SF6断路器的在线监测与状态检修技术

宦扶天，米彬彬

(1.江苏省镇江市供电公司，江苏 镇江 12001;2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌443002)

1 引言

随着国民经济的发展，电力系统的规模日益扩大，相应的电力系统中的设备也越来越多，电力系统的稳定运行与设备的安全可靠运行密不可分，因此对于电力设备的运行状态与检修技术提出了更高的要求。在电力行业的发展史上，先后经历了事故后检修(Corretive Maintenance)和预防性检修(Preventive Maintenance)的阶段。20世纪40年代，因电网电压等级低、容量小，电气设备发生故障所带来的损失和影响不大，因此一般采用事故后检修制度，即设备损坏后，停电进行检修。随着电网容量的逐渐增大，电压等级的提高，设备故障所引起的影响也相应增大。

随着供电可靠性要求的提高，使得从60年代起，各国相继出现了比较规范的停电预防性试验及检修标准，从而进入了预防性检修(Preventive Maintenance)的阶段。这是通过停运运行设备，施加高压来判断该设备的绝缘状况。同时根据设备的一般运行状况来编制设备的检修周期，这样进行有目的的检修，遵循“到期必修，修必修好”的原则，这就是长期以来我国电力系统沿用的设备检修制度。

近年来随着电力系统装备水平的提高，为开展围绕可靠性为中心的设备维护管理(RCM－Reliability Centered Maintenance)。具备了基础的物质条件。专业技术管理人员正在逐步从传统的检修理念束缚中解脱出来，开展电力设备“状态检修(State Maintenance)”的尝试，这为进一步推行设备维护管理创造了条件。

2 SF6断路器状态检修的现状

2.1 断路器检修的现状

在变电站中相对于其他静止的电力设备而言，断路器要在频繁的正常开闭和故障切断中保证正确动作，无疑较变压器、电抗器、电容器等更为困难。但是在电力系统的生产考核指标中有着严格的规定:断路器的可用率指标是99%，故障率是5台·次/百台·年。以110kV及以上断路器为研究对象，开展状态检修技术的研究，无疑对提高断路器的健康水平，从而提高电网的供电可靠性有着重要意义。

长期以来，编制断路器的检修计划，是按照原能源部颁发的检修工艺要求，并参考制造厂的规定编制计划检修的周期。以SW6－110/220断路器为例，其大修周期一般是间隔4～6年。在对到大修周期的断路器的检修过程中，经常发现大量断路器的灭弧室内动、静触头运行良好，没有烧伤的痕迹，反映断路器绝缘油绝缘性能的介损、耐压等指标良好等。诸如此类的问题，反映出检修过剩的问题，造成了投资的浪费。同时，在检修过程中将运行断路器停运，将不可避免地造成供电可靠性的降低。在断路器无油化改造中，110kV及以上系统将少油断路器基本上已更换为SF6断路器，根据各断路器生产厂的规定，SF6断路器满容量开断约10～20次才需进行一次解体检修，但断路器在运行寿命内，绝大多数是达不到额定满容量的开断次数的，针对此问题又没有一个统一的标准，所以一般SF6断路器投运后就不安排相应的检修，一些运行单位也只是安排进行年度的预防性试验等少量的维护工作。与少油断路器相对比，SF6断路器的检修工作量就仅仅局限在暴露出来的缺陷处理上，这样又会造成检修不足。运行当中，SF6断路器的一些缺陷往往会造成设备停运，例如，用作绝缘的SF6气体泄漏等，因为缺陷暴露突然，所以不得不临时停电处理。而SF6微水超标、灭弧室内动、静触头烧损造成接触电阻增大等缺陷，要在年度的预防性试验中才能发现，在预防性试验的周期之间就没有发现的手段，如果检修不及时，很可能造成重大的设备事故。

2.2 SF6断路器在线监测技术

随着电力电子技术的发展，针对断路器的在线监测技术正逐步运用于电力生产实际。目前的SF6断路器的在线监测和故障诊断系统，主要由传感器、单片机监测系统、故障诊断系统三个部分组成，它包括以下两方面功能:

(1)断路器开断电流监测:通过监测断路器开断电流的大小、次数进行监测。

(2)机械状态监测:通过装设在断路器本体的传感器监测开关分、合闸电磁铁线圈电流的状态，同时也对断路器操作时的机构振动信号、分合闸时间、辅助开关的动作波形等进行监测。

图1简要说明了断路器在线监测系统，就地装设的单片机系统，将装在断路器本体的传感器及开关量监测回路监测到的断路器动作情况、开断的电流、辅助开关的动作行为、SF6气体的含水量和气体密度等信号，上传至断路器的在线监测系统进行处理。上位机根据下位机传送来的数据，分别计算出断路器的触头磨损量、以及分、合闸的时间、SF6气体的含水量和气体密度等。并将这些数据与断路器的额定参数进行对比，给出趋势分析，并给出断路器当修、不当修的判断。

图1 现阶段SF6断路器在线监测的原理框图

2.3 SF6断路器故障诊断技术

现阶段的SF6断路器故障诊断的主要内容是:对SF6断路器的运行现状进行评价和预测，如何识别出异常状态，并对缺陷的原因、部位和危害程度进行诊断和评价。

SF6断路器故障诊断的主要功能是:

(1)寿命诊断:通过监测SF6断路器开断电流的大小、次数、触头磨损的情况，判断SF6断路器是否需要检修。

(2)机械状态诊断:对SF6断路器的机构振动信号、分合闸时间、辅助开关的动作波形、储能电机的动作情况等的在线监测信号进行诊断。

SF6断路器的故障诊断基于计算机技术和专家诊断系统，通过对状态监测的信号进行分析、处理，从而得出断路器是否存在故障的判断。较人工诊断而言，计算机诊断较人工诊断减少了主观随意性，只要采集信号满足诊断要求，且精度合格，故障判断判据合理，趋势分析计算正确、全面就能得到正确的诊断结果。

2.4 SF6断路器在线监测和故障诊断系统现状

在传统的变电站中，断路器在线监测及故障诊断系统结构层次划分为站控层和间隔层，其中站控层义细分为系统层和通信层，系统层为断路器故障诊断单元，间隔层为各断路器在线监测单元，中间为通信网络线组成的通信层。

系统的网络结构采用总线方式，传送数据采用主从站方法。断路器故障诊断系统安装在工业控制PC机内，作为上位机(主站)。断路器在线监测单元采用单片机，作为下位机(从站)，主站启动并控制网上的每一次通信，每一个从站有一个地址。

对于一个综合自动化的变电站，如果采取建设一套独立的SF6断路器在线监测及故障诊断系统，将有两个方面的弊病:

(1)管理的重复性

如果在一个综合自动化的变电站中，再建立一套独立的SF6断路器在线监测及故障诊断系统，如果要了解一台SF6断路器的运行状况，运行管理人员就要巡视两套系统，这样巡视工作就出现了重复。

图2 现阶段SF6断路器在线监测及故障诊断系统结构示意图

(2)部分设备的重复投资

因为在变电站综合自动化系统中，监控系统已经具备了对包括断路器在内的设备运行数据的实时采集，例如对断路器的位置和通过三相交流电流的监测功能。作为SF6断路器在线监测及故障诊断系统，也具备了上述功能，这样无疑增加了部分设备的重复投资。

随着变电站综合自动化技术的推广，电网新上的变电站基本上都是综合自动化的变电站，而SF6断路器在线监测及故障诊断系统在电力系统的应用正在开展，所以以上问题己凸显出来。

3 状态检修需要开展的工作

3.1 开展运行状态评分的管理

SF6断路器在线监测和故障诊断系统是一种监督手段，但对设备运行状态的综合判断还不仅仅局限于针对在线监测和故障诊断系统所反映的实时数据的判断，它还应包括SF6断路器试验、运行(如近区故障、过负荷)情况、家族缺陷等重要信息。

运行状态评分是能综合反映SF6断路器运行状态的一种状态检修的管理手段。它依据设备运行的状态信息，可以用分值来表述设备运行状态的优劣。100分为状态良好的设备，0分为需要立即维修的设备，其他情形的设备状态评分介于满分和0分之间。

在设备状态评分中，评分的项目应包括在线的数据、试验数据、运行缺陷，以及设备的家族缺陷等，这样我们可得到状态分值G的表达式如下，满分为100分:

G=G0×Gt×Gr×Gf/106

式中:G0——在线的数据评分，如无异常，为100分。

Gt——试验项目评分，如全部合格，为100分。

Gr——运行缺陷评分，如无缺陷，为100分。

Gf——家族缺陷评分，如无缺陷，为100分。

G0、Gt、Gr、Gf分别建立在各自取值对象的加权评分基础上，下面以Gt(试验项目评分)的计算进行说明:

设一个设备有m个试验项目，第i个试验项目的评分为Gi，权重为wi，试验评分Gt为:

对于评分的时间，我们可以作如下的规定:(1)SF6断路器新装投运前，进行一次状态评分;(2)SF6断路器经过检修，重新投运之后进行一次状态评分;

(3)SF6断路器在正常情况下，每三个月进行一次评分，在线评分下降至满分的60%左右时，评分周期应缩短为一个月。

状态评分作为设备运行状态的归纳，可以对设备的检修、维护、试验提出指导性的意见。例如缩短SF6断路器预防性试验的周期，由通常的三年缩短为一年;维护检修周期由一年缩短至三个月;在运行中加强巡视等。

状态评分应用数学分值，来综合反映设备的健康状况，是状态检修技术管理发展的重要内容。

3.2 建立反映断路器运行状态的数据仓库

基于前面的分析，断路器在线监测及故障诊断系统发展可以作为变电站综合自动化的一部分。而当运行的断路器数量众多时，以镇江市供电公司系统为例，运行的断路器就有上千台。如果对这些断路器的某一种运行参数进行归纳分析，以提供给企业管理人员作为某一决策的依据，那么变电站普通的数据库就不能完成，这就需要建立数据仓库。

表1 数据仓库与数据库的对比

仍以镇江市供电公司为例，根据该局系统划分的特点，我们可以对该局辖区建立一个设备管理的全局性数据仓库，然后各个分局建立自己的局部数据仓库。局部数据仓库主要存储各个变电站的设备细节数据，而在全局性的数据库中存储经过转换的综合数据。

图3 分布式设备管理数据仓库结构

4 结束语

本文对实现SF6断路器在线监测和故障诊断的现状进行介绍，并结合电力系统的发展，提出了与综合自动化系统实现数据整和的方案，同时为适应电力系统发展的需要，提出针对状态监测和故障诊断数据建立数据库的必要性。

从科学技术的发展规律来看，正如预防性检修取代事故后检修一样，状态检修与预防性检修并存一个时期后，状态检修必然要取代预防性检修。对企业而言，可以在相对不重要的变电站中的不很重要的SF6断路器设备进行状态检修试点。通过长时间的技术积累，再运用于重要变电站的重要的设备。

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