CN110261768A - 配电自动化系统高压断路器状态监测方法 - Google Patents

配电自动化系统高压断路器状态监测方法 Download PDF

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洪亮
曹一家
赵奕
秦卫东
刘元
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Abstract

一种配电自动化系统高压断路器状态监测方法，通过配电站自动化系统终端装置记录的分闸/合闸指令下发时刻和高压断路器分闸/合闸操作时的负荷电流变化过程，利用高压断路器分闸/合闸时的负荷电流动态数据计算高压断路器分闸/合闸完成时刻，从而根据记录的分闸/合闸指令下发时刻和高压断路器分闸/合闸时刻确定高压断路器的分闸/合闸时间，并根据高压断路器分闸/合闸时间是否达标来评估高压断路器的状态。本发明方法可在配电自动化系统现有基础上进行配电自动化系统终端高压断路器的状态监测，不需要增加硬件设备，经济性好，有利于提高配电自动化系统高压断路器的运行可靠性。

Description

配电自动化系统高压断路器状态监测方法
技术领域
本发明涉及电力设备状态监测方法，特别涉及一种配电自动化系统的高压断路器状态监测方法。
背景技术
为提高对配电网的监视和保护控制水平，国内各供电企业先后建设了配电自动化系统，为及时准确掌握配电系统运行与故障异常状态信息，安排故障恢复和保障用户供电奠定了重要的技术基础。配电自动化终端设备处于室外，运行环境恶劣，终端故障率较高；加之终端设备分散分布，难以准确掌握终端设备运行状态，运行可靠性保障困难。配电自动化系统各种故障中，断路器故障异常较为常见。
高压断路器是用来关合和开断正常电路、故障电路或用来隔离电源、实现安全接地的高压电器设备。为保障断路器可靠运行，要求进行定期检修，但配电自动化终端配属的断路器分散分布、检修不便，受配电检修班组人力限制，不可能定期安排巡检和维修。
近年来，国内外科研人员对断路器的在线状态监测进行了大量研究，研究表明绝大部分高压断路器的故障是由于机械部件和熄弧部件造成的，大概50％的故障可以归结为机械操动部件问题，19％属于熄弧介质问题(如：真空度下降、绝缘介质泄漏、含杂质等)，11％是由于电气问题(如：触头烧损、过热等)。机械部件的问题将导致分闸/合闸时间延长。当主轴摩擦力增大时，其主轴转角在最初的6毫秒内基本不受影响，而在6毫秒之后，随着分闸力的迅速减小，摩擦力的阻碍作用变得越来越明显，致使整个分闸过程比正常情况下延长了约14ms。目前，机械操动部件的状态监测一般会先将断路器退出运行，然后由检修人员通过检查控制电压、控制回路故障、绝缘介质气压、手动进行分合闸等操作来排查出断路器分合闸异常的原因。
尽管目前已研制了多种高压断路器状态在线监测装置，部分在实际应用中也能准确表征设备运行状态，但状态在线监测系统均需在现场安装硬件设备，一方面配电断路器数量庞大，难以承受所需耗费的人力物力，另一方面在线状态监测系统自身的可靠性不高，在配电终端恶劣的现场环境下很难可靠运行。
实际上，断路器的操作机构失效与二次回路及控制回路失效有关，将直接影响到断路器的分合闸时间，断路器绝缘介质的状态失效与主电路故障将间接影响到断路器的分合闸时间。因此，断路器的的分、合闸时间可以在一定程度上能表征断路器的运行状态(断路器的合闸时间是从发出合闸指令时刻到断路器的动触头与静触头稳定接触时刻的时间间隔；分闸时间是指从发出分闸指令时刻到断路器的电弧电流熄弧时刻的时间间隔)。如，CN100383547C的“高压断路器状态监测方法”，其公开了变电站自动化系统的断路器的状态监测是基于变电站的故障录波装置记录的高压断路器分闸操作的开断时间与正常开断时间之间的比较来判断的，但是该文献中记录的分闸操作的开断时间是基于高压断路器分闸操作时的电流衰减过程数据获得的，由于变电站的故障录波装置记录的是整个变电站每条母线的电压和每条线路的电流，并没有记录变电站断路器输出跳闸指令的时间，使得获得的变电站断路器分闸操作的开断时间并非准确值，而是一推算值，严重影响了断路器运行状态的表征。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种简单经济、而又能有效反应高压断路器(本文中提及的高压断路器皆指高压三相断路器)运行状态的配电自动化系统高压断路器状态监测方法，以克服现有配电断路器缺乏实际有效的状态监测技术。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种配电自动化系统高压断路器状态监测方法，该方法步骤如下：
a.利用配电自动化系统终端高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器分闸/合闸操作时的分闸/合闸指令发送时刻及三相电流动态变化过程数据，计算高压断路器分闸/合闸操作的分闸/合闸时间；
b.将计算得到的高压断路器分闸/合闸操作的分闸/合闸时间与高压断路器分闸/合闸操作的正常分闸/合闸时间进行比较，若计算得到的分闸/合闸时间大于正常分闸/合闸时间的1.2倍时，则高压断路器存在故障，发出告警，提示安排检修。
上述提及的高压断路器合闸操作的合闸时间的计算过程如下：
(1)以高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器合闸操作时的高压断路器三相电流动态变化过程数据中的一相电流动态变化过程数据和合闸指令发送时刻为基础，从发出合闸指令时刻之后的第一个采样点开始，计算每一个采样点的电流有效值，并计算该采样点后连续一个周波中所有采样点的电流有效值的均方差和平均值；
上述提及的采样点的电流有效值的计算、电流有效值的均方差和平均值的计算皆为本领域的常规技术。
(2)从发出合闸指令时刻之后的第二个周波的第一个采样点开始依次进行判断，若该采样点的电流采样值减去该采样点所在周波中所有采样点的电流有效值的平均值之差的绝对值大于5倍该采样点所在周波中所有采样点的电流有效值的均方差时，则判断在该采样点时刻合闸后电流变化已趋于稳定，将该采样点确定为该相高压断路器合闸操作的终止时刻；
(3)根据合闸指令发送时刻和合闸操作的终止时刻计算得到该相的合闸时间；即该相的合闸时间等于合闸操作的终止时刻减去合闸指令发送时刻；
(4)依前述步骤(1)-(3)的方法分别计算剩余二相的合闸时间，取三相合闸时间中最大的合闸时间作为高压断路器的合闸时间。
上述提及的高压断路器分闸操作的分闸时间的计算过程如下：
(1)以高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器分闸操作时的高压断路器三相电流动态变化过程数据中的一相电流动态变化过程数据和分闸指令发送时刻为基础，计算发出分闸指令时刻之后的每一个采样点的电流有效值；
上述提及的采样点的电流有效值的计算为现有技术。
(2)从发出分闸指令时刻之后的第一个采样点开始，将发出分闸指令时刻之后的每个采样点的电流有效值依次与1A进行比较，若小于1A，则判断在该采样点时刻后高压断路器的电弧电流已经熄灭，将该采样点确定为该相高压断路器分闸操作的终止时刻；
(3)根据分闸指令发送时刻和分闸操作的终止时刻计算得到该相的分闸时间；即该相的分闸时间等于分闸操作的终止时刻减去分闸指令发送时刻；
(4)依前述步骤(1)-(3)的方法分别计算剩余二相的分闸时间，取三相分闸时间中最大的分闸时间作为高压断路器的分闸时间。
上述提及的高压断路器分闸/合闸操作的正常分闸/合闸时间为高压断路器出厂时测试的分闸/合闸时间。
本发明与现有技术比较，可充分利用配电自动化系统终端高压断路器自带的故障录波装置记录分闸/合闸过程的电流数据，然后根据录波数据计算确定分闸/合闸时间，并采用分闸/合闸时间表征高压断路器状态。本方法在现有配电自动化系统上进行功能配置和开发分闸/合闸时间分析软件即可实现，无需新增硬件投资和系统改造费用，不会降低配电自动化系统终端可靠性，便可实现配电自动化系统高压断路器的在线状态监测，并基于状态监测指标实现状态检修。本方法同样适用于负荷开关。
附图说明
图1为高压断路器合闸时间示意图。
图2为高压断路器故障合闸判定流程图。
图3为高压断路器分闸时间示意图。
图4为高压断路器故障分闸判定流程图。
图5为实施例高压断路器合闸判定图。
图6为实施例高压断路器合闸录波图。
图7为实施例高压断路器分闸判定图。
图8为实施例高压断路器分闸录波图。
具体实施方式
配电自动化系统终端一般要求配置故障录波功能，在检测到故障、跳闸时进行故障录波，并在故障后将录波数据上报配电自动化主站系统。通过功能设置，可以使得配电自动化系统终端在进行分闸和合闸操作时也进行操作过程的录波，并将录制的分闸负荷电流熄弧过程数据和合闸负荷电流恢复过程数据上报配电自动化主站系统，从而，本申请根据高压断路器分闸/合闸指令发出时刻与故障录波数据确定分闸/合闸结束时刻，准确确定高压断路器的分闸/合闸时间，进而诊断高压断路器分闸/合闸时间是否超标，是否需要进行检修维护。
本发明为一种配电自动化系统高压断路器状态监测方法，该方法步骤如下：
a.利用配电自动化系统终端高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器分闸/合闸操作时的分闸/合闸指令发送时刻及三相电流动态变化过程数据，计算高压断路器分闸/合闸操作的分闸/合闸时间；
b.将计算得到的高压断路器分闸/合闸操作的分闸/合闸时间与高压断路器分闸/合闸操作的正常分闸/合闸时间进行比较，若计算得到的分闸/合闸时间大于正常分闸/合闸时间的1.2倍时，则高压断路器存在故障，发出告警，提示安排检修。
其中，上述提及的高压断路器分闸/合闸操作的正常分闸/合闸时间为高压断路器出厂时测试的分闸/合闸时间。
关于本发明高压断路器的合闸时间的确定：
参见图1，其中，TK为闭合时间，是高压断路器得到合闸动作信号(亦即保护通过压板输出合闸信号时刻)到动触头振动幅值衰减的最小值时刻；TF为接通时间，它是高压断路器得到合闸动作信号(亦即保护通过压板输出合闸信号时刻)到高压断路器首次接通电路回路；TX为动触头振动衰减时间，它是高压断路器在首次接通时间之后，由于动、静触头间的撞击与反弹使得动触头处于振动的衰减过程。即在动触头振动幅值衰减的最小值为断路器的合闸时间。因此，本申请设计的高压断路器合闸操作的合闸时间的计算过程如下，结合参见图2：
(1)以高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器合闸操作时的高压断路器三相电流动态变化过程数据中的一相电流动态变化过程数据和合闸指令发送时刻为基础，从发出合闸指令时刻之后的第一个采样点开始，计算每一个采样点的电流有效值，并计算该采样点后连续一个周波中所有采样点的电流有效值的均方差和平均值；
上述提及的采样点的电流有效值的计算、电流有效值的均方差和平均值的计算皆为本领域的常规技术。
(2)从发出合闸指令时刻之后的第二个周波的第一个采样点开始依次进行判断，若该采样点的电流采样值减去该采样点所在周波中所有采样点的电流有效值的平均值之差的绝对值大于5倍该采样点所在周波中所有采样点的电流有效值的均方差时，则判断在该采样点时刻合闸后电流变化已趋于稳定，将该采样点确定为该相高压断路器合闸操作的终止时刻；
(3)根据合闸指令发送时刻和合闸操作的终止时刻计算得到该相的合闸时间；即该相的合闸时间等于合闸操作的终止时刻减去合闸指令发送时刻；
(4)依前述步骤(1)-(3)的方法分别计算剩余二相的合闸时间，取三相合闸时间中最大的合闸时间作为高压断路器的合闸时间。
关于高压断路器分闸时间的确定：
参见图3，其中Tk为分闸时间，是配电自动化系统终端发出跳闸动作信号到最终分闸时刻；Tf为固有分闸时间，是高压断路器得到跳闸动作信号时刻到断路器触头完成分闸行程的时间；Tx为熄弧时间，是高压断路器触头完成分闸行程到电弧电流熄弧时刻的时间。依此，本发明设计的高压断路器分闸操作的分闸时间的计算过程如下，结合参见图4：
(1)以高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器分闸操作时的高压断路器三相电流动态变化过程数据中的一相电流动态变化过程数据和分闸指令发送时刻为基础，计算发出分闸指令时刻之后的每一个采样点的电流有效值；
上述提及的采样点的电流有效值的计算为现有技术。
(2)从发出分闸指令时刻之后的第一个采样点开始，将发出分闸指令时刻之后的每个采样点的电流有效值依次与1A进行比较，若小于1A，则判断在该采样点时刻后高压断路器的电弧电流已经熄灭，将该采样点确定为该相高压断路器分闸操作的终止时刻；
(3)根据分闸指令发送时刻和分闸操作的终止时刻计算得到该相的分闸时间；即该相的分闸时间等于分闸操作的终止时刻减去分闸指令发送时刻；
(4)依前述步骤(1)-(3)的方法分别计算剩余二相的分闸时间，取三相分闸时间中最大的分闸时间作为高压断路器的分闸时间。
实施例1高压断路器合闸判定
配电自动化系统终端的故障录波装置以6400HZ采样频率，即每周波128个采样点、采样点间隔0.15625毫秒的速率记录的合闸单相电流动态过程。采用全波傅里叶算法根据1-128采样时刻的电流瞬时值(即电流采样值的绝对值)ik计算第1-128个采样时刻的电流有效值，依此推出第k个采样点对应的电流有效值xk的计算如式1所示：
上式(1)中：
从而根据式1能计算出各个采样时刻对应的后一周波电流有效值，再分别计算出采样点后一周波的所有采样点的电流有效值的均方差与平均值。A、B、C三相的合闸判定如图5所示：可知A、B、C三相的合闸时刻点分别为1182、1186、1166，以判定的合闸时刻点最长的一相为断路器的合闸时刻点。其合闸起始时刻点为第869个采样点，断路器合闸时间为49.531ms。断路器合闸指令的发出时刻与合闸平稳时刻点分别标记为S、Z，如图6所示。
实施例2高压断路器分闸判定
配电自动化终端的故障录波系统以6400HZ采样频率，即每周波128个采样点、采样点间隔0.15625毫秒的速率记录的分闸单相电流动态过程。采用全波傅里叶算法根据1～128采样时刻电流瞬时值(即电流采样值的绝对值)ik计算第128个采样时刻的电流有效值；依此类推出k个采样点对应的电流有效值xk的计算如下式(1)所示：
上式(1)中：
从而根据式(1)能计算各个采样时刻对应的前一周波电流有效值，对其进行判定分析。A相的分闸判定图如图7所示：可知A相的分闸时刻点为1190，其分闸起始时刻点为第931个采样点，高压断路器分闸时间为40.469ms。高压断路器分闸指令的发出时刻与分闸平稳时刻点分别标记为S、Z，如图8所示。

Claims (4)

1.一种配电自动化系统高压断路器状态监测方法，其特征在于，该方法步骤如下：
a.利用配电自动化系统终端高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器分闸/合闸操作时的分闸/合闸指令发送时刻及三相电流动态变化过程数据，计算高压断路器分闸/合闸操作的分闸/合闸时间；
b.将计算得到的高压断路器分闸/合闸操作的分闸/合闸时间与高压断路器分闸/合闸操作的正常分闸/合闸时间进行比较，若计算得到的分闸/合闸时间大于正常分闸/合闸时间的1.2倍时，则高压断路器存在故障，发出告警。
2.如权利要求1所述的配电自动化系统高压断路器状态监测方法，其特征在于，所述高压断路器合闸操作的合闸时间的计算过程如下：
（1）以高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器合闸操作时的高压断路器三相电流动态变化过程数据中的一相电流动态变化过程数据和合闸指令发送时刻为基础，从发出合闸指令时刻之后的第一个采样点开始，计算每一个采样点的电流有效值，并计算该采样点后连续一个周波中所有采样点的电流有效值的均方差和平均值；
（2）从发出合闸指令时刻之后的第二个周波的第一个采样点开始依次进行判断，若该采样点的电流采样值减去该采样点所在周波中所有采样点的电流有效值的平均值之差的绝对值大于5倍该采样点所在周波中所有采样点的电流有效值的均方差时，则判断在该采样点时刻合闸后电流变化已趋于稳定，将该采样点确定为该相高压断路器合闸操作的终止时刻；
（3）根据合闸指令发送时刻和合闸操作的终止时刻计算得到该相的合闸时间；
（4）依前述步骤（1）-（3）的方法分别计算剩余二相的合闸时间，取三相合闸时间中最大的合闸时间作为高压断路器的合闸时间。
3.如权利要求1所述的配电自动化系统高压断路器状态监测方法，其特征在于，所述高压断路器分闸操作的分闸时间的计算过程如下：
（1）以高压断路器的故障录波装置记录的高压断路器分闸操作时的高压断路器三相电流动态变化过程数据中的一相电流动态变化过程数据和分闸指令发送时刻为基础，计算发出分闸指令时刻之后的每一个采样点的电流有效值；
（2）从发出分闸指令时刻之后的第一个采样点开始，将发出分闸指令时刻之后的每个采样点的电流有效值依次与1A进行比较，若小于1A，则判断在该采样点时刻后高压断路器的电弧电流已经熄灭，将该采样点确定为该相高压断路器分闸操作的终止时刻；
（3）根据分闸指令发送时刻和分闸操作的终止时刻计算得到该相的分闸时间；
（4）依前述步骤（1）-（3）的方法分别计算剩余二相的分闸时间，取三相分闸时间中最大的分闸时间作为高压断路器的分闸时间。
4.如权利要求1所述的配电自动化系统高压断路器状态监测方法，其特征在于，所述高压断路器分闸/合闸操作的正常分闸/合闸时间为高压断路器出厂时测试的分闸/合闸时间。
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