高压断路器机械部件生命周期模型研究

赵旭州，周 刚

（国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

随着高压断路器使用时间的增加，机械机构、触头磨损，分合闸二次机构等故障问题日益凸显，此类问题导致断路器相关部件老化、损坏，引起断路器运行失常，直接影响电网安全稳定运行，甚至导致地区大面积停电，给企业及用户带来了不可逆转的经济损失和严重的社会影响。为了预防上述问题的出现，须检修人员定期对高压断路器进行全方面的“体检”，及时发现断路器机构故障并安排检修计划。为了合理地制定检修计划，帮助检修人员减少工作，提高工作效率，须对高压断路器机械部件进行生命周期研究。然而生命周期的结果是否准确，取决于评估模型的合理性，精准的生命周期评估模型可以降低用户的停电时间，提高社经济效益、设备利用率及保障电网安全运行。

近年来，越来越多学者开始研究高压断路器的生命周期模型，但大多数研究基本针对断路器各部分成本作为边界条件，以经济成本最低为优化目标，建立断路器的剩余经济生命周期模型。上述这些成果仅分析了断路器全生命周期内经济成本的合理性，但是对断路器机械部件生命周期模型建立与研究所述较少。不能很好预测尚未出现故障的高压断路器剩余生命周期，不能帮助检修人员及时发现高压断路器存在的隐患，无法起到安全运行指导性的作用。

因此本文建立了高压断路器机械部件生命周期模型方法。对于尚未出现故障的高压断路器，能够针对机械部件的生命周期进行评估，通过主动设置故障源，解决故障下的检测数据样本数量少的技术问题，且使检测数据与故障的关联性更密切，有助于提高故障分析的准确度。

1 现状分析

不同型号的断路器发生的故障现象是不同的，通过研究总结为断路器内部构件在受到环境、电流的热效应等影响所导致的结构变化，进而引发性能降低。

绝缘性劣化：断路器在长时间运行时，内部会流过较大的负荷电流，电流的磁效应以及热效应会导致绝缘材料劣化，当劣化到临界位置时，还会进一步引起局部放电，最终导致断路器出现故障。

机械性劣化：断路器在磁场的变化下，内部会受到应力的作用。应力会造成断路器零部件松动以及结构出现空隙，进而影响绝缘性能。

热劣化：在长时间受到电流热效应的作用下，断路器的材料内部会发生不可逆转的变化，进一步影响绝缘性能，分内部绝缘物质的热劣化、密封材料的热劣化等。

环境劣化：断路器长时间经受风吹雨打，恶劣天气会在绝缘物表面产生污秽从而引发绝缘性能降低；酸雨会导致金属材料表面发生腐蚀；高温天气会促使SF6气体在接触电弧后发生高温分解等。

断路器故障的发生有着其自身的规律。如果检修人员能够通过检测装置获得高压断路器的典型参数并结合合理的生命周期模型进行分析，就可以得到该断路器的状态，从而实现预测断路器性能发展趋势的功能，对电气设备检修、电网安全运行、企业经济效益具有重要意义。

2 技术方案

2.1 制定方案

在尚未出现故障的高压断路器的每个机械运动部件上均安装非接触式位移传感器，在断电条件下反复分合闸直至断路器损坏，将平均分合闸次数作为该型号断路器寿命，并记录对应机械部件位移量，建立同型号高压断路器的机械特性与机械部件生命周期的关联模型、同型号高压断路器带电分合闸次数与接触电阻的关联模型。将待评估高压断路器的机械特性检测数据输入所述机械特性与机械部件生命周期的关联模型，获得待评估高压断路器的机械部件生命周期评估结果；获得待评估高压断路器带电分合闸的次数，与同型号高压断路器带电分合闸次数与接触电阻的关联模型对比，获得接触电阻的评估结果作为机械部件生命周期评判依据。

2.2 方案实施

2.2.1 建立同型号高压断路器的机械特性与机械部件生命周期模型

在正常高压断路器的每个机械运动部件上均安装非接触式位移传感器；根据高压断路器的维护要求，依次选择一项维护要求使其不达标，在断电条件下，对该高压断路器不断重复分合闸试验，直至该高压断路器的机械部件出现损坏，记录试验过程中分合闸次数N；记录试验过程中各个机械运动部件在分合闸过程中的位移数据并关联对应维护要求不达标对应故障，而后修复高压断路器，并进行下一项维护要求不达标的试验。

在待评估的高压断路器的每个机械运动部件上均安装非接触式位移传感器，对待评估的高压断路器进行一次分合闸，获得非接触式位移传感器所测得的位移数据，将待评估的高压断路器的非接触式位移传感器所测得的位移数据与历史位移数据对比，获得最接近的历史位移数据对应的分合闸试验次数n，将（N-n）作为待评估的高压断路器的剩余使用生命周期。

非接触式位移传感器包括激光发射器、限流电阻、光敏电阻、供电模块、反射贴纸、电压传感器和通信模块，激光发射器固定安装在高压断路器的外壳内，沿法向对准机械运动部件外表面的一个对准点，调整使激光发射器出射光与机械运动部件外表面法向具有夹角，在机械运动部件的行程内，激光发射器的对准点沿机械运动部件的外表面移动，形成移动范围，反射贴纸贴附在机械运动部件上并覆盖所述对准点的移动范围，所述反射贴纸具有若干个沿机械运动部件行程等间距排列的高反射区，相邻高反射区之间为低反射区，高反射区宽度与低反射区宽度相等，激光发射器的光斑直径等于该间隔宽度的整倍数，光敏电阻安装于激光发射器关于机械运动部件外表面法向对称的另一侧，光敏电阻一端接地，另一端通过限流电阻与供电模块连接，电压传感器采集光敏电阻与限流电阻连接点的电压，电压传感器与通信模块连接。

2.2.2 建立同型号高压断路器带电分合闸次数与接触电阻的关联模型

获得同型号高压断路器全部历史检测数据中的带电分合闸次数，以及对应次数时测得的接触电阻。

将接触电阻按对应的带电分合闸次数分组，获得每个带电分合闸次数下的全部接触电阻，并求均值。

将带电分合闸次数作为自变量，将带电分合闸次数对应的接触电阻均值作函数值，进行拟合，将拟合函数作为同型号高压断路器带电分合闸次数与接触电阻的关联模型。将待评估高压断路器的接触电阻与关联模型输出的接触电阻的商，作为待评估高压断路器的接触电阻的评估结果。

3 现场应用

2022年1月，在浙江省某地市供电公司作为试点单位，实现高压断路器设备剩余生命周期的应用。目前已在该供电公司所属多个单位和部门推广应用，应用效果良好。

通过建立合理的高压断路器机械部件生命周期模型提高了公司变电安全运行的管理水平，提高了班组工作质量、工作能力、工作效率，提升业务质效和基层班组“获得感”，支撑公司设备管理数字化转型；同时提升了电网设备互联感知、智能互动能力，为电力行业提供了典型范例，具有广阔的应用前景。

4 效益分析

高压断路器作为电网中关键的电气设备，旨在建立合理的高压断路器机械部件生命周期模型。对于尚未出现故障的高压断路器，给出机械部件的生命周期评估结果，作为高压断路器状态评估的结果。

通过建立高压断路器机械部件生命周期模型使检修人员能够全方位、多角度地分析和掌握断路器运行状态和生命周期，根据现有信息制定合理的检修维护策略。

检修人员根据结果制定合理的检修计划，可以在一定程度上减少不必要的作业，同时还能降低设备的检修费用。

通过对高压断路器机械部件生命周期的检测，帮助检修人员及时发现高压断路器存在的隐患，将隐患从根源上消灭，防患于未然，对安全可靠供电具有重要指导意义。

主动设置故障源可以解决故障下检测数据样本数量少的技术问题，同时通过主动设置故障源可以让检测数据和机械部件故障两者之间更具有关联性，从而有助于提高故障分析的准确度对保障电网的安全运行、提高电力企业的经济效益具有重要意义。

5 结束语

本文所建立的高压断路器机械部件生命周期模型，适用于全电压等级高压断路器，不同型号不同电压等级的产品可以通过前期故障数据和故障模拟建立相应机械特性相关的生命周期评估模型和分合闸次数相关故障判断模型，可实现高压断路器状态评估和生命周期预判。研究过程中秉承电力系统生产“安全第一”的原则，致力于解决重要而又传统的状态评估中存在的低效、有安全隐患、过分依赖人工经验的问题，帮助检修人员及时发现高压断路器存在的隐患，将隐患从根源上消灭，起到防患于未然的作用。