發電廠電氣自動化中斷路器狀態在線監測的實現

呂寶英

（同煤集團同達熱電公司，山西 大同 037003）

新一代發電廠電氣自動化技術（ECS）涵蓋了發電廠機組和廠用電保護與監控、網絡站監控以及其他的電氣自動裝置的監控與信息集成，并可以與DCS接口實現一體化控制。目前ECS系統實現的監控功能主要包括模擬量、開關量、脈沖量的采集，開關的遙控，SOE，保護事件，錄波，遠方通信等，也包括繼電保護及自動裝置的遠方整定管理、防誤閉鎖及操作票等應用功能。這些功能基本覆蓋了運行人員對電氣系統的日常操作和管理，但隨著監控技術的發展，兩項新功能將融入電氣監控系統:一項是電氣運行的視頻監控，另一項是高壓電氣設備的工作狀態在線監測。

本文以高壓斷路器的工作狀態在線監測為例，分析了在ECS系統的監控功能中實現對高壓設備，例如斷路器的電壽命、機械性能等狀態指標的在線監測，從而將對電氣系統的緊急控制從故障后保護動作，發展為以發現潛在故障特征為目標的預防性控制，這對于提高發電廠電氣設備的安全運行十分有益。

在發電廠的一次設備中，就單臺設備而言，斷路器是僅次于發電機、變壓器的大型電力設備，但就需用數量和所占電站設備的投資大小而言，它又排在二者之前。它的動作可靠性直接關系著系統的安全與穩定，許多重大設備損壞或系統解列停電事故都是開關操作失常所致。

目前，內蒙古興安熱電有限責任公司的高壓斷路器基本尚處于定期維護階段，這種傳統的計劃檢修往往造成巨大的人力、財力浪費，并可能對生產造成沖擊。采用基于設備工作狀態的在線采集監視的狀態檢修是今后設備維護和檢修的發展方向。

所謂“狀態檢修”就是要通過種種手段對正在運行中的設備進行健康水平的評估或診斷，進而有針對性地采取相應措施，以最大限度地延長設備的檢修周期及使用壽命，增強其運行的可靠性。對斷路器實施狀態檢修能減少停電時間，消除不必要的人力、財力浪費，避免因拆裝不當所造成的設備事故或人身傷害。

因此，對斷路器健康狀態的在線監測與診斷是電力工業不可回避的重大課題。同時，也只有在對運行中的大量斷路器實施在線監測與診斷，摸索和積累大量第一手資料后，才能制造出智能型帶診斷功能的免維修斷路器。而推行狀態檢修的關鍵在于在線監測系統對設備健康狀況的診斷。

在電氣自動化系統的測控裝置或保護測控一體化裝置中增加高壓斷路器實時狀態監測功能是必要的、可行的。其工作原理主要是根據斷路器開斷電流與開斷次數、輔助電路線圈電流和其機械特性等狀態信息進行綜合判斷，以診斷其電壽命狀態和常規機械故障。能適用于裝有少油或多油、SF6及真空三大類不同電壓等級的斷路器，能同時對一個系統內所有斷路器的觸頭電壽命及主要機械故障和輔助電路進行實時監測與診斷，實時給出明確的狀態信息。該功能可提高斷路器運行的可靠性，進而提高電廠運行的安全性，克服定期維修的盲目性，減少檢修次數，降低檢修費用，最大限度地延長檢修周期，提高設備的投運率，為實現狀態檢修提供科學依據和決策建議。

1 電氣監控系統的結構和功能

發電廠的電氣部分可分為電氣網控部分和機組電氣部分（包括廠用電和發變機組保護監控）。其中機組電氣部分直接關系到發電廠的生產與運行；網控部分是發電廠與輸電網發生聯系的部分。發電廠電氣監控系統直接完善了DCS/FCS系統的監控范圍和自動化程度，該技術的應用將大大提高發電廠運行的自動化水平。電氣監控系統的基本功能包括以下幾項。

1.1 實現電廠電氣自動化（ECS）并完全納入DCS系統

（1）實現發電廠廠用電自動化，使用保護測控一體化智能裝置實現廠用6kV、380V及公共部分的繼電保護、監控、信息管理和設備維護，并經ECS系統融入DCS。

（2）實現發電廠網絡站自動化（NCS），實現對升壓站的監控和遠動功能，并實現NCS與DCS的接口（例如，GC部分）。

（3）實現對發變組保護、發變組錄波、發電機勵磁、同期、電度表等的監控和管理，并經ECS系統納入DCS。

（4）實現對廠用電快切、UPS、直流系統等的監控和管理，并經ECS系統納入DCS。

（5）實現在DCS的操作員站上對電廠所有電氣部分進行控制和設備管理，DCS系統也可以授權在ECS操作員站上實現電氣操作。

（6）實現電廠電氣系統的防誤閉鎖及操作。（7）實現電氣設備工作狀態的在線監測。

1.2 斷路器的在線監測目前斷路器在線監測的主要內容包括以下四個方面

（1）觸頭電壽命。

（2）操作回路的完整性。

（3）絕緣特性。

（4）機械特性。

1.3 目前技術所能滿足的在線監測和狀態評估要實現對斷路器及氣體絕緣組合電器（GIS）的電氣和機械性能的在線監測和狀態評估，目前的技術能夠實現以下幾項。

（1）斷路器觸頭磨損的評估，即觸頭的電壽命。下文將詳細討論觸頭電壽命的計算。

（2）斷路器機械故障的評估。機械特性的停電、不揭蓋的測量已較為成熟，但在線監測難度較大。采用在線監測方法應考慮其得失利弊及經濟性。電氣回路的完整性可以在保護裝置中實現。

（3）真空泡的真空度的測量。目前僅僅停留在對原理的探討上，如果一定要實現在線監測，尚無經濟而安全的方法。

（4）目前，在線監測GIS機械振動或局部放電已有望實現。

2 斷路器觸頭電壽命的分析方法

發電廠內斷路器的狀態監測通常包括真空、SF6、少油或多油斷路器三大類不同電壓等級的斷路器。對斷路器電壽命的診斷傳統方法是累計開斷電流和開斷次數。但當被測電流相差很大時，因燒損機理不同，同樣的累計電流量所造成的滅弧室燒損量卻相差很大。僅考慮累計開斷電流和累計開斷次數是不夠的，合理的辦法是把開斷電流的大小、每次累計觸頭燒損量作為電壽命判別的依據。

2.1 斷路器電壽命的檢修判據

通過對少油、SF6和真空斷路器電磨損的分析可知，斷路器每次開斷電流時都會產生電弧，電弧是使斷路器電氣壽命減少、電氣性能劣化的直接原因，其中斷路器觸頭的燒損是斷路器電壽命減少的決定性因素，觸頭的電磨損又取決于開斷電弧的能量，即開斷電流和燃弧時間。大量試驗及運行經驗證明，雖然燃弧時間的長短對于單次開斷而言是隨機的，在一定范圍內變化，但當開斷次數達到一定值后，其平均燃弧時間則是趨近的。也就是說，從斷路器電磨損累計效應和統計平均的角度看，隨機因素對燃弧時間分散性的影響是可以忽略不計的，只用開斷電流作斷路器的電磨損標示是可行的。

筆者認為，利用觸頭磨損公式直接計算每次開斷的磨損量，并累計，把觸頭累積磨損量作為判斷斷路器電壽命的標示量，是目前較為科學的方法。

從各種規范標準及推導的電磨損公式和曲線中，斷路器觸頭的電磨損量m是一個絕對量，與燃弧電流有關。但由于斷路器生產廠家并不提供其斷路器的總允許磨損量和觸頭磨損公式，所以無法以它來判斷斷路器的開斷后觸頭的實際磨損量與當時的電壽命狀態。實際中，斷路器生產廠家提供的是斷路器的開斷次數與相應開斷電流的關系曲線，即N-Ib曲線。此曲線由廠家通過等效開斷試驗獲得，它是以斷路器的開斷能力來衡量斷路器觸頭磨損及其電壽命狀態的。

因此，采用相對電磨損和相對電壽命的概念，以便利用N-Ib曲線來標示斷路器觸頭的磨損情況與電壽命狀態。

設額定開斷電流下單次開斷的電磨損為M，其對應的允許開斷次數為N，從統計平均和累計效應的角度看，可認為斷路器的允許總磨損量為N×M；同樣，設任意開斷電流下單次開斷的電磨損為m，根據斷路器廠家提供的N-Ib曲線，可知任意大小開斷電流所對應的允許開斷次數Nb，則斷路器的允許磨損總量也可表示為Nb×m。

引入相對電磨損的概念，可得到斷路器在任意開斷電流下開斷的單次電磨損量相對于觸頭允許磨損總量的相對磨損量為：

也就是說，只要測得了斷路器的實際開斷電流，通過N-Ib曲線就可得到相應的允許開斷次數，進而也就得出了以相對值表示的本此開斷引起的觸頭磨損量。

2.2 斷路器的機械壽命的監測

斷路器機械壽命的在線監測由分布式的保護測控裝置監測斷路器的分合閘線圈的電流波形進行分析判別。分合閘線圈是控制斷路器動作的關鍵元件，應用電流傳感器可以方便地測出其電流波形。

采用上述算法可以在測控裝置或保護測控一體化裝置中實現對斷路器的在線監控功能，從而在ECS系統中增加電廠電氣設備的狀態監控。

3 結論

在發電廠電氣自動化系統中增加關于高壓電氣設備的工作狀態在線監測功能是電氣監控系統的發展方向，無論是發電廠的電氣監控還是輸電網的電氣監控都努力增加對事故的預防性監控措施，其中關于高壓電力設備的工作狀態的在線監測是一項相對獨立的監控技術。

本文討論了如何在發電廠電氣監控系統（ECS）中實現斷路器的工作狀態在線監測功能，本文詳細討論了斷路器的觸頭電壽命的在線估算以及斷路器機械性能的在線分析，探討了利用現有的分布式保護測控裝置，通過增加傳感環節，利用算法實現對斷路器狀態的在線監測，從而使ECS能夠監測并管理電廠電氣設備的壽命，并最終實現狀態檢修。這對于提高發電廠電氣設備的安全運行十分有益。