CN111505496B - 一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，属于真空断路器电寿命评估领域，基于实验数据建立了常见商用真空断路器电弧电压数据库，同时计算了燃弧时间和电弧电流有效值，进而计算真空断路器历次开断的电弧能量累计值，并将其与电弧能量阈值进行比较，得出剩余电寿命百分比，从而评估真空断路器的工作状态，并进一步确定是否给出预警提示。本发明方法解决了电弧电压在线检测难以实现的难题，为真空断路器电寿命在线监测奠定了基础，提高了真空断路器的电寿命预测精度。

Description

一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法

技术领域

本发明属于真空断路器电寿命评估领域，涉及一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法。

背景技术

真空断路器具有开断能力大、可靠性高、体积小及对周围环境无污染等优点，已经广泛应用于中压领域。真空断路器开断短路电流时，触头受电弧高温烧蚀，磨损严重，若多次开断后累计磨损过大，电弧不能正常断开，灭弧室可能爆炸，造成重大的安全事故。真空断路器的工作状态极大地影响着电力系统的供电可靠性，为了保证断路器在电寿命范围内正常可靠地完成分合闸操作，研究真空断路器的电寿命评估方法具有重要的工程意义。

真空断路器的电寿命受限于触头的磨损，而电弧期间注入触头的电弧能量决定触头的磨损程度。因此，电弧能量是真空断路器电寿命评估的直接指标。就目前的测量技术而言，电弧电流和燃弧时间的在线检测技术已经较为成熟，而电弧能量的计算则依赖于电弧电压的准确获取。目前的真空断路器电寿命评估方法大多通过累计开断过程中的电弧电流和燃弧时间来评估触头磨损程度，包括开断电流加权累计法、时间电流积分法等。前者对开断电流有效值进行加权累计，但加权系数取值具有很大的分散性且忽略了燃弧时间的影响；后者将电弧电阻视为常数，仅在燃弧时间内对开断电流的平方进行积分。综上所述，现有的真空断路器电寿命评估方法都难以实现电弧电压的在线检测，使得其对真空断路器电寿命的评估不精确，因此更精确的电寿命评估方法仍有待研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，以解决现有的真空断路器电寿命评估方法因电弧电压在线检测难以实现导致的评估方法不精确的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，包括如下步骤：

步骤一，建立电弧电压数据库、计算待测真空断路器的电弧能量阈值；其中电弧电压数据库是通过采集真空断路器在不同电弧电流有效值下的电弧电压平均值建立的；

步骤二，计算燃弧时间及电弧电流有效值；

步骤三，依据步骤二的电弧电流有效值从步骤一的电弧电压数据库中调取相应的电弧电压值；

步骤四，根据步骤二和步骤三得到的燃弧时间、电弧电流有效值及电弧电压值计算真空断路器的电弧能量累计值；

步骤五，根据步骤一得到的电弧能量阈值和步骤四得到的电弧能量累计值计算真空断路器的剩余电寿命；

步骤六，判断步骤五得到的剩余电寿命是否低于设定值；低于设定值，则给出预警提示并结束；不低于设定值，则从步骤二开始进入下一个循环，直至得到的剩余电寿命低于设定值、并给出预警提示时结束。

优选地，所述的燃弧时间是通过真空断路器开断时的电弧起始时刻和电弧终止时刻计算得到的电弧持续时间；所述的电弧电流有效值通过分析真空断路器开断时的电弧电流波形得到。

优选地，所述的电弧电压数据库是利用常见商用真空断路器在不同电弧电流有效值下测得的电弧电压平均值；在电弧电压数据库中，真空断路器在电弧期间的电弧电压平均值与电弧电流有效值成线性关系。

优选地，所述的电弧能量累计值是真空断路器历次开断过程中得到的单次开断电弧能量之和。

优选地，真空断路器的单次开断电弧能量以燃弧时间、电弧电流有效值及调取的电弧电压值为基础，利用电功公式计算得到。

优选地，真空断路器的电弧能量阈值是以真空断路器的额定短路电流开断次数为基础，计算真空断路器在额定条件下开断的电弧能量之和。

进一步优选地，真空断路器在额定条件下开断的电弧能量是以真空断路器的额定最长燃弧时间、额定短路电流有效值及电弧电压平均值为基础，利用电功公式计算得到。

优选地，所述的真空断路器的剩余电寿命是基于电弧能量累计值与电弧能量阈值之比计算得到的剩余电量百分比。

优选地，当剩余电寿命至少为30％时，不进行预警提示，直接进入步骤二，开始循环检测直至剩余电寿命小于30％；当剩余电寿命小于30％时，真空断路器的工作状态为“故障预警”，此时给出预警提示。

进一步优选地，当剩余电寿命大于60％时，真空断路器的工作状态为“正常工作”，不；当剩余电寿命为30％～60％时，真空断路器的工作状态为“引起注意”。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，通过采集不同电弧电流有效值下的电弧电压平均值，分析真空电弧电压平均值与电弧电流有效值之间的关系，建立真空断路器电弧电压数据库，计算燃弧时间和电弧电流有效值，依据电弧电流有效值调取电弧电压数据库中的电弧电压值，从而能够计算真空断路器历次开断的电弧能量累计值，并将电弧能量累计值与电弧能量阈值比较，计算真空断路器的剩余电寿命，从而评估真空断路器的工作状态，并进一步确定是否给出预警提示。本发明方法是在建立电弧电压数据库的基础上，通过电弧电流有效值调取电弧电压，有利于真空断路器电寿命评估方法的在线监测实现，克服了电弧电压在线测量的难题，为所提出的电寿命评估方法的在线应用奠定了基础；通过累计燃弧时间内的电弧能量，有效提高了真空断路器的剩余电寿命状态评估准确度，当剩余电寿命不足时及时给出预警提示，防止真空断路器超出电寿命范围工作，避免开断事故的发生。

进一步地，根据常见商用真空断路器在不同电弧电流有效值下的电弧电压平均值，且真空断路器在电弧期间的电弧电压平均值与电弧电流有效值成线性关系，便于后期利用检测到的电弧电流有效值得到对应的真空断路器的电弧电压值，进一步提高了电寿命评估方法的准确度。

进一步地，利用电功公式计算单次开断的电弧能量，并进而得到电弧能量累计值；利用电弧能量累计值与电弧能量阈值之比得到真空断路器的剩余电量百分比，使得本发明的电寿命评估方法计算简单，不易出错，实用性更强。

进一步地，利用得到的剩余电量百分比来评估真空断路器的工作状态，提供了“正常工作”、“引起注意”及“故障预警”三个工作状态，使得对真空断路器的评估更加精确，能够根据真空断路器的工作状态有效预防开断事故的发生。

附图说明

图1为本发明实施例中所述的基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法的功能模块图；

图2为本发明实施例中所述的真空断路器开断时电弧电流与电弧电压波形图；

图3为本发明实施例中所述的真空断路器电弧电压平均值与电弧电流有效值的关系曲线；

图4为本发明实施例中所述的基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明提供的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法包含燃弧时间测量、电弧电流检测、电弧电压数据库、电弧能量计算与累计、电弧能量阈值和剩余电寿命预警六个功能模块。

如图4所示，对于一台待测的真空断路器，其电寿命的评估方法包括如下步骤：

第一步，依据实验数据建立电弧电压数据库，实验数据是指常见商用真空断路器在不同电弧电流有效值下的电弧电压平均值；同时，计算真空断路器在其电寿命允许范围内的最大电弧能量阈值；第二步，检测真空断路器开断时电弧起始时刻和电弧终止时刻并计算燃弧时间；检测真空断路器开断时的电弧电流波形并计算电弧电流有效值；第三步，根据计算得到的电弧电流有效值调取电弧电压数据库中对应的电弧电压平均值；第四步，计算真空断路器该次开断时的电弧能量并对历次开断的电弧能量进行累计，得到电弧能量累计值；第五步，计算剩余电量百分比，对真空断路器的剩余电寿命进行评估；第六步，当剩余电量百分比低于设定值时，给出预警提示；否则，进入步骤二，开始第二次检测，直至计算的剩余电寿命低于设定值并给出预警提示结束。

第一步中，对于常见不同电压、电流等级和不同触头类型下的商用真空断路器，因为在真空电弧稳定燃烧期间，电弧电压近似为常数，如图2所示。所以采集真空断路器在不同电弧电流有效值下的电弧电压平均值，并由此建立了电弧电压数据库。实验数据如表1所示，

表1常见商用真空断路器电弧电压数据库

实验数据表明，电弧电压平均值U与电弧电流有效值I成线性关系：U＝k·I+U₀，如图3所示。其中，参数k和U₀与真空断路器的电压等级、电流等级及触头类型有关。

第二步中，本发明的燃弧时间测量模块可以实时采集到真空断路器开断时的电弧起始时刻t₁、电弧终止时刻t₂，计算电弧终止时刻与电弧起始时刻的差值，该差值为电弧持续时间，即燃弧时间t＝t₂-t₁。

本发明的电弧电流检测模块可以实时检测到真空断路器开断时的电弧电流波形i(t)，并计算得到电弧电流的有效值I。

第三步中，真空断路器开断时，依据第二步实时检测到的电弧电流有效值，查询第一步得到的电弧电压数据库，调取相应的电弧电压平均值。第四步中，电弧能量计算与累计模块可分别计算三相真空断路器开断时的电弧能量，并对历次开断的电弧能量进行累加。下面以A相为例，阐述计算方法：

(1)真空断路器A相单次(第i次)开断时的电弧能量计算方法如下：

其中，t₁是电弧起始时刻；t₂是电弧终止时刻；i(t)是电弧电流瞬时值；i为正整数。

(2)真空断路器A相历次(共n次)开断时的电弧能量累计值计算方法如下：

其中，n为真空断路器开断总次数。

真空断路器电弧能量阈值是指在真空断路器电寿命范围内允许的最大电弧能量累计值，其值可以通过如下公式计算：

W_thre＝N·W_N

其中，W_N是真空断路器在额定条件下开断时的电弧能量，t_N是真空断路器额定最长燃弧时间，I_N是额定短路电流有效值，i_N(t)是额定短路电流瞬时值，W_thre是真空断路器电弧能量阈值，N是额定短路电流开断次数。

第五步中，剩余电寿命预警模块依据真空断路器剩余电量百分比进行预警提示。剩余电量百分比可以通过如下公式计算：

第六步，当P_A＞60％时，真空断路器工作状态为“正常工作”，进入下一次循环检测；当30％≤P_A≤60％时，真空断路器的工作状态为“引起注意”，进入下一次循环检测；当P_A＜30％时，真空断路器的工作状态为“故障预警”，给出预警提示。

综上所述，本发明提供了一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，提高了真空断路器电寿命预测精度。同时，基于实验数据建立了常见商用真空断路器电弧电压数据库，解决了电弧电压在线检测难以实现的难题，为真空断路器电寿命在线监测奠定了基础。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，建立电弧电压数据库、计算待测真空断路器的电弧能量阈值；其中电弧电压数据库是通过采集常见商用真空断路器在不同电弧电流有效值下的电弧电压平均值建立的；

步骤二，计算燃弧时间及电弧电流有效值；

步骤三，依据步骤二的电弧电流有效值从步骤一的电弧电压数据库中调取相应的电弧电压值；

步骤四，根据步骤二和步骤三得到的燃弧时间、电弧电流有效值及电弧电压值计算待测真空断路器的电弧能量累计值；

步骤五，根据步骤一得到的电弧能量阈值和步骤四得到的电弧能量累计值计算待测真空断路器的剩余电寿命；

步骤六，判断步骤五得到的剩余电寿命是否低于设定值；低于设定值，则给出预警提示并结束；不低于设定值，则从步骤二开始进入下一个循环，直至得到的剩余电寿命低于设定值、并给出预警提示时结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，所述的燃弧时间是通过真空断路器开断时的电弧起始时刻和电弧终止时刻计算得到的电弧持续时间；所述的电弧电流有效值通过分析真空断路器开断时的电弧电流波形得到。

3.根据权利要求1所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，在电弧电压数据库中，真空断路器在电弧期间的电弧电压平均值与电弧电流有效值成线性关系。

4.根据权利要求1所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，所述的电弧能量累计值是真空断路器历次开断过程中得到的单次开断电弧能量之和。

5.根据权利要求4所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，真空断路器的单次开断电弧能量以燃弧时间、电弧电流有效值及调取的电弧电压值为基础，利用电功公式计算得到。

6.根据权利要求1所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，真空断路器的电弧能量阈值是以真空断路器的额定短路电流开断次数为基础，计算真空断路器在额定条件下开断的电弧能量之和。

7.根据权利要求6所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，真空断路器在额定条件下开断的电弧能量是以真空断路器的额定最长燃弧时间、额定短路电流有效值及电弧电压平均值为基础，利用电功公式计算得到。

8.根据权利要求1所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，所述的真空断路器的剩余电寿命是基于电弧能量累计值与电弧能量阈值之比计算得到的剩余电量百分比。

9.根据权利要求1所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，当剩余电寿命至少为30％时，不进行预警提示，直接进入步骤二，开始循环检测直至剩余电寿命小于30％；当剩余电寿命小于30％时，真空断路器的工作状态为“故障预警”，此时给出预警提示。

10.根据权利要求9所述的一种基于电弧能量的真空断路器电寿命评估方法，其特征在于，当剩余电寿命大于60％时，真空断路器的工作状态为“正常工作”；

当剩余电寿命为30％～60％时，真空断路器的工作状态为“引起注意”。

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