真空断路器触头电磨损在线检测系统研究

1 引言

断路器在电网中主要起保护和控制作用，其性能直接影响电网的安全和谐运行。真空断路器以其优良的开断性能和对环境无污染的特性，广泛应用于中低压电力系统中，且向高压超高压领域发展并取得了一定的成果[1-2]。目前在高压、超高压领域，SF6断路器占主导地位，不过因SF6是温室气体，其地球温暖系数达CO2的24 900倍，寿命达3 200年[1]。据京都议定书决定，要在2030年全面禁止使用SF6气体[2]，可以预见真空断路器未来将得到更加广泛的应用。

触头系统是真空断路器核心部件，其寿命直接影响真空断路器的整体寿命。特别是随着智能电网和基于可靠性的的电力设备监测的发展，对其进行寿命评估和在线监测就显得非常重要。其评估和在线监测发展经历三个阶段：一、经动导杆上的标志，示以磨损程度。二、经开断电流加权累计进行评估和监测。三、由改进的开断电流加权累计法进行在线监测和预测。阶段一能大致粗糙地估算出磨损程度，很不精确[3]；阶段二没有考虑实际运行时各相之间电流大小，燃弧时间差别等的影响，导致故障相和非故障相误差很大[3]；阶段三考虑了阶段二忽略的条件，能够工程应用于触头系统电寿命的评估，不过其需要的各参量确定办法没有系统统一的方法，且确定困难[3-4]。

本文主要对阶段三各参量的确定办法进行系统的研究，采用实验室自制的开断电弧起始时刻探测装置确定燃弧时间，并以研究和实验为基础设计VCB触头系统在线监测装置。

2 改进的开断电流加权累计参数确定方法

2.1 电流指数的选择和磨损总量的计算

由法国电力集团（EDF）和意大利工程指导公司（ENEL）得到的SF6触头损耗等效定律[5-6]为启迪，以文献[7]中得到的VCB电寿命折算式为参考，经大量的数学实验和验证分析，本文基于电寿命曲线采用最小二乘法对改进的开断电流累计加权法中的电流指数和理论磨损总量进行选择和分析。

图1所示为一组典型的电寿命曲线，对其进行数学分析可得图2所示开断电流和开断次数关系的拟合曲线。曲线表示开断电流大小和开断次数的关系，公式为对应的拟合公式。研究结果表明曲线具有一定的光滑度，且额定电流大的断路器在相同的开断电流下具有更高的开断次数。

图1 VCB允许开断次数和开断电流关系
Fig.1 Relationship between breaking times and current of VCB

按照文献[3-4]给出的计算理论磨损总量的方法，可得权值和其对应的函数关系，以图1所示额定电流In = 1 600A为例子，则磨损总量Qg和权值的关系

图2 额定开断短路电流Isn = 25kA时不同额定电流对应的曲线
Fig.2 The relationship curve for different rating current of the same rating open and short circuit current 25kA

取一定量的开断电流值代入上式，可得图3所示理论磨损总量Qg和权值α的关系图。分析图3可知，在触头材料、结构和灭弧方式等确定之后，理论磨损总量和权值是唯一的，在图中Qg = 50 500，α = 1.93。按照本文方法可计算得文献[4]电寿命曲线理论磨损总量Qg和权值α的关系，如图3所示。在文献[4]中选取α = 1.91，Qg = 87 300。由图3曲线可知，α = 1.918，Qg = 89 979，比较分析知Δα =0.418%，ΔQg = 3.07%。结果表明本文设计方法是可行的。

图3 额定电流1 600A时总磨损量、α和不同开断电流关系曲线
Fig.3 Relationship between α and Qg of different breaking currents for In = 1 600A

2.2 积分电流系数的特性和选择办法

文献[4]按照电接触理论提出了一种改进的开断电流加权累计方法，给出了积分电流系数K值的计算方法，其K值计算方法基于电寿命曲线按照理想开断进行评估。计算的过程中依据燃弧时间在燃弧区间分布均匀，而实际开断时燃弧时间存在三相不均匀性，这样计算出的K值就偏于安全[4]。笔者在文献[4]研究计算K值的基础上，考虑燃弧时间区别和分断次数的影响，分析K值的分布特性并对其进行动态分析。

经理论计算和实验验证可得图4所示K值分布规律图，图中曲线表示不同开断电流时首开相燃弧时间和K值的变化关系，tmin表示最短燃弧时间，i表示开断次数，N表示允许的开断次数。A点表示取平均燃弧时间时对应的K值，这与文献[4]选取的结果一致。研究可知K值在触头材料和结构确定之后是一个随三相开断电流、三相燃弧时间和三相开断次数动态变化的物理量，且其变化规律形成一个包络带，不能应用常规数值方程对其进行预测和确定。故引入LM-BP神经网络算法，依据实际开断过程汇总燃弧时间的变化对积分电流系数K进行动态预测和分析，具体构建神经网络模型的过程笔者另有深入的分析和讨论，在此不再赘述。

图4 电流为I、K和首开相时间关系
Fig.4 Relationship between K and first breaking pole arcing duration of different breaking currents

3 燃弧时间起始时刻探测装置设计和仿真

应用改进的开断电流加权累计方法对触头剩余寿命进行评估，除了要确定上述关键参数之外，还需要确定燃弧时间tarc。熄弧时间可以依据分断电流波形确定，起弧时间由设计的探测装置确定。起弧时间探测装置设计原理基于真空断路器在开断短路电流时触头间将发生电弧，会在空间产生较强的电磁辐射信号，依据电磁信号变化特性确定燃弧起始时刻。具体的设计结构图和屏蔽措施如图5所示。图中，1起绝缘支撑的作用。2为电磁屏蔽层，在有两相以上开断断路电流时，屏蔽掉其他相电磁信号对本相电磁信号的干扰，保障每相燃弧时间传感器能够精确采集到相应的燃弧起始时间和燃弧时间。3为感应线圈，用来接收和识别开断过程中的电磁信号。4为感应线圈输出端子Ⅰ，和BNC金属外壳相连，即接地端输出。5为标准BNC接口输出端子，保障燃弧时间传感器具有通用性和良好的抗干扰性能。6为感应线圈输出端子Ⅱ，燃弧时间信号输出端，后接处理电路和采样电路。7为磁心骨架材料，以提高电感量。8为环氧树脂浇注区域，用于固定感应线圈和保护作用[9]。

图5 真空断路器燃弧时间探测器结构图和安装位置示意图
Fig.5 VCB arcing detector structure and installation location diagram

1—绝缘支撑外壳 2—电磁屏蔽层 3—感应线圈4—感应线圈输出端Ⅰ 5—BNC接口输出端子 6—感应线圈输出端Ⅱ7—磁心骨架材料 8—环氧树脂浇注区域

燃弧时间起始信号经BNC端子输出后，送往后级滤波、多级放大之后送往微处理器进行算法运算。经改进的开断电流加权累计算法计算出每次开断的磨损量。图6所示为探测装置后级处理电路仿真结果，表征探测装置的反应灵敏性和响应时间。

图6 检波信号后级处理电路和仿真
Fig.6 Simulation results graphs of VCB arcing detector

4 监测装置总体结构图和软件设计

监测装置以三相开断电流、三相断路器燃弧时间感应器的输出及三相开关状态信号为输入，系统控制和算法芯片采用TI公司生产的TMS320F2812，内部集成了16路×12位的ADC，是32位定点数字信号处理器，能够单周期完成32bit×32bit乘法运算，具有强大数字信号处理能力和控制能力。检测装置系统结构如图7所示，图中CT表示电流互感器，对分断电流进行采集。

图7 VCB触头系统在线监测装置系统结构图
Fig.7 VCB online monitoring device system architecture diagrams

燃弧时间探测装置每3个一组，用绝缘支撑置于三相灭弧室附近，检测到三相起弧时刻变化经处理后送至DSP进行处理和计算。n路电寿命在线检测装置挂在CAN总线上，实现信息和数据的共享；监测的数据经以太网上传至上位机，实现数据的存储，为改善在线监测方法等提供数据支持。

图8 VCB电寿命在线监测主程序流程图
Fig.8 VCB online monitoring master flowchart

TMS320F2812电磨损在线监测系统主流程图，如图8所示。系统开始时，先判断电网系统有无分闸信号，有无重合闸信号，没有分断信号时，通过以太网进行数据信息传输，有分断信号时进行信息采集。信息采集分别对三相电流信号、三相燃弧时间信号进行采集和对三相开关次数进行捕获，然后对采集的信息进行处理，送至LM-BP算法进行核心算法处理[10]，动态地依据现场信息计算K值，最后调用K值、α值进行加权累计积分得到监测磨损量Qz，且和理论磨损总量Qg比较评估VCB触头系统电寿命。

5 VCB电寿命监测装置性能试验研究

为了验证在线监测装置特别是设计的燃弧时间探测装置的响应特性，笔者在实验室模拟断路器分断产生的高频电磁信号，经燃弧时间探测装置输出。现场测试结果如图9所示，图9a为探测装置输出波形图，曲线1为探测装置输出波形图，曲线2为感应线圈两端的波形图；图9b中曲线1为探测装置上升跳变过程的局部细化图，表征信号由触发到阶跃跳变的时间，反映探测装置的灵敏度。

图9 燃弧时间探测装置模拟实验图
Fig.9 Simulation experiment charts of acing duration detector device

从图中分析可知，在分断产生高频信号时，探测装置会产生一个脉冲信号，脉冲信号上升跳变的时间为40µs左右，这和图6所示的仿真结果一致。与持续几个毫秒到十几个毫秒的燃弧时间相比较，显然能够快速灵敏地检测到燃弧时间起始时刻，且与以往的辅助触点相比，具有较高的精度。

6 结论

本文重点研究了真空断路器电寿命曲线特征，采用改进的开断电流累计加权法设计了VCB触头电寿命在线监测系统。研究确立了改进算法中关键参数的选择方法和具体实现。以理论分析为基础，研究设计了真空断路器触头电寿命在线监测系统的实现方法，给出了完善的硬件、软件设计以及核心参数的选择方法，使之形成一个可以实际工程应用的方法。文中着重研究计算电流指数、磨损总量和电流系数的方法，使之具有通用性和简洁性，能够应用于实际工程。基于开断时刻灭弧室周围的电磁场变化，设计了燃弧时间起始时刻探测装置，并给出其设计的工作原理、电磁屏蔽措施。本文研究可为高压真空开关触头电寿命在线监测提供了有益的探索和借鉴。