CN111933459A - 一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，包括步骤：1)电弧功率测量，得到电弧功率；2)利用步骤1)得到的电弧功率，进行瞬时电弧功率的滑动平均值计算，得到输出序列；3)利用步骤2)得到的输出序列，设定电弧功率阈值；4)利用步骤1)得到的电弧功率，计算累计电弧能量；5)利用步骤4)得到的累计电弧能量和步骤3)设定的电弧功率阈值，设定状态监测报警标准。本发明利用断路器的瞬时电弧功率和电弧能量来计算累积电弧能量，评估断路器弧触头的退化程度，可以准确地评估弧触头的电气磨损情况，从而为断路器的弧触头的检修和维护时间提供判断依据。

Description

一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法

技术领域

本发明涉及一种评估断路器弧触头电气磨损程度的方法，具体涉及一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法。

背景技术

断路器作为电气开关设备，主要用于可靠和及时地隔离电气设备，保护设备免受异常事故影响。断路器工作时往往会受到电磁力、机械力和热应力的作用，从而产生一定程度的电气磨损，这会导致断路器的工作性能下降，运行状态受到影响。因此，要保证断路器的稳定工作，就需要实时检测断路器的运行状况。断路器状态监测方法可以分为离线监测、在线监测和实时监测。

研究结果表明，断路器电弧电压和电流与断路器喷嘴和弧触头的退化程度有关，因此，电弧功率和电弧能量会在一定程度上影响断路器弧触头的电磨损程度。而目前基于功率的状态检测算法已成功地用于电网供电损耗、磁极滑动和发电机不对称故障的检测。

发明内容

本发明提出一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，该方法能够适用于任何类型的断路器，具有较好的实时性。具体是通过在电弧放电时测量断路器的端子上的瞬时电压和通过断路器的瞬时电流，从而对电弧放电功率和能量进行相应的计算，采用断路器的累积电弧能量作为弧触头退化水平的评价指标，对断路器触头的电气磨损情况进行评估。通过仿真和实验验证了该方法能够较为准确的评估断路器触头的电气磨损情况，实现对断路器的状态监测。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，包括以下步骤：

1)电弧功率测量，得到电弧功率；

2)利用步骤1)得到的电弧功率，进行瞬时电弧功率的滑动平均值计算，得到输出序列；

3)利用步骤2)得到的输出序列，设定电弧功率阈值；

4)利用步骤1)得到的电弧功率，计算累计电弧能量；

5)利用步骤4)得到的累计电弧能量和步骤3)设定的电弧功率阈值，设定状态监测报警标准。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，对断路器端子的瞬时电压和瞬时电流信号进行采样得到相应采样信号，计算电弧功率。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，根据步骤1)计算得到的电弧功率，利用滑动平均值滤波器对被测功率中的样本进行处理，产生相应输出序列。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，根据步骤2)计算得到的输出序列，确定基于电弧功率的阈值。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，根据步骤1)计算得到的电弧功率，进行积分或累加即可计算得到累积电弧能量。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，根据步骤4)得到的累计电弧能量与步骤3)基于电弧功率的阈值相比较，确定状态监测算法的报警标准；当累积电弧能量大于预设阈值时，检修或维护断路器。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明所提出的基于电弧功率的状态检测方法，该方法能够适用于任何类型的断路器，具有较好的实时性。

2、本发明利用断路器的瞬时电弧功率和电弧能量来计算累积电弧能量，评估断路器弧触头的退化程度，可以准确地评估弧触头的电气磨损情况，从而为断路器的弧触头的检修和维护时间提供判断依据。

附图说明

图1为本发明提出的断路器触头状态监测算法流程图；

图2为断路器模型等效电路图；

图3为6kV短线路故障模型仿真电路图；

图4为断路器额定电流中断的响应曲线图；

图5为断路器额定开断电流中断的响应；

图6为具有磨损触头的断路器发生电弧重燃中断16kA短路电流的响应。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明所提的断路器触头状态监测算法需要确定断路器输入端和输出端瞬时功率的差值，该差值可由端子上的瞬时电压v_CB(t)和通过断路器的瞬时电流i_CB(t)计算得到，其计算公式如下所示：

Δp(t)＝v_CB(t)·i_CB(t) (1)

断路器完全关闭和打开时瞬时功率差值为：

断路器产生电弧时的瞬时功率差值为：

在断路器输入端测得的瞬时功率等于在断路器输出端测得的瞬时功率，因此只要断路器完全闭合或打开，两者差值总是为0，如式(1)和(2)所示。然而，由于产生电弧时断路器的功率损耗以光和热的形式存在，因此功率始终差不为0，如式(3)所示。断路器产生电弧时的功率损耗等于断路器两端之间的功率差，这一功率差就是电弧功率。由于只有断路器产生电弧才会出现电弧功率，因此测量电弧功率无需与电网频率同步。

进一步的在图1中，本发明所提出的算法步骤如下：

(1)电弧功率测量

对断路器端子的瞬时电压和瞬时电流信号进行采样得到相应采样信号，计算电弧功率：

式中：v_CB和i_CB分别为断路器端电压和通过断路器的电流瞬时值，s为示采样指数，T_S表示采样周期。

(2)计算瞬时电弧功率的滑动平均值

测量电弧功率后，利用滑动平均值滤波器对被测功率中的样本进行处理，产生相应输出序列：

式中：Δp为输入数据序列，表示瞬时电弧功率；p_MA为输出数据序列，表示瞬时电弧功率的滑动平均值；j为采样时刻的瞬时电弧功率；N为滑动平均滤波周期长度。滑动平均值滤波器产生的输出数据序列可以产生平滑的电弧功率，有效地抑制高频振荡。

(3)设定电弧功率阈值

对于各类型断路器，算法可初步确定基于电弧功率的阈值，其计算方法如下所示：

式中：n_br是制造厂商规定的断路器额定电流允许中断的次数；k表示中断电流指数，由断路器绝缘介电强度决定，其数值通常为1～2之间；n是瞬时电弧功率的样本数；p_MAr是与断路器额定功率有关的瞬时电弧功率。

研究表明，方程(6)可近似用于不同类型的断路器，如式(7)所示：

式中：P_r和V_r分别表示断路器的额定功率和额定电压的均方根值；t_arc是电弧放电时间；V_arc是电弧电压的峰值，与断路器弧柱触头额定功率有关。这意味着任何类型的断路器的阈值实际上取决于断路器断开次数、额定功率、电弧放电时间以及电弧电压峰值与额定电压均方根值之比。

(4)计算累计电弧能量

将每次断路器启动操作后测得的电弧放电功率进行积分或累加即可计算得到累积电弧能量，其计算公式如下所示：

式中：m是断路器启动操作次数。

E_sum＞E_thre (9)

(5)设定状态监测报警标准

通过比较每一次断开过程中累积电弧能量与状态监测阈值，可以确定状态监测算法的报警标准，如式(9)所示。当断路器任一相的累积电弧能量超出预设的阈值时，系统就会发出报警信号，通知系统操作员。此时断路器弧触头的电磨损达到最大，需要进行检查或维护。若累积电弧能量未超出预设阈值，则算法继续计算断路器累积电弧能量。

如图2所示，本发明将两种著名的电弧模型进行结合从而得到相应的断路器模型。第一种电弧模型是由a.m.Cassie于1939年提出的，该模型考虑了电弧通道的温度、电场强度和电流等固定参数，该模型解释了电流较大时的电弧行为。O.Mayr在1943年提出了第二种电弧模型，在这一模型中，电弧温度变化较大，但电弧柱的大小和形状是固定的。它可以模拟电流较小时的电弧特性。Habedank在1993年提出了一种广义电弧模型，该模型是由Cassie电弧模型和Mayr电弧模型串联得到。本发明利用Matlab仿真软件在Simulink中搭建该广义电弧模型，并用该广义电弧模型来表示断路器分闸操作过程中的瞬态行为，同时将暂态恢复电压调节支路与电弧电导并联模拟电弧消弧后的暂态振荡。

如图3所示，本发明通过建立短线路故障仿真模型对断路器产生的电弧情况进行分析。在单相系统中对短线路故障进行模拟，该系统包括20.78kV的交流电压源，并将其作为相电压，此时线电压为36kV，同时在系统中加设工频电抗、暂态恢复电压控制支路和电源侧时延电容。针对电源侧与断路器之间连接的母线建立工频母线联络线模型。该断路器模型采用与暂态恢复电压调整支路并联的Cassi-Mayr组合电弧模型。利用时延电容和工频联络线模型对负荷侧进行了模拟。

仿真采用的断路器规格参数如表1所示。表2给出了短线故障电路模型中使用的电路元件参数。使用常数参数线路模块对联络线电路(Line1和Line2)进行建模，相关参数如表3所示。此外，表4给出了用于断路器建模的Cassi-Mayr组合模型相应的黑盒电弧参数。这些黑盒电弧参数适用于本发明仿真时采用的气体绝缘中压断路器。若改变断路器型号规格，则状态监测阈值和报警标准也会改变，但对不影响本发明提出的算法性能。

表1断路器规格参数

表2短线路故障模型电路的电路元件参数

表3仿真线路常数参数

表4断路器的电弧模型仿真参数

仿真时将采样频率设置为10MHz，仿真周期为100ms。断路器在40ms时开始工作，断开短线路故障电流。滑动平均值滤波窗口的长度预先设定为1ms，考虑到采样频率，则总计可以得到10000个样本。当断路器为气体绝缘型时，式(6)和式(8)中与断路器绝缘介质有关的指数k为1.5。设定断路器在额定电流或额定功率工作条件下允许开断的次数最大为10000次，在达到设定的开断次数后必须对电弧触头进行检查或维护。断路器额定电流是对断路器触头造成最小电气磨损的电流值。额定电流越大，断路器触头的电气磨损越严重，此时所能允许的开断次数也相应减少。本发明所提出的基于电弧功率的断路器触头状态监测算法中，触头的电气磨损可以由式(8)计算得到。根据式(6)可以计算得到本发明采用的气体绝缘中压断路器的触头状态监测阈值为17200(p.u./ms)。

如图4所示，断路器开断起弧时间为5ms，断路器触头断开次数达到10000次的累积电弧能量为1.4355(p.u./ms)。

如图5所示，断路器开断起弧时间为9ms，电弧能量为31.980(pu.ms)。与图4相比，此时电弧能量显著增加，这是由于此时断路器中断的短路电流幅值较大。随着被中断的电流的幅值增大，电弧形成的时间也相应增加。

如图6所示，电弧放电时间增加到13ms，大于同型号规格的断路器在中断其额定开断电流时触头电弧的放电时间。在电网以工频运行的前半个周期内，断路器第一次灭弧未能成功，此时电弧能量为35.166(p.u./ms)。因此，在后半个周期内断路器仍会存在电弧。尽管中断电流低于额定开断电流，但与之前的情况相比，电弧能量有所增加，原因在于断路器触头磨损引发了电弧重燃。而在没有电弧重燃的情况下，中断相同电流水平时，电弧能量约为25.233(p.u./ms)，比重燃时的电弧能量低28％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)电弧功率测量，得到电弧功率；

2)利用步骤1)得到的电弧功率，进行瞬时电弧功率的滑动平均值计算，得到输出序列；

3)利用步骤2)得到的输出序列，设定电弧功率阈值；

4)利用步骤1)得到的电弧功率，计算累计电弧能量；

5)利用步骤4)得到的累计电弧能量和步骤3)设定的电弧功率阈值，设定状态监测报警标准。

2.根据权利要求1所述的一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，其特征在于，步骤1)中，对断路器端子的瞬时电压和瞬时电流信号进行采样得到相应采样信号，计算电弧功率。

3.根据权利要求2所述的一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，其特征在于，步骤2)中，根据步骤1)计算得到的电弧功率，利用滑动平均值滤波器对被测功率中的样本进行处理，产生相应输出序列。

4.根据权利要求3所述的一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，其特征在于，步骤3)中，根据步骤2)计算得到的输出序列，确定基于电弧功率的阈值。

5.根据权利要求1所述的一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，其特征在于，步骤4)中，根据步骤1)计算得到的电弧功率，进行积分或累加即可计算得到累积电弧能量。

6.根据权利要求5所述的一种利用电弧功率检测断路器触头电气磨损状态的方法，其特征在于，步骤5)中，根据步骤4)得到的累计电弧能量与步骤3)基于电弧功率的阈值相比较，确定状态监测算法的报警标准；当累积电弧能量大于预设阈值时，检修或维护断路器。

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