基于選相控制器的斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

曾星宏，程延遠(yuǎn)，鄧勁東，李海濤，劉東超

（1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧530004；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的控制和保護(hù)設(shè)備［1］，可靠動(dòng)作能夠有效避免電力系統(tǒng)故障范圍擴(kuò)大，對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了十分重要的作用。為了實(shí)時(shí)監(jiān)視斷路器的可靠動(dòng)作能力，及時(shí)識(shí)別斷路器故障狀態(tài)，研究發(fā)明了很多斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)，如斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測系統(tǒng)、斷路器局放在線監(jiān)測系統(tǒng)等［2-21］。

選相控制器（Switching Control Device，CSD）作為斷路器的智能一次輔助設(shè)備，可以提高斷路器的控制精度，通過調(diào)整斷路器控制策略減小斷路器分合操作對系統(tǒng)的暫態(tài)沖擊［22-30］。選相控制器通過控制斷路器分合時(shí)間點(diǎn)，達(dá)到系統(tǒng)按固定相位電氣關(guān)合或熄滅電弧的目的，控制算法能夠滿足按固定相位出口的要求，但實(shí)際應(yīng)用的效果取決于斷路器的機(jī)械動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定性，為了提高選相控制器的控制效果，通常需要增加SF6氣壓和機(jī)構(gòu)油壓等狀態(tài)傳感器，用于當(dāng)SF6氣壓或機(jī)構(gòu)油壓變化時(shí)，對斷路器機(jī)械動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。

本系統(tǒng)借助于選相控制器控制斷路器分合相位是建立在對斷路器機(jī)械動(dòng)作時(shí)間和絕緣特性穩(wěn)定性的內(nèi)在要求上，通過選相控制器操作后得到的動(dòng)作時(shí)間與預(yù)測的斷路器動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行比較，能夠有效地對斷路器進(jìn)行狀態(tài)評估，從而達(dá)到對斷路器進(jìn)行在線監(jiān)測的目標(biāo)。本系統(tǒng)將選相控制和在線監(jiān)測兩個(gè)不同專業(yè)有效的結(jié)合在一起，為提升斷路器智能化水平提供了思路。

1 斷路器在線監(jiān)測原理

斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)作為對斷路器可靠動(dòng)作能力進(jìn)行評估的系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式與斷路器的結(jié)構(gòu)，特別是動(dòng)作過程密切相關(guān)。如斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測是基于斷路器動(dòng)作過程中的特征量進(jìn)行判斷的，因此了解斷路器的動(dòng)作過程是十分必要的。

1.1 斷路器動(dòng)作過程

斷路器作為電力系統(tǒng)的一部分，使用機(jī)械分合閘方式來對電氣量進(jìn)行操作，斷路器分合閘分為機(jī)械分合閘時(shí)間點(diǎn)和電氣回路分合時(shí)間點(diǎn)兩部分，具體的斷路器分合閘操作過程如圖1和圖2所示。

圖1 斷路器分閘過程示意圖Fig.1 Breaker opening process diagram

圖2 斷路器合閘過程示意圖Fig.2 Breaker closing process diagram

斷路器可簡單看由靜觸頭和動(dòng)觸頭組成，斷路器分合閘過程示意圖如圖1和圖2所示。圖1中動(dòng)靜觸頭之間的位置關(guān)系代表3個(gè)不同時(shí)刻，分別為分閘線圈帶電時(shí)刻T1、動(dòng)靜觸頭分離時(shí)刻T2（電弧起燃時(shí)刻）和電弧熄滅時(shí)刻T3。因此可以引出斷路器分閘的幾個(gè)基本概念。分閘時(shí)間（opening time，Topn）：指處于合閘位置的斷路器，從分閘線圈帶電時(shí)刻T1到動(dòng)靜觸頭分離時(shí)刻T2的時(shí)間間隔；燃弧時(shí)間（arcing time，Tarcing）：指從電弧起燃時(shí)刻，即動(dòng)靜觸頭分離時(shí)刻T2到電弧熄滅時(shí)刻T3的時(shí)間間隔；開斷時(shí)間（break time，Tbrk）：指從分閘線圈帶電時(shí)刻T1到電弧熄滅時(shí)刻T3的時(shí)間間隔。

同樣的，圖2中通過動(dòng)靜觸頭的位置關(guān)系代表的3個(gè)不同時(shí)刻可以得到斷路器合閘過程的3 個(gè)時(shí)間概念。合閘時(shí)間（closing time，Tcls）：指處于分閘位置的斷路器，從合閘線圈帶電時(shí)刻T1到動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)刻T3的時(shí)間間隔；預(yù)擊穿時(shí)間（pre-arcing time，Tpre）：合閘操作期間，斷路器起流時(shí)刻T2 到動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)刻T3的時(shí)間間隔；關(guān)合時(shí)間（make time，Tmake）：處于分閘位置的斷路器，從合閘線圈帶電時(shí)刻T1到斷路器起流時(shí)刻T2的時(shí)間間隔。

1.2 斷路器在線監(jiān)測類型

根據(jù)上文1.1節(jié)所述，斷路器特征時(shí)間分為：1）代表機(jī)械特性的合閘時(shí)間和分閘時(shí)間；2）代表絕緣特性的燃弧時(shí)間和預(yù)擊穿時(shí)間。相應(yīng)的斷路器在線監(jiān)測類型根據(jù)監(jiān)測對象不同分為：1）監(jiān)測機(jī)械特性的斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測；2）監(jiān)測絕緣特性的斷路器電壽命在線監(jiān)測和斷路器局放在線監(jiān)測。

2012年高壓設(shè)備可靠性國際調(diào)查報(bào)告顯示，導(dǎo)致高壓SF6斷路器無法運(yùn)行的嚴(yán)重故障中，由機(jī)械故障和電氣控制回路故障導(dǎo)致的占83%［1］，因此斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測一直是斷路器在線監(jiān)測領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

1）斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測主要有分合閘線圈電流在線監(jiān)測、觸頭行程及速度在線監(jiān)測以及機(jī)械振動(dòng)和聲音在線監(jiān)測，可以是其中一種監(jiān)測參量的方法來監(jiān)測機(jī)械特性，也可以是組合的方式來監(jiān)測，最終影響到斷路器動(dòng)作過程的特征量是合閘時(shí)間和分閘時(shí)間。

2）斷路器電壽命在線監(jiān)測主要是通過監(jiān)測斷路器分合閘時(shí)刻的電流和分?jǐn)啻螖?shù)來評估斷路器電磨損的程度，主要是斷路器的觸頭磨損程度，常用的方法有開合電流加權(quán)累計(jì)法和累計(jì)電弧能量法；斷路器局放在線監(jiān)測主要針對的是SF6斷路器，通常使用的方法是超高頻檢測法來定位局部放電位置。觸頭磨損和局部放電都會(huì)影響斷路器的絕緣特性，從而導(dǎo)致燃弧時(shí)間和預(yù)擊穿時(shí)間的變化。

斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測關(guān)注的是斷路器動(dòng)作時(shí)的合閘時(shí)間和分閘時(shí)間是否在正常范圍內(nèi)，而斷路器電壽命在線監(jiān)測和斷路器局放在線監(jiān)測關(guān)注的是斷路器動(dòng)作時(shí)的燃弧時(shí)間和預(yù)擊穿時(shí)間。

2 選相控制原理

斷路器隨機(jī)關(guān)合不可避免會(huì)在投切電力一次設(shè)備時(shí)產(chǎn)生過電壓、涌流等電磁暫態(tài)效應(yīng)，影響設(shè)備的絕緣、壽命，甚至誘發(fā)繼電保護(hù)誤動(dòng)作。例如感性負(fù)荷（空載變壓器、并聯(lián)電抗器等）合閘時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很大的涌流，引起瞬間電壓降低；容性負(fù)荷（空載輸電線路、電容器組等）合閘時(shí)的過電壓和涌流，涌流電動(dòng)力可能損壞零件甚至造成絕緣損傷等。隨機(jī)分閘也可能造成斷路器的重燃或重?fù)舸┑痊F(xiàn)象，從而引發(fā)重?fù)舸┻^電壓。通過配置選相控制裝置可以控制斷路器在特定相位完成投切，進(jìn)而改善合閘暫態(tài)過程涌流和過電壓沖擊；通過選相分閘提高斷路器開斷能力，避免重?fù)舸┈F(xiàn)象及由此引發(fā)的過電壓。

斷路器選相控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是選相裝置收到系統(tǒng)合閘命令后，根據(jù)斷路器預(yù)期合閘時(shí)間引入一個(gè)合適的“等待時(shí)間”，待“等待時(shí)間”到達(dá)后（等待時(shí)間根據(jù)斷路器預(yù)期合閘時(shí)間等計(jì)算）將合閘線圈導(dǎo)通，斷路器開始動(dòng)作，假如斷路器的真實(shí)合閘時(shí)間和我們預(yù)期合閘時(shí)間相同，則將合閘于目標(biāo)相位處（分閘控制機(jī)理類似）。

2.1 選相合閘控制

以斷路器單相機(jī)構(gòu)為例，假設(shè)目標(biāo)合閘相位為系統(tǒng)側(cè)電壓峰值（目標(biāo)合閘相位90°），選相合閘控制流程如圖3所示，圖中Tclstarg=5 ms（頻率為50 Hz）。

圖3 選相合閘控制流程圖Fig.3 Controlled closing process diagram

由流程圖3可知選相合閘控制需要等待的時(shí)間為

式（1）中，N為整數(shù)；T是基準(zhǔn)電壓的周期，基準(zhǔn)頻率為50 Hz 時(shí)，周期為20 ms；Tclstarg是合閘目標(biāo)角度折算時(shí)間，如圖3所示目標(biāo)角度為90°基準(zhǔn)頻率為50 Hz時(shí)，折算時(shí)間為5 ms；Tcls是斷路器機(jī)構(gòu)的合閘時(shí)間；Tclslag是合閘回路延時(shí)，一般選相控制器使用IGBT 直驅(qū)，合閘回路認(rèn)為無延時(shí)，Tclslag=0 ms；Tpre是斷路器預(yù)擊穿時(shí)間，由斷路器合閘過程的絕緣強(qiáng)度下降率（rate-ofdecay of dielectric strength，RDDS）和合閘時(shí)刻的相位角共同決定。

由式（1）可知，當(dāng)合閘目標(biāo)相位確定時(shí)，選相合閘需要等待的時(shí)間由合閘時(shí)間Tcls和預(yù)擊穿時(shí)間Tpre決定，選相合閘控制能否關(guān)合在目標(biāo)相位也由合閘時(shí)間Tcls和預(yù)擊穿時(shí)間Tpre是否與預(yù)期一致決定。

2.2 選相分閘控制

以斷路器單相機(jī)構(gòu)為例，假設(shè)目標(biāo)分閘相位為系統(tǒng)側(cè)電壓峰值（目標(biāo)合閘相位90°），選相分閘控制流程如圖4所示，圖中Topntarg=5 ms（頻率為50 Hz）。

由流程圖4可知選相合閘控制需要等待的時(shí)間為

式（2）中，N為整數(shù)；T是基準(zhǔn)電壓的周期，基準(zhǔn)頻率為50 Hz 時(shí)，周期為20 ms；Topntarg是分閘目標(biāo)角度折算時(shí)間，如圖所示目標(biāo)角度為90°基準(zhǔn)頻率為50 Hz 時(shí)，折算時(shí)間為5 ms；Topn是斷路器機(jī)構(gòu)的分閘時(shí)間；Topnlag是分閘回路延時(shí)，同樣使用IGBT 直驅(qū)，分閘回路認(rèn)為無延時(shí)，Topnlag=0 ms；Tarcing是斷路器燃弧時(shí)間，由RRDS斷路器分閘過程的絕緣強(qiáng)度上升率（rate-of-rise of dielectric strength，RRDS）決定。

圖4 選相分閘控制流程圖Fig.4 Controlled opening process diagram

由式（2）可知，當(dāng)分閘目標(biāo)相位確定時(shí)，選相分閘需要等待的時(shí)間由分閘時(shí)間Topn和燃弧時(shí)間Tarcing決定，選相分閘控制能否分?jǐn)嘣谀繕?biāo)相位也由分閘時(shí)間Topn和燃弧時(shí)間Tarcing是否與預(yù)期一致決定。

2.3 特征時(shí)間估計(jì)

前面選相分合閘控制原理均提到，選相控制能否分合在目標(biāo)相位主要是由斷路器機(jī)械動(dòng)作時(shí)間（合閘時(shí)間Tcls和分閘時(shí)間Topn）和斷路器絕緣強(qiáng)度（預(yù)擊穿時(shí)間Tpre和燃弧時(shí)間Tarcing）是否與預(yù)期一致所決定的。因此在選相控制中，斷路器特征時(shí)間的估計(jì)，特別是斷路器特征時(shí)間會(huì)隨外部參量明顯變化時(shí)，就顯得十分必要。

斷路器所處的環(huán)境溫度、操作回路的電壓、油壓儲(chǔ)能水平（彈簧機(jī)構(gòu)除外）、SF6氣壓、間歇時(shí)間等因素均會(huì)對斷路器的分合閘時(shí)間造成一定影響，選相分合閘裝置會(huì)根據(jù)斷路器分合閘時(shí)間受外部參量影響的大小決定是否需要對該種參量進(jìn)行補(bǔ)償。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

選相控制器精準(zhǔn)控制需要通過電氣時(shí)間，即開斷時(shí)間Tbrk和關(guān)合時(shí)間Tm來確定控制命令發(fā)出時(shí)刻。其中開斷時(shí)間Tbrk和關(guān)合時(shí)間Tmake滿足公式（3）。

而開斷時(shí)間Tbrk和關(guān)合時(shí)間Tmake對應(yīng)于斷路器的電氣特征量，可以通過選相控制器采集斷路器動(dòng)作時(shí)斷路器兩端的電氣突變量得到電氣關(guān)合點(diǎn)或者是電氣分?jǐn)帱c(diǎn)。而分閘時(shí)間Topn和合閘時(shí)間Tcls作為斷路器機(jī)械動(dòng)作特性時(shí)間可以通過測量斷路器輔助接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間得到，從而可以得到斷路器的燃弧時(shí)間Tarcing和預(yù)擊穿時(shí)間Tpre，燃弧時(shí)間表征斷路器絕緣恢復(fù)水平，預(yù)擊穿時(shí)間表征斷路器絕緣下降水平，該特征分量能夠表征斷路器絕緣情況。開斷時(shí)間和關(guān)合時(shí)間是選相控制器關(guān)注點(diǎn)，而斷路器機(jī)械動(dòng)作特性時(shí)間和斷路器絕緣情況是在線監(jiān)測關(guān)注點(diǎn)，二者通過公式（3）完美的統(tǒng)一起來。

如圖5 所示，本文提供一種基于選相控制器的斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括斷路器狀態(tài)采集模塊、斷路器控制模塊、斷路器機(jī)械動(dòng)作時(shí)間和電氣關(guān)合分?jǐn)鄷r(shí)間計(jì)算模塊以及斷路器在線監(jiān)測告警模塊。狀態(tài)采集模塊可采集參考電壓、反饋電流、斷路器輔助觸點(diǎn)開關(guān)量、斷路器SF6氣壓和機(jī)構(gòu)油壓等狀態(tài)量，根據(jù)預(yù)先通過大量樣本數(shù)據(jù)得到的斷路器機(jī)械動(dòng)作時(shí)間與斷路器SF6氣壓和機(jī)構(gòu)油壓的關(guān)系計(jì)算得到斷路器機(jī)械動(dòng)作時(shí)間預(yù)測值，該數(shù)據(jù)對于適用于選相分合閘的斷路器廠家均有提供。

圖5 基于選相控制器的在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.5 On-line monitoring system based on CSD

然后根據(jù)預(yù)測值通過斷路器控制模塊對斷路器進(jìn)行選相控制，根據(jù)采集到的反饋電流可以計(jì)算得到開斷時(shí)間Tbrk和關(guān)合時(shí)間Tmake，同時(shí)通過斷路器輔助觸點(diǎn)開關(guān)量可以計(jì)算得到斷路器機(jī)械動(dòng)作特性時(shí)間，即分閘時(shí)間Topn和合閘時(shí)間Tcls。由斷路器機(jī)械動(dòng)作時(shí)間的分布特性可以有效估計(jì)斷路器機(jī)構(gòu)是否發(fā)生卡澀等機(jī)械故障，而通過公式（3）可以計(jì)算出燃弧時(shí)間Tarcing和預(yù)擊穿時(shí)間Tpre，通過燃弧時(shí)間和預(yù)擊穿時(shí)間可以評估斷路器內(nèi)部的絕緣水平是否存在下降問題，從而達(dá)到了斷路器在線監(jiān)測機(jī)械故障和絕緣故障的功能。

4 結(jié)語

本文介紹了斷路器在線監(jiān)測的原理和選相控制的原理，斷路器在線監(jiān)測通過不同的方法來監(jiān)測斷路器機(jī)械特性和絕緣性能，實(shí)質(zhì)上是評估斷路器動(dòng)作時(shí)間是否穩(wěn)定，這與選相控制器精準(zhǔn)控制的內(nèi)在要求是一致的。提出了基于選相控制器的斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠很好的利用兩者的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合之后的系統(tǒng)不僅集成度更高，對于斷路器的智能化控制和在線監(jiān)測程度也得到了提升，為選相控制和在線監(jiān)測專業(yè)融合提供了技術(shù)路線。

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