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1、SF6断路器在线监测前言SF6断路器在线监测仪主要记录断路器开关动作时操动机构合分闸线圈的电压、电流波形，操动机构和监控回路各开关触点动作间隔。由数据计算确定断路器的开断性能及操动机构的运行性能；通过分别累计断路器3相主回路各次开断电流大小并折算成断路器触头磨损量，确定断路器开关检修期限；同时可以方便地监测断路器工作现场的环境温度。1、 SF6状态监测系统方案设计1.1、 SF6断路器常见故障分析要对高压断路器施行有效的在线监测,就必须先通过信息收集和统计数据分析的方式从断路器运作原理、硬件结构以及各部位的故障概率等角度,推断在线状态监测系统需要针对性监测的故障类型、状态参数、关键部件。国际大
2、电网会议(CIGRE)曾在 19741991年间,两次针对 63kV 及以上电压等级的各式断路器进行了设备可靠性调查研究,为我们提供了高压断路器常见故障类型及其占比分布情况等有用信息,为断路器状态检测系统的研发起到了重要的指向作用。下表列出了第二届 CIGRE 调查的相关信息。从上表统计数据中,我们不难看出超过半数的断路器主要故障和次要故障都集中于机械操动机构。尤其是,1978 年后安装的 72.5kV 以上单压式SF6高压断路器的事故统计数据也同样表明操动机构及辅助回路的事故占 75%,灭弧室及绝缘部分占 20%,来自国内的统计也有类似情况。根据相关数据我们得到高压断路器常见故障及监测项目关
3、系图,如图2-1,可见对于高压断路器,机械故障最主要故障来源,绝缘劣化次之。所以设计SF6高压断路器在线监测系统,应首要研究“开关机械操动系统特性”和“绝缘灭弧特性”两个主要对象的在线监测。图一 故障与监测项目关系图1.2方案总体设计图二 系统整体结构示意图在断路器及附属设施上加装各类传感器对断路器机械特性、绝缘性能、电气寿命状态数据的实施采测。在变电站微机控保室加装的在线监测屏安装部署有 DH2000 通讯主机及各状态监测子系统的通讯、采集主机,用于处理现场传感器上传来的状态信息数据。独立敷设的通讯网路(RS485 总线)将信号传递给各功能模块子系统进行数据处理,并上传到在线监测屏通讯管理机
4、进行数据汇总处理(综合运算、比对波形“指纹”、比对规程设置阀值、存档数据库等)。另外,按照与保护厂家约定,RS485 总线执行遵循 MODBUSRTU 规约,可以为厂家后台管理机提供共享数据。基于 B/S 结构的后台综合管理软件平台融合各状态信息形成诊断参考结果,并通过基于 TCP/IP 协议的供电公司电力局域网上传远程服务器,为供电公司的县调度所 SCADA 系统，运检部 PMS 系统和状态性检修管理系统提供数据参考。图三 系统原理结构框图对单台断路器的“SF6断路器在线监测子系统” 硬件结构原理图如下图：图四 单套“SF6断路器在线监测子系统”硬件结构原理图整个变电站的断路器在线监测系统由
5、与断路器个体数据相同的单套监测子系统搭建而成。单套断路器在线监测系统主要包含: 断路器状态量采集子系统和远程数据管理子系统。前者侧重硬件,由传感器网络、信号调理电路、信号采集卡、电源模块和上位机构成。后者侧重软件,是以 VC+开发的数据采集处理和数据综合管理程序,安装在微机控保室内的 PC 机上,用于管控各参数的轮询数据收集,并负责采集数据的汇总处理、分类存储、界面显示和报表打印功能。两个子系统通过站内 RS485 总线实现通讯、数据传输。高压断路器在线监测系统分为两层,底层为现场数据采集单元,它们对断路器动作的实时数据(如开断电流、线圈电流、行程及振动等信号)进行采集、存储及处理,然后将采集
6、、处理后的数据一并上传到后台机。上位机对现场数据采集单元上传的数据进行相应的处理,完成处理结果的存储、显示、故障诊断、打印等功能,实现对整个变电站所有高压断路器的在线监测与管理。在整个系统中,每台断路器配装一个现场数据采集单元。用一台工控机作为后台机接收现场采集单元的上传数据,负责全站断路器的状态监测和设备管理。后台机和现场数据采集单元之间通过RS485总线实现采集数据和控制命令的传送与通信。本系统对站内原有系统硬件仅做小幅度改造和加装,软件仅增加了高压断路器状态监测子界面和数据库功能表单,与原站内后台机控保软件系统互不干扰,具有结构简单,功能独立,便于维护和使用等优点。2、 系统重点监测量选
7、择与监测方法2.1、 机械操动机构状态监测量的选择操动机构是断路器的重要组成部分，工作可靠性在很大程度上依赖于操动机构的动作可靠性。针对现场断路器所采用弹簧操动机构，监测仪选用磁平衡式霍尔电压电流传感器对断路器操动机构动作时合分闸线圈的电压电流信号进行测量。根据测得的电压、电流波形计算操动机构的启动时间、拉杆运动时间、线圈通电时间等，并可根据断路器自身参数范围，比较判断操动机构是否已有铁心空行程、弹簧卡滞等故障。要对断路器操动机构的机械特性实行状态监测,就需要通过传感器收集:1)分(合)闸线圈电流波形曲线;2)断路器触头操动机构“行程时间”特性曲线;3)气压操动机构的压力曲线;4)开断元件动作
8、时的振动波纹等能够科学反应开关机械机构状态的电气信息。监测方法:通过采集机械振动信号、动触头的行程位移信号、动触头运动速度、开断操作次数、断路器机械振动信号、断路器开关电流加权值、分(合)闸线圈电压电流信号、分(合)闸线圈通断位置信号、合分闸线圈速度、合闸弹簧状态、g 辅助触头信号波形、导电接触部位温度等电气传感量计算处理和波形“指纹”比对分析得到状态诊断结论。a) 机械特性的在线监测断路器机械部分因磨损疲劳老化变形生锈装配不当等原因，影响正常机械性能的原因可从监测中反映出来。通过在传动杆上装置反射面，在对应于分合)闸及行程中某些点的位置埋设光纤传感器，在断路器主轴上安装旋转式光电运行传感器，
9、可在线监测行程-时间特性。b)操作线圈的在线监测分合)闸操作线圈是控制断路器动作的关键元件，应用霍尔元件电流传感器可方便地监测多种信息的分合)闸电流波形。分析每次操作监测到的波形变化，可以诊断断路器接线故障的趋势，对发生概率和危害性都很大的拒动误动故障的诊断尤为有效。c)振动信号的在线监测振动信号包含大量的设备状态信息。机座外壳上的振动是内部多种受激的反应，包括机械操作电动力局部放电，以及SF6气体中的微粒运动等。通过一定的信号采集并将其放大9输入到CPU后台，进行波形分析，可找到一些特定的状态信息。振动信号监测的优点是传感器安装在外部，对断路器本身无任何影响;缺点是在气体中信号衰减太快，对局
10、部放电等微小的振动信号检测有一定困难。2.2、灭弧介质绝缘状态监测量的选择根据国内外有关研究资料,目前衡量 SF6断路器绝缘介质状态的主要指标有:绝缘性能、灭弧能力、密封性和气体微水含量。SF6气体因其具有高的耐电强度、优良的灭弧性能、不易液化、稳定的化学性等特性，决定了SF6断路器在不断发展的电网中会广泛的应用。然而，SF6断路器在运行过程中由于各种因素，如运行条件复杂、操作频繁、制造及安装质量等，故障也时有发生，直接影响了电力系统的安全和供电的可靠性。随着用户对供电质量的要求的提高和经济发展对电力需求的依赖性的不断增大，使得对影响断路器的性能的各状态量的在线监测和故障诊断显得尤为重要。2.
11、2.1、理论基础a）在线监测与故障诊断理论利用先进的传感技术和微电子技术对运行中的SF6断路器的各状态量进行实时的监测，并对监测所获得信息，结合已知的结构特性和参数以及环境条件，断路器的运行历史，对可能要发生的或已经发生的故障进行预报和分析、判断，确定出故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、治理的对策措施，并加以实施，最终使断路器恢复至正常状态。b）朗伯一比尔定律每一种气体都有固有的吸收光谱，当一束输入光强为的平行光通过含有一定浓度的气体的气池时，如果光源的光谱与气体的吸收谱相吻合，一部分光就会被吸收两使输出光强，明显
12、减弱，其吸收光强度与该气体的浓度有关。输出光强与输入光强和气体浓度c之间的关系为： ，式中，为气体吸收系数，它是波长A的函数；c为被测气体浓度。c）红外探测原理光辐射在气体中传播时由于气体分子对辐射的吸收、散射而衰减，因此可以利用气体对某一特定波段的吸收来实现对该气体的检测。当光波入射到被检测区域的物体上，并在物体表面上反射，反射光沿着原来的光路，重新返回到检测设备处。由于被测气体与背景有不同的吸收率(反射率)，被反射回探测器的光子数有不同的吸收率(反射率)，被反射回探测器的光子数量不同，返回的数据被处理后，通过显示设备成像。2.2.2、SF6气体温度、压力、湿度和气体内分解物的在线监测与故障
13、诊断的实现绝缘性能、灭弧能力、密封性和SF6气体的微水含量是判断SF6断路器是否合格的几项主要指标。而SF6气体的密度值大小可以反映其灭弧能力和绝缘性，同时SF6气体的水分含量也对断路器的灭弧能力绝缘性能有影响，并且当微水含量超标时，断路器发故障的情况下，SF6气体会发生化学反应，分解出新的分解物，这些分解物不仅会对断路器产生腐蚀还会对人身安全带来威胁。因此，通过对SF6气度值大小、湿度值以及气体分解物的体积分数，可以实现对SF6断路器绝缘性能、气体泄漏等断路器内部故障情况的诊断。a） 气体压力的检查在常温的条件下，通过压力值的大小来检测密度值大小，进而问接反映出断路器的绝缘性能和开断能力；同
14、时，根据压力值大小的监测，还可实现对气体是否发生大量泄漏的故障进行判断。由图5的曲线可以看出，当气体密度一定时，压力值随温度的变化而发生了改变，因此，在进行压力值的在线监测时，必须对压力进行折算，将实测值转化到常温20条件时的值，以避免因温度变化带来压力值变化的情况，使之不误判断。值得注意的是，实测的压力值为被测断路器内气体的相对压力值，该值为被测气体的绝对压力值与所处环境压力值之差，故在环境压力值不为一个标准大气压的地区，还必须考虑不同环境压力值对所测压力值的影响。图5 SF6气体状态参数b）SF6气体湿度的监测当一定水分混入SF6断路器时，在一定条件下会对SF6断路器的绝缘性能和灭弧能力带
15、来严重影响，甚至威胁到人身安全。严格来讲，当气体相对湿度为30时，运行中的SF6断路器绝缘器件表面覆盖有sF6电弧分解物。在sf6气体所含水分较多时，受潮的固体分解物呈半导体特性，使绝缘子表面绝缘电阻下降，绝缘性能变差，甚至可能导致高压绝缘击穿；同时，水分的存在对电弧分解物的复合和断口间介质强度的恢复产生阻碍作用。随着条件的改变，SF6 气体中的水分会在高温下使SF6气体发生分解，产生具有强酸性质的SF6 气体，腐蚀金属件或绝缘件。实际应用过程中，通常采用2O 度 情况下断路器中的水蒸气与SF6气体的体积比值(u LL)作为控制水分含量的标准，故在线监测所测量的湿度值必须将其换算到温度为20时
16、的湿度值。在不考虑温度变化时，吸附效应对sF 气体中水分含量的影响前提下进行换算处理时，通常采用的方法是：基于体积比湿度值换算方法。基于体积比湿度值的换算公式为：式中：H1实时微水测量值， uLL H22O时的微水体积比， uLLP1 SF6 气体实时测量气压值P2 换算到20时SF6气体的气压值P1S实时测量温度下的饱和水气压P2S换算到2O时饱和水气压值C)SF6气体分解物的监测纯净的SF6气体无色、无味、无毒，不会燃烧，化学性能稳定，常温下与其他材料不会发生化学反应。但随着条件的改变，SF6 气体将不再呈“惰性”。在高温放电作用下，会发生化学反应，产生出低氟化合物，而该化合物会进一步与电极材料、水分等发生反应，生成有毒化合物，因此，对SF6气体分解物的监测是必要
