括多氦离子检测装置、参数输入模块、关键特征参量提取模块以及分析终端；其中，
所述多氦离子检测装置用于对被试断路器分解产物混合气体的组分进行分离测试，以跟踪SF6气体组分演化发展趋势；
所述参数输入模块用于根据断路器喷口评估的应用场景来输入多氦离子检测模块所相对应的测试参数；
所述关键特征参量提取模块用于根据多氦离子检测装置的分析试验数据提取关键特征参量；
所述分析终端结合多氦离子检测装置的分析试验数据和关键特征参量提取模块所提取到的关键特征参量来进行分析计算，以开展灭弧室喷口状态分析及检修维护策略制定；
所述关键特征参量包括开断电流及燃弧时间、关合电流及预击穿时间、操作次数、喷口有效关联组分含量。
所述多氦离子检测装置包括多氦离子检测模块、第一时间同步控制器以及第二时间控制器；其中，
所述多氦离子检测模块用于分离检测被试断路器分解产物，由N个氦离子检测模块单元所组成，以形成N路检测；
所述第一时间同步控制器设置在被试断路器气体阀门输出前端和氦离子检测模块单元的进样端之间，以使得N个氦离子检测模块单元的检测进样时间均压错开；其中，N为整数，且大于等于2；
所述分析终端和氦离子检测模块单元的检测结果输出端相连接，第二时间同步控制器设置在氦离子检测模块单元的启动端和分析终端之间，以使得每氦离子检测模块单元在分析终端完成任务后循环重启新一轮的检测任务。
所述氦离子检测模块单元包括第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀、第四切换阀、第五切换阀、第一色谱柱、第二色谱柱、第三色谱柱、第四色谱柱、第五色谱柱、第一检测器、第二检测器、第一载气以及第二载气；其中，
所述第一载气的出气端分别和第一切换阀、第三切换阀以及第四切换阀的一进气端相连接；第一切换阀的另一进气端为被试断路器分解产物进样端，第一切换阀、第三切换阀以及第四切换阀依次连接，形成串接状态，以使得被试断路器分解产物能够进入第一切换阀、第三切换阀以及第四切换阀中；
所述第一切换阀的出气端和第一色谱柱的进气端相连接，第一色谱柱的出气端和第二切换阀的一进气端相连接，第二切换阀的另一进气端和第二载气的出气端相连接，第二切换阀的出气端和第二色谱柱的进气端相连接，第二色谱柱的出气端和第一检测器的进气端相连接；
所述第三切换阀的出气端和第三色谱柱的进气端相连接，第三色谱柱的出气端和第五切换阀的一进气端相连接，第五切换阀的另一进气端和第二切换阀的另一出气端相连接，以使得第二氦气能够进入至第五切换阀；第五切换阀的出气端和和第五色谱柱的进气端相连接，第五色谱柱的出气端和第一检测器的进气端相连接；
所述第四切换阀的出气端和第四色谱柱的进气端相连接，第四色谱柱的出气端和第五切换阀的再另一进气端相连接，第五切换阀的出气端和和第五色谱柱的进气端相连接，第五色谱柱的出气端和第一检测器的进气端相连接。
所述第一色谱柱和第四色谱柱均为4m硅胶色谱柱；所述第二色谱柱为3m硅胶色谱柱；所述第三色谱柱为15m毛细管柱；所述第五色谱柱为5A分子筛色谱柱。
所述氦离子检测模块单元对被试断路器分解产物混合气体进行分离的过程为：
流程1：第一载气和第一切换阀连接，开始采集后，第一切换阀切换至进样状态，第一载气携带样品进入第一色谱柱，第一色谱柱与第二切换阀连接，第二载气携带第一色谱柱的气样分别进入第二切换阀，在样品气中SF6流入第二色谱柱之前，经过反吹将样气中SF6通过第二切换阀放空，SF6排尽后再将切换气路，剩余样品继续进入第一检测器，以分离出CO2、CF4、C2F6、C3F8、H2S、SOF2、SO2F2；
流程2：第一载气和第四切换阀连接，开始采集后，第四切换阀切换至进样状态，第一载气携带样品进入第四色谱柱，第二载气携带第四色谱柱的气样分别进入第五切换阀，期间通过第五切换阀反吹将SF6放空，排尽后切回进样气路，剩余样品继续流入第五色谱柱5，进入第二检测器，以分离出H2、O2、N2、CO；
流程3：第一载气和第三切换阀连接，开始采集后，第三切换阀切换至进样状态，第一载气携带样品进入第三色谱柱，第二载气携带第三色谱柱的气样分别进入第五切换阀，第三色谱柱经过第五切换阀5流出后进入第二检测器，以分离出SO2、CS2；
其中，流程2和流程3采用串行检测手段，同时并行处理流程2。
所述分析终端开展灭弧室喷口状态分析及检修维护策略制定的方式为：
1)50ppm＞CF4，喷口绝缘性能状态正常，可按照正常检修、预试项目开展运维工作；
2)200ppm＞CF4＞50ppm，喷口绝缘性能为寿命早期，可按照正常检修、预试项目开展运维工作；
3)400ppm＞CF4＞200ppm，喷口绝缘性能达到寿命中期，加强监视，结合带电监测与停电预试数据综合分析；
4)600ppm＞CF4＞400ppm，喷口内表面有轻微电弧烧蚀痕迹喷口绝缘性能达到末期，加强监视，可考虑结合近期停电检修进行相应维护工作；
6)CF4＞600ppm，喷口表面有电弧烧蚀痕迹，绝缘性能达到极限，立即停运检修更换喷口。
所述断路器喷口评估的应用场景实验室开合试验后气体组分演化规律研究试验和运行中断路器喷口烧蚀状态评估
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本系统适用于瓷柱式断路器在开合系统容量电流或者故障电流后，对断路器灭弧室内部喷口烧蚀累积效应的评估，该评估以断路器喷口作为评估对象，由于喷口在分合闸过程接触状态会随着断路器累积开合能量的增加而逐渐劣化，劣化的程度可以通过气体分解产物动态变化的特征量进行间接体现，因此，通过提取断路器气体组分的特征量，并分析它们之间的关联性，可用来评估断路器开断故障电流后的喷口的累积烧蚀效应。
附图说明
图1为本发明实施例提供的断路器喷口烧蚀状态评估系统工作流程示意图；
图2为多氦离子检测装置的组成示意图；
图3为多氦离子检测装置的进样分析流程示意图；
图4为识别的效果图；
图5为第一、二轮LW15-550容性开合试验情况图；
图6为第三轮LW1100容性开合试验情况图；
图7为CF4组分的变化示意图；
图8为1100kV断路器容性开合试验组分变化趋势表图；
图9为500kV断路器容性开合试验组分变化趋势表图；
图中：1、第一切换阀；2、第二切换阀；3、第三切换阀；4、第四切换阀；5、第五切换阀；6、第一色谱柱；7、第二色谱柱；8、第四色谱柱；9、第五色谱柱；10、第一检测器；11、第二检测器；12、第一载气；13、第二载气；14、第三色谱柱；100、第一时间同步控制器；200、第二时间控制器；300、分析终端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参阅图1所示，本实施例提供的断路器喷口烧蚀状态评估系统包括多氦离子检测装置、参数输入模块、关键特征参量提取模块以及分析终端。
其中，该多氦离子检测装置用于对被试断路器分解产物混合气体的组分进行分离测试，以跟踪SF6气体组分演化发展趋势；该参数输入模块用于根据断路器喷口评估的应用场景来输入多氦离子检测模块所相对应的测试参数；该关键特征参量提取模块用于根据多氦离子检测装置的分析试验数据提取关键特征参量；该分析终端结合多氦离子检测装置的分析试验数据和关键特征参量提取模块所提取到的关键特征参量来进行分析计算，以开展灭弧室喷口状态分析及检修维护策略制定。该关键特征参量包括开断电流及燃弧时间、关合电流及预击穿时间、操作次数、喷口有效关联组分含量。
具体地，该喷口状态评估的关键特征参量定义解释如下：
1、开断电流/kA及燃弧时间ms：开断电流的幅值与燃弧时间的长短决定了断路器开断能量的大小，而聚四氟乙烯材料的绝缘喷口包裹在弧触头的外围，一方面引导压气缸喷出的气体吹弧的速度与流体路径，一方面，喷口需完全耐受住电弧在喷口表面的烧蚀，且绝缘材料在高温电弧的烧蚀下，不应出现明显气化与分解。
2、关合电流/kA及预击穿时间ms：关合电流的幅值与燃弧时间的长短决定了断路器关合能量的大小，而聚四氟乙烯材料的绝缘喷口包裹在弧触头的外围，避免合闸过程中，弧触头预击穿的电弧逃窜到外围不具备电弧耐烧蚀能力的主接触触头上，导致触头高温烧融。
3、操作次数N：在喷口状态评估统计期内的开关开合能量操作次数，决定了电弧对喷口烧蚀的累积烧蚀能量的多少。
4、喷口关联有效组分CF4(痕量气体组分含量)ppm：断路器开合电弧能量后，主要分解产物为CF4、SOF2、S2OF10、SO2、CO、CO2等。从分解产物类型上分析，存在SOF2和SO2可能是有电弧放电现象；S2OF10的出现说明可能存在火花放电；且CF4增长较快，同时存在CO2、CO等组分，说明由聚四氟乙烯制成的喷口可能存在烧蚀现象，其中C离子在高温电弧下出现裂解并于F离子化合为CF4；开断后出现的微量H2S，说明放电可能涉及绝缘拉杆。CF4是由喷口材料经过高能粒子辐射转化而来。CF4生成量越大，聚四氟乙烯的损失量越大，喷口喉部直径将变大。SF6在分闸过程中作用于喷口喉部的气压将会下降，从而影响到弧后绝缘的上升速率。
具体地，如图2所示，上述的多氦离子检测装置包括多氦离子检测模块、第一时间同步控制器以及第二时间控制器；其中，该多氦离子检测模块用于分离检测被试断路器分解产物，由N个氦离子检测模块单元所组成，以形成N路检测，如此，一路检测按照行业平均水平需约20分钟，如果是N路按照固定的时间间隔错峰检测，则每20/N分钟可得到一个检测结果，从而可以实现多组分和快速检测的目的。
由于是采用多路检测的方式，各个气路之间会存在串扰、压力流量以及时间难以精确控制的技术问题，为了解决这些技术问题，上述的第一时间同步控制器100设置在被试断路器气体阀门输出前端和氦离子检测模块单元的进样端之间，以使得N个氦离子检测模块单元的检测进样时间均压错开；其中，N为整数，且大于等于2。分析终端300和氦离子检测模块单元的检测结果输出端相连接，以分析出被试断路器分解产物混合的组分含量；而该第二时间同步控制器200设置在氦离子检测模块单元的启动端(接受到操作开始的电信号后，继电器励磁启动，是测试系统控制回路通电，各元器件在电能作用下正常工作)和分析终端之间，以使得每氦离子检测模块单元在分析终端完成任务后循环重启新一轮的检测任务。两个时间控制器类似马路交通的红绿灯控制系统，一方面可避免路面拥堵(即气路进样时间重叠)，一方面可防止资源空置浪费。
下面一个氦离子检测模块单元为例进行详细说明：
每一个氦离子检测模块单元均包括第一切换阀1、第二切换阀2、第三切换阀3、第四切换阀4、第五切换阀5、第一色谱柱6、第二色谱柱7、第三色谱柱14、第四色谱柱8、第五色谱柱9、第一检测器10、第二检测器11、第一载气12以及第二载气13。
其中，该第一载气12的出气端分别和第一切换阀1、第三切换阀3以及第四切换阀4的一进气端相连接；第一切换阀1的另一进气端为被试断路器分解产物进样端，第一切换阀1、第三切换阀3以及第四切换阀4依次连接，形成串接状态，以使得被试断路器分解产物能够进入第一切换阀1、第三切换阀3以及第四切换阀4中。
该第一切换阀1的出气端和第一色谱柱6的进气端相连接，第一色谱柱6的出气端和第二切换阀2的一进气端相连接，第二切换阀2的另一进气端和第二载气13的出气端相连接，第二切换阀2的出气端和第二色谱柱7的进气端相连接，第二色谱柱7的出气端和第一检测器10的进气端相连接。
该第三切换阀3的出气端和第三色谱柱14的进气端相连接，第三色谱柱14的出气端和第五切换阀5的一进气端相连接，第五切换阀5的另一进气端和第二切换阀2的另一出气端相连接，以使得第二氦气13能够进入至第五切换阀5；第五切换阀5的出气端和和第五色谱柱9的进气端相连接，第五色谱柱9的出气端和第一检测器10的进气端相连接。
该第四切换阀4的出气端和第四色谱柱8的进气端相连接，第四色谱柱8的出气端和第五切换阀5的再另一进气端相连接，第五切换阀5的出气端和和第五色谱柱9的进气端相连接，第五色谱柱9的出气端和第一检测器10的进气端相连接。
混合气体(即被试断路器分解产物)在一个氦离子检测单元模块的分离过程具体如下：
流程1：第一载气12和第一切换阀1连接，开始采集后，第一切换阀1切换至进样状态，第一载气12携带样品进入第一色谱柱6，第一色谱柱6与第二切换阀2连接，第二载气13携带第一色谱柱6的气样分别进入第二切换阀2，在样品气中SF6流入第二色谱柱7之前，经过反吹将样气中SF6通过第二切换阀2放空，SF6排尽后再将切换气路，剩余样品继续进入第一检测器10，以分离出CO2、CF4、C2F6、C3F8、H2S、SOF2、SO2F2；
流程2：第一载气12和第四切换阀4连接，开始采集后，第四切换阀4切换至进样状态，第一载气12携带样品进入第四色谱柱8，第二载气13携带第四色谱柱8的气样分别进入第五切换阀5，期间通过第五切换阀5反吹将SF6放空，排尽后切回进样气路，剩余样品继续流入第五色谱柱9，进入第二检测器11，以分离出H2、O2、N2、CO；
流程3：第一载气12和第三切换阀3连接，开始采集后，第三切换阀3切换至进样状态，第一载气12携带样品进入第三色谱柱14，第二载气13携带第三色谱柱8的气样分别进入第五切换阀5，第三色谱柱14经过第五切换阀5流出后进入第二检测器11，以分离出SO2、CS2；
其中，流程2和流程3采用串行检测手段，同时并行处理流程2，可以有效缩短单次进样检测的时间。
由此可知，每一个氦离子检测模块单元都可一次进样检测O2、N2、CO、CO2、NO2、CF4、C2F6、C3F8、H2S、SO2、SOF2、SO2F2、S2F10O、SF6达14种组分，跟踪SF6气体组分演化发展趋势，揭示灭弧室在累积烧蚀过程中SF6气体组分变化发展规律。
色谱柱用来将混合气体中多种分分解物分离开，之后依次进入后端检测器，响应出电信号，作为浓度测算依据，从而可以踪SF6气体组分演化发展趋势，为准确评估灭弧室喷口剩余寿命提供关键依据。
具体地，上述的第一色谱柱6和第四色谱柱8均为4m硅胶色谱柱，该第二色谱柱7为3m硅胶色谱柱；该第三色谱柱14为15m毛细管柱；该第五色谱柱9为5A分子筛色谱柱。通过巧妙设置不同型号规格的色谱柱，以快速、高效地对混合气体中多种分分解物分离开。
也就是说，本系统的多氦离子检测装置是基于基于气相色谱检测技术，其多氦离子检测模块由N套氦离子检测模块单元组成，每一个检测模块单元需分流3路分别进入后端检测器，并由另一个时间同步控制器安排进行循环任务，从而实现精确的时间响应分离与浓度定量检测，如图3所示，为本多氦离子检测装置的轮流进样分析流程示意图，多氦离子检测装置内部可按照试验需求，集成N套氦离子检测模块单元，在每完整轮分析时间20分钟的情况下，实现进样间隔20/N分钟，第一轮进样采用检测模块单元1，在时刻0开始进样；当第1轮分析时间进展值20/N时，开始检测模块单元第2轮进样，在时刻20*(N-1)/N时，开始第N轮进样，在时刻20分钟时，检测模块单元完成一个完整轮的分析后，由时间同步控制器发出重新进样分析命令，依次类推。
综上，通过采用本多氦离子检测装置能够在现场实现实时取样，同时对多种气体组分进行在线跟踪分析的装置，为试验提供丰富的数据，同时对现场的实时组分分析提供一种有效检测手段，实现14种气体组分含量的带电实时监测，检测精度达到0.1ppm，重复性偏差小于1％，跟踪SF6气体组分演化发展趋势，揭示灭弧室在累积烧蚀过程中SF6气体组分变化发展规律为准确评估灭弧室喷口剩余寿命提供关键依据。
具体地，上述的系分析终端和氦离子检测模块单元的检测结果输出端之间通过无线路由器的方式来实现通讯连接，将远程采集到的数据，进行定量分析，同时可设定全自动连续取样时间程序，开合试验开始后，无需人工干预，终端自动按固定频率采集分析检测数据。
而对于特定的色谱柱,当载气流量和色谱柱温度恒定时，组分的出峰时间是固定的。保留时间法就根据这一规律,通过程序依据组分的保留时间寻找峰的位置。方法很简单，但在实际运用过程中,存在以下缺点:
1)组分保留时间会在较大范围内漂移,导致组分识别错误；
2)峰的有无判断界限很难量化,对微小峰的识别不准确；
3)识别过程受基线漂移影响,对基线漂移十分敏感；
4)由于识别过程中与峰型无关,因此不易识别干扰峰。
谱峰位置在数学上存在极点，该点的导数为零，它的二阶导数曲线穿越X坐标,因此,通过对谱图数据求导数可以得到谱峰的位置，但导数法在寻找极点的过程中没有考虑峰型，也存在以下可靠性的问题：
1)对噪声十分敏感；
2)不易识别干扰峰；
因此，在本系统采用相关性原理进行峰的判别和组分的识别,这种方法能正确得到识别非常微小的峰,而且对噪声不敏感,能够正确剔除干扰峰，如图4所示，为识别的效果图。
通过利用上述的技术，本系统达到的技术指标如下：
表1：:性能参数
功能或性能 主要指标
检测范围 14
检测精度 0.1ppm
稳定时间 <5min
分析周期 <20min
最大误差 ±3％
工作环境 -10～50℃
控温范围 8～399℃
控温精度 ±0.1℃
检测方式 多氦离子检测装置
定性重复性偏差 ≤1％
定量重复性偏差 ≤3％
通过运用本系统，可分别针对实验室试验研究以及现场运维状态监测，其中：
1、可通过实验室每一种开合工况(每20/N分钟一次取样)的组分数据进行分析，最终形成海量数据集，为提取与灭弧室相关的特征组分演化规律等关键数据，设置关键比对条件，如断路器类型、试验方式、累积电流能量、吸附剂使用情况，按不同条件类型进行分析比对，可以采用横向对比、纵向对比、特征组分比值法等方法，研究特征气体组分的演化规律、化学反应生成速率、特征组分比值与试验工况的相关性。
横向分析：同一电压等级，不同试验方式、不同灭弧室结构的组分演变数据对比归纳及相关性分析。
纵向分析：同一试验方式，不同电压等级、不同灭弧室结构的组分演变数据对比归纳及相关性分析。
特征组分比值法：抽取不同的特征组分，按照不同的比值分析与试品状态的相关性。
组分演变规律分析：同一电压等级、同一灭弧室结构的组分演变数据对比归纳及相关性分析。
2、可通过对现场运行状态下任意断路器进行组分实时监测，通过与喷口烧蚀状态关联系数最高的CF4组分含量阈值进行评估，在统计期间内，必须确保气体没有在检修期间进行更换，如存在气体更换，则对CF4增量进行分析评估。
评估流程如下：
第一步：完成本系统的试验接线。
第二步：对多氦离子检测装置的第一时间同步器、第二时间同步器进行校核，确保时间校准无误。
第三步：确认喷口评估的应用场景：1、实验室开合试验后气体组分演化规律研究试验；2、运行中断路器喷口状态评估，并按照要求完成相应的参数输入。
具体地，实验室开合试验后气体组分演化规律研究试验的参数输入包括：
1、输入被试断路器参数，包括：断路器型号、电压等级、额定电流、开合短路电流能力、喷口材料、SF6气体压力和总质量、SF6气体初始组分状态。组分状态包括：水分含量、气体纯度、H2、Air、CO、CO2、CF4、C2F6、C3F8、H2S、SO2、SOF2、SO2F2、COS、CS2。
2、输入多氦离子检测装置测试精度参数，包括：
功能或性能 主要指标
检测范围
检测精度
稳定时间
分析周期
最大误差
检测方式
定性重复性偏差
定量重复性偏差
3、输入实验室开合试验工况参数，主要包括：
试验项目 开合电流值/kA 燃弧时间/ms 预击穿时间/ms 操作方式 次数/N 额定压力/MPa
运行中断路器喷口烧蚀状态评估的参数输入包括：
1、输入被试断路器参数，包括：断路器型号、电压等级、额定电流、开合短路电流能力、SF6气体压力和总质量、SF6气体初始组分状态(现场交接试验测试值、最近一次的预防性试验测试值)，组分状态包括：水分含量、CO、CF4、SO2、H2S.
2、输入多氦离子检测装置测试精度参数，包括：
功能或性能 主要指标
检测范围
检测精度
稳定时间
分析周期
最大误差
检测方式
定性重复性偏差
定量重复性偏差
3、输入断路器现场运行工况参数，主要包括：
投运年限 操作次数/N 系统运行电流/kA 系统电压/kV 开合故障电流情况/kA 气体额定压力/MPa
第四步：开展气体组分分析，提取关键特征参量。
第五步：结合分试验数据以及关键特征参量，完成分析终端的计算。
第六步：开展灭弧室喷口状态分析及检修维护策略制定：
1)50ppm＞CF4，喷口绝缘性能状态正常，可按照正常检修、预试项目开展运维工作；
2)200ppm＞CF4＞50ppm，喷口绝缘性能为寿命早期，可按照正常检修、预试项目开展运维工作；
3)400ppm＞CF4＞200ppm，喷口绝缘性能达到寿命中期，加强监视，结合带电监测与停电预试数据综合分析；
4)600ppm＞CF4＞400ppm，喷口内表面有轻微电弧烧蚀痕迹喷口绝缘性能达到末期，加强监视，可考虑结合近期停电检修进行相应维护工作；
5)CF4＞600ppm，喷口表面有电弧烧蚀痕迹，绝缘性能达到极限，立即停运检修更换喷口。
下面以LW15A型断路器在国家高压电器质量监督检测中心(西高院)开展的试验为例，其中，包括两轮的500kV柱式断路器C2级容性开合试验，以及采用1100kV滤波器用柱式断路器开展了一轮C2级试验，在试验过程中跟踪各种特征组分的生成、上升、消散等趋势，而CF4的含量也准确的反映了灭弧室中喷口的绝缘状态，当CF4的含量超过600ppm以后，断路器的开断性能急剧下降，无论是500kV或者是1100kV的断路器，均发生重击穿现场，解体发现，喷口在开断过程中出现电弧穿孔，三轮的试验情况如图5-6所示。
CF4组分呈现明显的线性增长，具有正相关性，可以作为评估喷口烧蚀状态的关键特征参量，具体如图7所示。
从图8-9可以发现，断路器发生重击穿时，CF4的浓度已超过600ppm的极限预警值(见图7-8大字头数字部分，表示重击穿，试验失败)
通过对失败后对灭弧室解体验证，解体情况表明，CF4的状态评估分析是准备的，当达到600ppm的极限预警值时，喷口绝缘特性下降明显，极容易出现电弧穿孔现象。
综上，本系统与现有技术相比，具有如下技术优势：
1、传统性SF6气体组分测试一般只能测量H2S，SO2，CO含量，无法检测多种组分气体，本系统的多氦离子检测装置基于多氦离子化检测技术，实现了可一次进样对O2、N2、CO、CO2、NO2、CF4、C2F6、C3F8、H2S、SO2、SOF2、SO2F2、S2F10O、SF6等14种气体组分的痕量分析，检测精度达到0.1ppm，重复性偏差小于1％，实时跟踪SF6气体组分演化发展趋势。
2、传统组分测试只能作为断路器发生击穿放电的辅助手段，传统气体组分不能正确反映开合额定电流时断路器烧蚀情况，而且目前国内外尚无相关文献提出在非解体的条件下检测断路器喷口烧蚀状态的方法，也缺乏对气体组分CF4所包含的特征信息进行解码，本专利采用氦离子气相色谱法，持续检测SF6气体中H2、Air、CO、CO2、CH4、CF4、C2F6、C3F8、H2S、SO2、SOF2、SO2F2、COS、CS2等杂质组分含量，提出以CF4特征气体的演化规律有效评估断路器喷口烧蚀程度的方法。
3、揭示了500kV、1000kV柱式断路器开合能量过程气体组分生成、演化规律，发现了CF4含量与喷口材料损耗的正相关性及检修预警阈值(600μL/L)，提出喷口烧蚀状态诊断方法，填补了灭弧室喷口现场检测技术的空白
4、当开关喷口内部发生非正常的电弧烧蚀或者随着开合电流能量的累积，CF4组分呈现明显的线性增长。CF4的含量不但可以用来表征喷口绝缘材料表面的烧蚀放电情况，还可以通过外加含碳化合物的方式表征体系中SF6的放电分解程度。建议将CF4可以作为评估喷口烧蚀状态的关键特征参量，其含量达到600μL/L时可作为判断灭弧室是否需要检修的阈值
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种断路器喷口烧蚀状态评估系统，其特征在于，包括多氦离子检测装置、参数输入模块、关键特征参量提取模块以及分析终端；其中，
所述多氦离子检测装置用于对被试断路器分解产物混合气体的组分进行分离测试，以跟踪SF6气体组分演化发展趋势；
所述参数输入模块用于根据断路器喷口评估的应用场景来输入多氦离子检测模块所相对应的测试参数；
所述关键特征参量提取模块用于根据多氦离子检测装置的分析试验数据提取关键特征参量；
所述分析终端结合多氦离子检测装置的分析试验数据和关键特征参量提取模块所提取到的关键特征参量来进行分析计算，以开展灭弧室喷口状态分析及检修维护策略制定；
所述关键特征参量包括开断电流及燃弧时间、关合电流及预击穿时间、操作次数、喷口有效关联组分含量；
所述多氦离子检测装置包括多氦离子检测模块、第一时间同步控制器以及第二时间同步控制器；其中，
所述多氦离子检测模块用于分离检测被试断路器分解产物，由N个氦离子检测模块单元所组成，以形成N路检测；
所述第一时间同步控制器设置在被试断路器气体阀门输出前端和氦离子检测模块单元的进样端之间，以使得N个氦离子检测模块单元的检测进样时间均压错开；其中，N为整数，且大于等于2；
所述分析终端和氦离子检测模块单元的检测结果输出端相连接，第二时间同步控制器设置在氦离子检测模块单元的启动端和分析终端之间，以使得每氦离子检测模块单元在分析终端完成任务后循环重启新一轮的检测任务。
2.如权利要求1所述的断路器喷口烧蚀状态评估系统，其特征在于，所述氦离子检测模块单元包括第一切换阀、第二切换阀、第三切换阀、第四切换阀、第五切换阀、第一色谱柱、第二色谱柱、第三色谱柱、第四色谱柱、第五色谱柱、第一检测器、第二检测器、第一载气以及第二载气；其中，
所述第一载气的出气端分别和第一切换阀、第三切换阀以及第四切换阀的一进气端相连接；第一切换阀的另一进气端为被试断路器分解产物进样端，第一切换阀、第三切换阀以及第四切换阀依次连接，形成串接状态，以使得被试断路器分解产物能够进入第一切换阀、第三切换阀以及第四切换阀中；
所述第一切换阀的出气端和第一色谱柱的进气端相连接，第一色谱柱的出气端和第二切换阀的一进气端相连接，第二切换阀的另一进气端和第二载气的出气端相连接，第二切换阀的出气端和第二色谱柱的进气端相连接，第二色谱柱的出气端和第一检测器的进气端相连接；
所述第三切换阀的出气端和第三色谱柱的进气端相连接，第三色谱柱的出气端和第五切换阀的一进气端相连接，第五切换阀的另一进气端和第二切换阀的另一出气端相连接，以使得第二氦气能够进入至第五切换阀；第五切换阀的出气端和第五色谱柱的进气端相连接，第五色谱柱的出气端和第二检测器的进气端相连接；
所述第四切换阀的出气端和第四色谱柱的进气端相连接，第四色谱柱的出气端和第五切换阀的再另一进气端相连接。
3.如权利要求2所述的断路器喷口烧蚀状态评估系统，其特征在于，所述第一色谱柱和第四色谱柱均为4m硅胶色谱柱；所述第二色谱柱为3m硅胶色谱柱；所述第三色谱柱为15m毛细管柱；所述第五色谱柱为5A分子筛色谱柱。
4.如权利要求2或3所述的断路器喷口烧蚀状态评估系统，其特征在于，所述氦离子检测模块单元对被试断路器分解产物混合气体进行分离的过程为：
流程1：第一载气和第一切换阀连接，开始采集后，第一切换阀切换至进样状态，第一载气携带样品进入第一色谱柱，第一色谱柱与第二切换阀连接，第二载气携带第一色谱柱的气样进入第二切换阀，在样品气中SF6流入第二色谱柱之前，经过反吹将样气中SF6通过第二切换阀放空，SF6排尽后切回进样气路，剩余样品继续进入第一检测器，以分离出CO2、CF4、C2F6、C3F8、H2S、SOF2、SO2F2；
流程2：第一载气和第四切换阀连接，开始采集后，第四切换阀切换至进样状态，第一载气携带样品进入第四色谱柱，第二载气携带第四色谱柱的气样进入第五切换阀，期间通过第五切换阀反吹将SF6放空，排尽后切回进样气路，剩余样品继续流入第五色谱柱，进入第二检测器，以分离出H2、O2、N2、CO；
流程3：第一载气和第三切换阀连接，开始采集后，第三切换阀切换至进样状态，第一载气携带样品进入第三色谱柱，第二载气携带第三色谱柱的气样分别进入第五切换阀，第三色谱柱经过第五切换阀流出后进入第二检测器，以分离出SO2、CS2；
其中，流程2和流程3采用串行检测手段，同时并行处理流程2。
5.如权利要求1所述的断路器喷口烧蚀状态评估系统，其特征在于，所述分析终端开展灭弧室喷口状态分析及检修维护策略制定的方式为：
1)50ppm＞CF4，喷口绝缘性能状态正常，可按照正常检修、预试项目开展运维工作；
2)200ppm＞CF4＞50ppm，喷口绝缘性能为寿命早期，可按照正常检修、预试项目开展运维工作；
3)400ppm＞CF4＞200ppm，喷口绝缘性能达到寿命中期，加强监视，结合带电监测与停电预试数据综合分析；
4)600ppm＞CF4＞400ppm，喷口内表面有轻微电弧烧蚀痕迹喷口绝缘性能达到末期，加强监视，可考虑结合近期停电检修进行相应维护工作；
5)CF4＞600ppm，喷口表面有电弧烧蚀痕迹，绝缘性能达到极限，立即停运检修更换喷口。
6.如权利要求1所述的断路器喷口烧蚀状态评估系统，其特征在于，所述断路器喷口评估的应用场景为实验室开合试验后气体组分演化规律研究试验和运行中断路器喷口烧蚀状态评估。
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