高压断路器触头电寿命预测的研究

摘要：基于诊断技术的寿命预测是断路器维修技术的新阶段，本文从断路器触头电寿命这一方面进行了研究，提出了触头电寿命的工程实用的监测方法。
关键词：断路器；触头；电寿命预测；监测
0前言
随着科学技术的发展，电力设备的诊断技术经历了一个从不科学到较科学的逐步发展过程。基于诊断技术的寿命预测就是根据电力设备的老、劣化规律及影响和决定因素，通过对各种检测方法（离线或在线）取得各种信息，经过科学全面综合分析，掌握设备的当前状况和寿命期望［1］，它是实现电力设备状态维修基础和前提。
1988年～1991年国际大电网会议对72.5kV及以上现代单压式SF6断路器作了世界调查，调查表明：机械故障占70～80，电气故障居其次。由于长期的计划检修，盲目的解体拆卸浪费了大量的人力物力，造成停电损失和降低设备寿命等，使人们更加强了对断路器，如触头状态、电寿命等电气性能监视必要性的认识。
以往对电磨损的监测是记录累计开断电流或累计电弧能量（I2t）。事实上，同一断路器在同样的外部条件下先后开断两次同样大小的电流值，其烧损程度也不可能相同［2～3］。大家知道，开断电流相差很大时，断路器触头的烧损机理不同，烧损相差很大，因此，用累计开断电流来判断触头烧损量是不够的；另外电磨损虽然取决于电弧能量，但还与触头分断速度等有关，电磨损与电弧能量没有比例关系。因此要对断路器触头电磨损、电寿命监测作进一步研究，对断路器触头进行电寿命监测需要解决电寿命的概念和工程实施方法问题。
1不同断路器触头电寿命的标定方法
1.1触头相对电磨损与相对电寿命的提出
触头的磨损系指多次开断闭合后，触头接触表面逐渐损坏（变形、烧毛、材料脱落等）的现象，触头的磨损主要是电磨损。电磨损主要表现为触头的净损失、触头材料的金属转移和化学腐蚀，净损失多是在电弧高温作用下已熔融或气化的触头表面被流体介质冲走或喷溅所造成。触头的电磨损又取决于电弧能量即开断电流和燃弧时间。大量的试验结果表明，从断路器累计电磨损的角度考虑，虽然燃弧时间的长短对单次开断是随机的，但对多次开断，其平均燃弧时间则是趋近的（20次开断与30次开断的平均燃弧时间有几乎相同的标准差），即随机因素对燃弧时间分散性及是否为首开相的影响从累计的角度来考虑可以忽略不计，也就是说，断路器的电磨损可以用开断电流作参照量。
设额定短路开断电流下单次开断的电磨损为M，对应的允许开断次数为N。从统计平均和累计效应，可认为该断路器的允许磨损总量为N.M。或者说定义一台全新的断路器的触头允许磨损总量为100，即其相对电寿命为100，则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为1/N（定义为QM）。然后根据不同断路器的N1—Ic曲线，求得任意大小开断电流Ic的对应允许开断次数N1，则对应的单次开断的相对电磨损为1／N1（定义为Qm）。这样可求出任一次开断时的相对电磨损量：
QM=1/N，Qm＝1/N1（1）
根据触头的绝对电磨损总量一定，则有：
QMN=QmN1，MN=mN1（2）
所以Qm/QM=N/N1=m/M（3）
Qm=QM（m/M）=（1/N）m/M（4）
即可求出该断路器的相对电寿命
L=LN-∑Qm（5）
式中，LN为断路器触头电寿命的初始值，是一个≯1的百分数，其值由断路器的运行决定，刚投运的或经过大修后的断路器其值可为1。下面以目前大量使用的SF6断路器为例来推导相对电磨损公式。
1.2SF6断路器触头相对电磨损公式的推导
对SF6断路器触头的电磨损，取文［2］中弧触头的允许断次数与开断电流的关系曲线和对应的公式作代表，推导其相对电磨损公式。对应任意开断电流Ic的等效允许开断次数为N1（假定50Ie的开断电流时的等效允许开断次数为1），则有：
可从断路器的型式试验或技术参数中查出对应的额定短路开断电流Ie的允许开断次数为N。根据式（6）所给出的开断次数相对关系，则实际允许开断次数为3.247N1N。以LW6－500型断路器为例，其额定短路开断电流Ie为50kA，取额定短路电流允许开断次数为16，由式（6）可得允许开断次数和开断电流的关系如表1所示。从表中可看出，当Ic／Ie很小时，断路器的允许开断次数会很大，当Ic／Ie为10时，允许开断次数达4079次，对照SF6断路器临时检修规定，当开断次数达3000次以上时，断路器会因机械故障等原因而需要检修，因此取Ic／Ie=3时的允许开断次数为3000（如表1中所示），Ic／Ie在15～3之间采用Lagrange线性插值近似来求此时的相对电磨损。
如Ic／Ie>15时，式（6）中的等效允许开断次数N1是在假定开断电流为50Ie时的允许开断次数为1，然后按对应关系而得。根据前面所述和相对电磨损定义，则SF6断路器的相对电磨损Qm为：
Qm＝1／（3.247×N1×N）（7）
由式（6）、（7）则有：
Qm＝1/［5.942N（0.35Ie/Ic）3］0.15Ie≤Ic＜0.35Ie
Qm＝1/［3.247N（0.5Ie/Ic）1.7］Ic≥0.35Ie（8）
由此根据式（5）即可求出相对电寿命。
2结语
本文从工程实用角度对断路器触头的电寿命在线监测提出了一种方便、易行方法，根据以上方法可得出少油、真空断路器电寿命预测的在线监测方法。应用上述监测方法，我们很方便地研制了断路器触头电寿命期望的在线监测装置。本装置能同时对一个变电站的所有断路器的各相电磨损与电寿命进行实时监测。当断路器开断时，能随时根据用户设定的该断路器的电流互感器的变比记录开断电流，并按不同断路器电磨损的模型求出相应的相对电磨损，得出断路器目前的相对电寿命；当断路器的电寿命已到时，发出报警信号。为运行部门掌握断路器的状况和预计寿命提供了方便手段。

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