基于電弧功率的斷路器觸頭磨耗狀態分析

熊建軍

（湖南長高高壓開關有限公司，湖南 長沙 410219）

斷路器是保證電網系統實現安全可靠運行的關鍵，其運行狀態的好壞直接影響整個系統的安全水平。斷路器的主要作用是實現電流的開端。對于整個電力系統來說，當故障發生時，斷路器可以實現如過負荷電流、短路電流等故障電流的開斷，從而實現對電網系統的有效保護。因此，穩定有效的斷流能力是衡量短路器質量的關鍵，斷路器實現斷流的關鍵是其滅弧結構的存在。目前，電力系統中較常見的斷路器主要有六氟化硫斷路器（SF6斷路器）、壓縮空氣斷路器、真空斷路器等，不同的短路器由于具備各自的特點，因此，都有一定范圍的應用。

由于斷路器的重要性，準確獲取其工作狀態是目前研究的熱點和重點。近年來，國內外科研人員開展了一系列有關斷路器工作狀態評估、壽命預測的等相關的研究工作，其中，如何準確獲取斷路器觸頭的磨耗情況是較重要的研究內容。傳統計算斷路器觸頭電磨損的方法一般為基于設備所開斷的電流的大小以及開斷次數，該方法雖然監測的指標簡單，較易實現，但是，由于未考慮燃弧發生的時間、故障相和非故障相之間開斷的電流不同等因素，計算的誤差一般偏大，無法達到相關安全評價標準的要求，只能用于簡單的、安全性要求不高的電力系統。斷路器磨損一般分為機械磨損和電氣磨損，由于磨損狀態的多變性，因此，目前在線實時監測的方法也得到了大量應用，其中主要的方向有監測斷路器開始分閘開斷電流時，電弧開始起弧的時間，以及對斷路器觸頭表面平滑度進行監測，斷路器觸頭的機械特性進行在線監測等。此外，基于估算電磨損量和開斷電流加權累計法估算電磨損量的方法也較為常見。

隨著國家電力系統的快速發展，高壓、特高壓等應用愈加廣泛，因此，如何更加智能、準確地實現斷路器觸頭磨耗狀態的獲取，對于保障電力系統安全，助力國家電力系統的發展意義重大。本文重點分析了斷路器觸頭磨耗狀態的分析方法，首先，對觸頭的相對電磨損與相對電壽命的關系進行了介紹，分析了傳統的基于開斷電流累計次數的電磨損量計算的方法的不足，針對以上問題提出了一種基于電弧功率的斷路器觸頭電磨損狀態評估方法。仿真結果表明，該方法具有較好的應用效果。

1 基于電弧功率的觸頭電磨損狀態分析

目前，較為傳統和簡單的斷路器觸頭磨耗狀態監測中，一般只是對于某一型號斷路器開斷固定大小的電流，當斷路器開關達到了一定次數后，再對其進行計劃維修。該方法的弊端是在斷路器整個工作過程中，實際上發生開斷滿容量的額定短路電流的情況較為少見，大部分情況下，造成短路器觸頭磨損的原因是燃弧電氣磨耗，只針對開關次數進行評價，并不能真實有效地反映斷路器觸頭的磨耗狀態，該方法雖然簡單，但是，容易造成大量人力資源的浪費，且由于無法實時獲取斷路器的工作狀態，從而造成一定的安全隱患。因此，只針對開斷額定短路電流的開斷次數去評價一臺斷路器的電壽命是不科學的，且無法滿足大規模電力系統的穩定性要求。

針對以上問題，本文在充分總結現有方法的基礎上，提出了一種基于電弧功率的短路器觸頭磨耗狀態分析方法，該方法以獲取斷路器工作狀態下觸頭兩端的瞬時功率為基礎，通過實時分析斷路器觸頭的磨損量，實現對斷路器磨耗狀態的監測。斷路器工作狀態下，觸頭兩端的瞬時功率值可由斷路器端子上的瞬時電壓V(t)和通過斷路器的瞬時電流I(t)計算得到，其計算公式如下所示：

由公式可知，當斷路器在工作狀態中，無論出于打開或者閉合狀態，斷路器兩端的功率值總是保持為0，但是，短路器產生電弧反應時功率的消耗是以光、熱等形式存在的，因此，斷路器在工作中兩段功率是不為0的，斷路器產生電弧時的功率損耗等于斷路器兩端測得的功率值，這個功率值為電弧功率?；陔娀」β实亩搪菲饔|頭磨耗狀態分析方法一般分為電弧功率獲取、狀態監測報警標準確定、累積電弧能量的計算等。各步驟具體實施方法如下：

（1）電弧功率獲取。電弧功率的獲取通過采集短路器端子的瞬時電壓和電流獲取，計算公式如下：

式中，VCB為斷路器兩端電壓，iCB為斷路器的電流瞬時值，s為采樣指數，代表采樣點為第s個TS周期，為采樣周期。

（2）狀態監測響應值。斷路器狀態監測的響應值可初步確定基于電弧功率的閾值，計算方法如下：

式中，nbr為產品說明書規定的斷路器額定電流允許開斷的次數，k為電弧功率的加權系數，Ei為斷路器每次開斷的電弧能量的估算值。

（3）累積電弧能量。累積電弧能量的計算方式為將每次斷路器啟動操作后測得的電弧放電功率進行積分或累加，其計算公式如下所示：

式中，m為斷路器啟動操作次數。

最后，通過比較每次斷開過程中累積電弧能量與狀態監測閾值，可以確定狀態監測算法的報警標準，如式（5）所示：

系統出現報警的標準為短路器當斷路器任一相的累積電弧能量超出預設的閾值時。通過該算法，可實現斷路器觸頭磨耗狀態的實時監測，該方法準確地實現了電氣磨耗狀態的監測。當累計磨耗量達到規定限值后，對斷路器進行維修檢查，一方面?？梢杂行p少維修工人的工作量，提高工作效率；另一方面?？梢詫崿F集中規范管理，確保電網系統的長久安全運行。

2 仿真分析

針對上述提出的基于電弧功率的斷路器觸頭磨耗狀態分析方法，通過建立近區故障線路仿真模型對方法的有效性進行仿真分析。選用單相系統對相應的短路故障進行仿真，系統的采用20kV的交流電壓源，線電壓為35kV，為真實有效地還原實際電網系統，同時，在系統中加入工頻電抗、暫態恢復電壓控制支路和電源側時延電容。利用Matlab/Simulink仿真軟件進行仿真，圖1為具有斷路器的35kV短線路故障模型仿真電路圖。

仿真采用的斷路器規格參數為：額定電壓40kV，額定電流1200A，額定功率50MVA。

圖1 35kV故障線路模型圖

額定斷開容量1250MVA，額定頻率 50/60Hz，額定開斷電流（均方根）20kA，額定關合電流（峰值）50kA。故障電路模型中使用的電路元件參數為：R1、R2、R3、R4的電阻值分別為0.15Ω、100Ω、0.2Ω、0.5Ω；C1、C2、C3、C4分 別 為 0.5μF、0.02μF、1.8nF、1.2nF；L1、L2分別為11mH、1μH。

采用本文提出算法，斷路器額定電流在40ms時開斷的狀態響應曲線如圖2所示。由圖2可以看出，斷路器在穩定運行、開斷的瞬態過程以及開斷等情況下電壓電流信號、采樣得到的電弧功率值及累積的電弧能量，斷路器開斷起弧時間為5ms，斷路器觸頭斷開次數達到10000次的累積電弧能量達到了1.4355（pu.ms）。在40ms時，斷路器開斷故障電流，電流信號經過暫態過程后，在45ms時變為0，與此同時，電弧功率值也隨之等于0。在斷路器開斷電弧的5ms時間段內，累積電弧能量逐漸增加，最終達到了1.4355(pu.ms)并維持不變，直到完成一次故障的開斷。該方法能夠有效過去短路器實際工作過程中的關鍵參數，實現對斷路器觸頭磨耗狀態的有效實時監測，累積電弧能量具有良好的狀態保持功能，從而可以實現相關超限報警功能。

圖2 開斷斷路器額定電流的響應圖

3 結語

準確地獲取斷路器觸頭磨耗狀態，對于保障電力系統安全，助力國家電力系統的發展具有積極意義。本文以目前斷路器觸頭磨耗狀態獲取為切入點，綜合分析了傳統斷路器壽命管理的不足，提出了一種基于電弧功率的斷路器觸頭磨耗狀態分析方法，并建立了仿真模型，計算了同一型號斷路器在同一線路40ms時開斷額定電流的響應情況，通過分析燃弧時間、累積電弧能量等指標去評價斷路器觸頭電磨損程度，仿真結果表明，該方法具有較好的應用效果。