高压开关设备测试及智能化技术2

高压开关设备测试和智能化技术2关永刚Office:西主楼4区104Tel:[phone]Email:[e-mail]高压断路器和开关电器的发展2多油断路器少油断路器真空断路器SF6断路器敞开式电器组合式电器少油断路器真空断路器压缩空气断路器电压等级1100kVSF6断路器3断路器合闸、分闸操作过程高压断路器的性能要求（1）一般电气性能方面额定电压Un、额定电流In过电压（工频、雷电冲击、操作冲击）额定短路耐受电流Isw，额定短路持续时间tsw，额定峰值耐受电流Ipw开断、关合电路方面额定短路开断电流Ib开断时间tb，分闸时间to，燃弧时间ta额定短路关合电流Ipm关合时间tm，合闸时间tc，预击穿时间tpa4自然环境方面：(1)周围空气温度——影响发热与绝缘户内-25～40℃，户外-40～40℃。(2)海拔——影响外绝缘、散热我国正常运行条件海拔不超过1000m。(3)湿度（凝露）——影响外绝缘平均相对湿度，日不大于95%，月不大于90%。(4)地震——选用结构相对稳定的(5)污秽——影响外绝缘(6)风力——风压不超过700Pa，风速34m/s(十二级风32.6m/s以上)(7)覆冰——三个等级：1mm,10mm,20mm5高压断路器的性能要求（2）(1)允许合分次数空载合分次数（也称机械寿命），一般2000次。(2)电寿命额定短路开断电流的允许开断次数累计开断电流值（kA）(3)密封性能SF6气体的年泄漏率1%。真空灭弧室在规定条件下储存20年后，真空度应不低于6.66×10-2Pa。(4)对周围环境的影响排气、喷烟或喷高温气体等现象噪声(5)无线电干扰电磁兼容性考核正在考虑中。6高压断路器的性能要求（3）高压断路器的主要型式试验型式试验是验证高压断路器各种性能是否达到了技术条件的要求，是否能够定型生产。绝缘试验机械试验主回路电阻测量长期工作时的发热试验（温升试验）短时耐受电流试验和峰值耐受电流试验（热稳定试验和动稳定试验）开关与关合能力试验密封试验EMC试验（在二次回路进行）无线电干扰电平测试环境条件下的试验7高压断路器的出厂试验主回路的绝缘试验辅助和控制回路的绝缘试验主回路电阻的测量局部放电试验密封性试验机械操作试验设计和外观检查电气、气动和其他辅助装置试验接线检查SF6气体湿度的测定外壳压力试验8高压断路器机械特性测试仪9试验方法：空载操作，测量行程、断口、线圈电流信号，根据波形分析各种操作参数。回路电阻测试10测量方法：直流50A以上（一般取100A）电流，测量电压和电流。动态回路电阻测量11放大放大采集微机显示打印断路器分流器蓄电池热电偶测量温升12热电效应：1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势。也称作塞贝克效应(Seebeckeffect)。13设备温度1小时内升高不超过1K时，即可进行测量。热电偶测量温升高压开关设备智能化的需求1.智能电网建设的需求我国的统一坚强智能电网包括电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级。智能电网的基础是电网中各种状态参数的实时信息。高压开关设备是电网中重要的设备。高压开关设备的智能化是智能电网的重要组成部分，也是智能电网区别于传统电网的标志之一。建设智能电网，首先是各种电力设备和设施的智能化，即各种智能设备的研发和应用。14高压开关设备智能化的需求2.高压开关设备发展的需求随着电子技术、微处理器技术、网络技术、传感技术、控制技术的发展和应用，传统的高压开关设备的自动化和智能化水平正逐步提高。高压开关设备的维修方式正在向状态维修方向发展。定期维修的检修模式存在漏检和维修造成故障的缺陷。状态维修是较为理想的维修方式，也是当前发展的趋势。状态维修的基础和前提是状态监测。高压开关设备的全寿命管理也需要对其运行中和历史上的状态进行监测、记录和评估。15高压开关设备智能化的内容根据智能电网的要求，智能高压开关设备应是具有较高性能的开关设备和控制设备，配有电子设备、传感器和执行器，不仅具有开关设备的基本功能，还具有附加功能，如在线监测和诊断功能，以及智能控制功能的数字化接口和电子操动部分。此外，随着经济和社会的发展，全球资源、环境等问题日益突出，哥本哈根气候峰会后，节能环保、减排增效成为各国必须践行的承诺，在智能电网中采用环保型开关也是一个必然方向。因此，按照统一坚强智能电网的要求，智能高压开关设备是有机集成了在线监测、状态评估、智能控制等功能的环保开关。16智能高压开关设备17智能高压开关设备的构成开关设备本体执行器智能组件传感器IEC61850智能组件系统测控装置合并单元监测功能组主IED局放IEDSF6压力、水分IED站控层通信网络过程层通信网络开关设备控制器计量装置继电保护装置继保指令至继保设备SASarchitecturemodelfromIEC61850高压断路器的在线监测高压断路器是最复杂和代表性的高压开关设备。高压断路器在线监测的难点高电压、大电流的运行环境，很多参数无法直接测量。在线监测装置必须耐受电磁、机械等干扰。在线监测装置必须不影响高压断路器的正常运行。高压断路器的在线监测项目主要有：机械性能绝缘状态电寿命发热其他18高压断路器运行中的主要状态参数机械特性分合闸时间、速度。分合闸线圈电流。行程、超行程、弹跳。同期性。振动信号的指纹特征。累计操作次数。储能特性储能电机工作时间，工作电压、电流。压缩泵的启动频率。能量存储量：储能弹簧的位置或拉力、液压油的压力。19高压断路器运行中的主要状态参数绝缘状态局部放电。监测内部绝缘状态。泄漏电流。监测绝缘子绝缘性能。SF6气体压力、温度、密度、组分、微水。真空灭弧室真空度。电寿命开断电流。燃弧时间，预击穿时间。20高压断路器运行中的主要状态参数发热回路电阻。触头和导电连接处的温度。其他控制回路完好性。环境（及开关柜内）温度、湿度。加热器电流。21在线监测与故障诊断系统22高压断路器状态监测及故障诊断的意义和目标①通过在线或临时监测系统，进行长期连续或临时性监测。②对状态参数进行数据采集、识别、故障诊断。③建立高压断路器的状态数据库。④分析重要参数的变化趋势，发现预伏故障和减少事故。⑤为状态维修提供依据，增大设备的维修保养周期，减少维修保养费用。⑥状态监测是也是高压开关设备智能化的重要内容。23高压断路器在线监测的关键技术传感与在线测量技术信号处理技术微计算机技术电磁兼容技术设备长期工作可靠性技术2425高压断路器在线监测系统举例1高压断路器在线监测系统举例226分、合闸线圈电流的监测操作线圈的电流波形与电磁铁运动过程相对应，可以反映电磁铁的状态。操作线圈为断路器二次元件，电流不超过几安培，通过穿心式电流互感器可以进行测量。27动触头行程、速度的检测动触头的行程信号，可以反映分合闸操作中触头的运动过程。与分合闸线圈电流波形结合，可以得出分合闸时间、速度等重要的操作参数。动触头的行程可以通过旋转编码器进行监测。28旋转光电编码器29旋转光电编码器的信号处理30PABABBABA+=′+′+′+′PABABBABA−=′+′+′+′断路器电寿命在线监测系统31合闸弹簧状态监测32对于弹簧操动机构来说，储能电机工作电流波形可以反映储能时间、储能大小和弹簧强度等参数和状态。储能电机电流也可以通过穿心式电流互感器进行测量。机械振动监测33断路器操作时的机械振动信号三相合闸振动信号对比单相合闸、分闸振动信号对比机械振动信号的处理时域：振动事件的强度和时序。频域：幅值普和功率谱。时频：时频分布、小波变换等。34机械振动信号的处理35δ:合闸缓冲器撞杆头和套筒间的间隙Vibrationsignal[a]δ=20mm,Vibrationsignal[b]δ=15mm,normal,Vibrationsignal[c]δ=10mm.自方差:协方差:高压导体、触头温度监测主要问题：绝缘、供电。方法：无线（红外、射频）光纤36ABB公司①母线电流②磁场③组件。a温度传感器，b感应线圈，c电子线路④红外发光二极管⑤红外光接收器⑥温度信息接收器荧光余辉光纤测温荧光物质的余辉时间与温度有关。37荧光余辉光纤测温38非接触式红外测温394εσATΦ=物体单位时间内热辐射能量：主要局部放电源局部放电监测高电压体地电位体尖端浮电位绝缘表面浮电位绝缘内部缺陷绝缘表面脏污固体绝缘41GIS局部放电UHF传感器内部UHF传感器盘式绝缘子天线屏蔽高压导体UHF天线高压导体外部UHF传感器42UHF体外传感器放大检波MO输出天线屏蔽HO输出V:500mV/div;H:5ms/divV:500mV/div;H:10ns/div43GIS局部放电便携式检测与定位UHF传感器BUHF传感器A高速示波器等长电缆信号先后比较法定位SensorASensorBSensorBSensorBSensorBUHF传感器BUHF传感器A高速示波器等长电缆触头电寿命诊断1——开断电流加权累计法以断路器的电寿命曲线(N-Ib)为依据，触头电磨损由开断电流和开断次数决定，开断电流越大，触头的电磨损越大，允许开断的次数就越少。45开断电流有效值为Ib时，断路器允许开断次数为N。Qg：允许电磨损总量。α：开断电流的加权指数，与触头材料有关，通常介于1~2之间。const==gbQNIα∑==njbjIQ1α断路器运行中累计电磨损量：断路器剩余电寿命：%100×−=ggQQQELL实际上，各相的开断电流和燃弧时间不同(1)三相开断时故障相和非故障相电流不同。(2)开断三相电流时,后开相的燃弧时间长。46触头电寿命诊断2——IT加权累计法K：为常数，与灭弧介质、冷却条件、触头运动速度、触头材料等有关；ib：断路器开断的电流；ta：断路器开断电流的然弧时间；（在线监测有难度）α：开断电流的加权指数，与触头材料有关，介于1～2之间；Q：运行中的断路器累计电磨损量。∑∫==njtbjdttiKQaj10)(α高压断路器的智能控制断路器的相控操作电网中高压断路器的合分闸操作可产生高幅值的操作过电压或涌流，危害设备绝缘和使用寿命，甚至引起继电保护装置的误动。理论上根据电路不同情况选择电压或电流的相位进行断路器的合闸或分闸操作(简称相控，也称为选相操作)是抑制操作过电压和涌流的有效方法。断路器行程的智能控制不同电流开断时对断路器的开断速度等机械特性的要求并不相同。通过优化行程和速度，可以在保证正常开断电流的前提下，减少断路器的机械和电气的磨损，延长其使用寿命。一种可能的方式是采用永磁同步电机作为动力源来操动断路器。47断路器的相控操作在满足条件的情况下，进行相控操作可以降低断路器关合或开断电容器、电抗器、变压器、超高压线路时产生的电磁暂态（过电压和涌流）的危害。例如，在关合电容器时，如果电容器上带有反向峰值残余电压，如果断路器在电源电压峰值合闸，则可以产生3p.u.的过电压，同时产生几倍~几十倍工作电流的涌流。如果断路器选择在电源电压与电容器残压相等的相位合闸，则可以避免过电压和涌流的产生。4849ABB的相控装置SwitchsyncTM电流检测：系统自适应控制操动机构的运行可靠性统计2004年国网公司统计，7.2-550kV，275373台高压断路器故障392次。其中拒动故障90次。操动机构及传动系统机械故障导致的有59次，占拒动故障的65.6%。具体故障是：♦机构卡涩23次♦拉杆断9次♦轴销松断8次♦部件变形损坏6次♦弹簧机构储能故障6次♦液压机构故障5次♦锁扣失灵2次操动机构的可靠性是影响断路器整体可靠性的关键50传统操动机构的局限性机械零部件多，复杂程度高；触头运动方式的灵活性有限；操作时零部件受到撞击，需