基于电寿命评估的高压断路器管理策略研究

张炜?吕泽承

摘要：研究断路器剩余电寿命评估系统，并以此制定设备运维管理策略。基于断路器触头相对电磨损与相对电寿命法构建信息模型，并依据IEC61850要求构建电寿命评估系统。同时，系统实时传输与逻辑节点无缝衔接，实现评估传输一致性与及时性。利用在线监测数据对断路器电寿命测值进行预评估、实时评估、后评估，实现经济运行与状态检修的科学管理。应用案例表明，断路器电剩余寿命评估系统可优化设备管理机制，工程应用价值显著。

关键词：断路器；IEC61850；剩余电寿命；触头累积磨损、管理

作者简介：张炜（1983-），男，安徽安庆人，华北电力大学经济与管理学院硕士研究生。（北京 102206）吕泽承（1973-），男，壮族，广西南宁人，广西电网公司电力科学研究院，高级工程师。（广西 南宁 530023）

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0242-02

按传统的计划检修模式检修断路器存在工作量大、经济性低等问题，同时受限于运行方式及供电需求的限制，导致检修不足。以上问题直接影响到设备的可靠管理。由于高压断路器电寿命反映额定短路开断次数，体现不经检修的连续开断能力，且电寿命较其本体寿命短。[1]因此可通过电寿命来确定在其性能下降时检修或更换，避免盲目检修，提升设备管理水平。

高压断路器触头电磨损的主要影响因素为开断电流、燃弧时间及开断次数。传统的高压断路器电寿命计算方法即是基于触头电磨损值折算电寿命大小。在线监测技术的提高、电寿命理论的完善为基于高压断路器触头的电磨损情况进行电寿命分析奠定了基础。[2]其具体算法有计及燃弧时间加权评估法、累计开关电流或电弧能量法、累计开断电流加权法、触头相对电磨损与相对寿命法等。[3-4]

由于触头相对电磨损与相对电寿命法适用于评估不同种类的断路器，并可较准确地表征断路器的电磨损情况，故本文基于该方法研究设计断路器电寿命诊断模型，实现在线监测功能。该模型依据IEC61850 标准设计，满足高压断路器的智能化（自我感知、自我诊断、自我报告）要求，并最终经优化检修管理策略达到经济、效能、安全的平衡。

一、电寿命监测原理及算法

1.监测参数选择

影响高压断路器电寿命的因素包括灭弧室、灭弧介质、触头三方面电磨损，其中起主要作用的是由于触头电磨损引起接触表面的损伤、导电材料的缺失和变形等。触头电磨损主要取决于开断电流的大小及燃弧时间的长短，然而实际应用中难以准确测量燃弧时间[5]，且由统计和累计的角度分析可不考虑燃弧时间。

另外，累计开断电流与触头电磨损之间的变化并非单值函数，其电磨损量数值与开断电流数值成正比。因此，应依据高压断路器单次开断电流值换算成相应的电磨损量，并依据开断次数来确定磨损总量；其不同开断电流下的等效磨损量可依据经验曲线确定。[6，7]

综上所述，高压短路电寿命评估算法需针对触头的电磨损进行计算，用于计算的在线监测参数包括动作次数、开断电流值。基于这些监测值进行电寿命评估的对比分析如下：[8]

2.計算方法比较

累计开断电流算法是直接计算方法，实施复杂。监测燃弧时间需确定刚分点，确定刚分点则需加装传感器，[9]进而使得传感器间的同步采样和计算分析更为复杂，影响装置稳定性。

开断电流加权累计算法是间接推导方法，实施简单，但需综合考虑触头材料、灭弧介质等对累计电磨损值的影响，故存在计算值偏差。

基于触头相对电磨损与相对电寿命算法是间接等效方法，实现方式简单，且有利于现场监测装置的稳定性，可靠反应电磨损变化趋势。因此本文设计的断路器剩余电寿命分析模型选择相对电磨损法实现，推断断路器触头电磨损值、等效允许开断次数、实际允许开断次数。

二、系统模型及功能实现

1.系统结构

基于电寿命分析所需监测参量构建其硬件结构。硬件结构由套装于电流电压互感器二次侧的微型电流传感器、光电旋转编码器、信号采集处理模块等组成。其中信号采集处理模块包括现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）、中央处理器以及嵌入式Linux操作系统。

由于变电站内数据交互实施认证性强[10]，故信号采集处理模块为确保数据并行处理能力、提高数据交换速度和精度而选用占用时间少、通信量大的双口随机存取存储器（Random-Access Memory，RAM）和FPGA，可支持模拟信号、数字信号和差分信号同时采集和处理。同时，按IEC 61850要求配置通信端口权限。

信号采集处理模块作业流程为：实时采集信号，初步分析后由操作系统进行任务调度，启动多线程立即对数据进行滤波、特征量分析、结果计算、诊断和数据远传。硬件结构模型如图1所示。

2.数据模型

依据IEC61850标准对电磨损监测的智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）进行建模。首先定义IED的逻辑设备（Logical Device，LD），再依具体功能对LD分类，并构建若干逻辑节点（Logical Node，LN）。其中，LN为IEC61850标准中能实现某一具体功能的最小抽象单位，包含数据对象和数据属性）。[11]针对断路器电磨损监测涉及多类逻辑节点，各节点之间需无缝衔接；具体的逻辑节点包括：LLNO（Logical Node Zero）、LPHD（Logical Physical Device）、SCBR（Circuit Breaker Supervision）、CPOW（Point-on-wave switching）、CSWI（Switch controller）。[12]

SCBR用于断路器电磨损监测的关键逻辑节点定义。该逻辑节点强调互用性，可与其他逻辑节点衔接配合；如与CSWI或CPOW配合应用，以获取断路器分/合状态信号。如需在CSWI或CPOW和XCBR之间达到“时间激活控制”服务功能，则用通用变电站事件（Generic Substation Event，GSE）报文完成分/合状态信号传输。[13]为保证电流采样、分合闸位置监测数据并行传输时的传输实时性与一致性，模型设定GSE报文传输的优先级别最高，其传输时差小于4ms。由于触头按相配置，因此逻辑节点按相分别定义。

3.评估功能实现

该系统由预评估、实时评估和后评估三个角度对断路器电寿命进行多维度评估，给设备管理部门提供反馈最佳检修周期信息，以指导设备经济运行工作。

预评估即是结合设备当前运行方式及电寿命测值与系统运行部门制定的调度计划、负荷预测等信息进行比较，以评估电寿命变化趋势，从而给出合理的设备运维管理指导意见。

实时评估即是在实时运行中评估电寿命测值，校正与预评估值偏差，反馈断路器设备实时状态；并预警断路器异常，避免发生事故。

后评估即是根据当前的电寿命预评估值以及过去一年内的实际电寿命变化曲线，求取一年后电寿命评估值，并与电网检修预试计划进行比较，同时计算停电检修成本，以充分挖掘设备经济运行潜力，改善检修维护策略，从而为设备管理部门的检修维护提供辅助决策。

三、实例分析

本系统模型支持三相合体式和分体式断路器的电寿命监测。下面以某500kV变电站三相分体式高压断路器为例介绍系统模型安装、调试与运行情况。

如图2所示，在断路器本体的动作机构和本地汇控柜里的合适位置分别安装CT电流传感器、光电旋转位移编码传感器和分合闸辅助触点接线端子。利用电缆和屏蔽线把传感器连接到智能设备背板相应的接线端子排上。运行测试程序，进行通道检验，检验确认设备正常运行后进行数据采集。

数据采集后，需在诊断分析前先进行变比等参数设定和配置。操作断路器进行动作，智能设备会自动采集、分析、计算和远传结果数据。电寿命诊断根据数据分析的结果，以4种方式进行输出，分别是电寿命百分比、等效允许的断路器开断次数、實际允许的开断次数和相对电磨损量，并进行数据展示。根据在线监测计算出来的电寿命百分比查参数表可对比确定断路器实际允许的开断次数。

对于该台断路器设备而言，在检修管理工作流程中，首先对断路器电寿命评估值进行分析，并判定得到设备故障类型，再进行设备风险评估，结合不同检修方案完成设备状态检修的风险决策。在此过程中，结合电寿命周期成本管理可将设备使用与维护成本最小化，以提升管理效率。

四、结论

对于断路器设备而言，在维护工作流程中首先是对设备状态进行准确评估。本文基于断路器触头磨损程度构建断路器电寿命评估模型，并得出设备运行状态及检修周期。依据该方式可为制定维护方案提供辅助决策，避免在计划检修体制下断路器所面临的维修不足或过剩问题。引入了断路器电寿命评估机制的检修方式，可推导出最佳检修策略。提出的结合断路器周期成本管理概念对合理安排设备运行与检修，进而节省成本、降低风险，达到最经济的运行方式提供借鉴和参考。

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（责任编辑：王祝萍）