基于电弧功率的断路器触头电气磨损状态监测算法
发布时间：2022-01-12 02:49
为准确估算弧触头电气磨损程度,提出了一种基于断路器电弧功率的断路器状态监测算法,首先通过在电弧放电时测量断路器的端子上的瞬时电压和通过断路器的瞬时电流,对电弧放电功率和能量进行相应计算;然后采用断路器的累积电弧能量作为弧触头退化水平的评价指标,对断路器触头的电气磨损情况进行评估;最后通过仿真和试验验证了所提算法可准确评估弧触头的电气磨损情况,为断路器的弧触头的检修和维护时间提供了判断依据。
【文章来源】：水电能源科学. 2020,38(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
断路器额定开断电流中断的响应
在单相系统中对短线路故障进行模拟，该系统包括20.78kV的交流电压源，令其为相电压，则线电压为36kV，同时在系统中加设工频电抗、暂态恢复电压控制支路和电源侧时延电容。针对电源侧与断路器之间连接的母线建立工频母线联络线模型。该断路器模型采用与暂态恢复电压调整支路并联的Cassi-Mayr组合电弧模型。利用时延电容和工频联络线模型对负荷侧进行了模拟。图1为具有断路器的36kV短线路故障模型仿真电路图。仿真采用的断路器规格参数见表1。表2为短线故障电路模型中使用的电路元件参数。使用常数参数线路模块对联络线电路（线路1和线路2）进行建模，相关参数见表3。表4为断路器的电弧模型仿真参数。
仿真时将采样频率设置为10 MHz，仿真周期为100ms。断路器在40ms时开始工作，断开短线路故障电流。滑动平均值滤波窗口的长度预先设定为1ms，考虑到采样频率，则总计可得到10 000个样本。当断路器为气体绝缘型时，式（6）、（8）与断路器绝缘介质有关的指数k为1.5。设定断路器在额定电流或额定功率工作条件下允许开断的次数最大为10 000次，在达到设定的开断次数后必须对电弧触头进行检查或维护。在本文所提出的基于电弧功率的断路器触头状态监测算法中，触头的电气磨损可由式（8）计算得到。根据式（6）可计算得到本文采用的气体绝缘中压断路器的触头状态监测阈值为17 200p.u．·ms。采用本文算法，断路器额定电流在40ms时中断的状态响应曲线见图2。在图2中，断路器开断起弧时间为5 ms，断路器触头断开次数达到10 000次的累积电弧能量为1.435 5p.u．·ms。对同型号断路器在40ms时中断额定开断电流，其状态响应曲线见图3。在图3中，断路器开断起弧时间为9ms，电弧能量为31.980p.u．·ms。与图2相比，电弧能量显著增加，此时中断的短路电流幅值较大。由图3可看出，随着被中断的电流的幅值增大，电弧形成的时间也相应增加。对具有磨损触头的同型号规格断路器在40ms时发生电弧重燃中断16kA的短路电流，其状态响应曲线见图4。在图4中，电弧放电时间增加到13ms，大于同型号规格的断路器在中断其额定开断电流时触头电弧的放电时间。在电网以工频运行的前半个周期内，断路器第一次灭弧未能成功，此时电弧能量为35.166p.u．·ms。因此，在后半个周期内断路器仍会存在电弧。尽管中断电流低于额定开断电流，但与之前的情况相比，电弧能量有所增加，原因在于断路器触头磨损引发了电弧重燃。而在没有电弧重燃的情况下，中断相同电流水平时，电弧能量约为25.233p.u．·ms，比重燃时的电弧能量低28%。对具有磨损触头的同型号规格断路器在40 ms时发生电弧重燃中断25kA的短路电流，由于中断电流较大，起弧时间进一步增加到19ms，超过断路器的最大允许起弧时间（15ms），这是由于故障电流大于断路器的额定开断电流。与中断16kA的短路电流的情况类似，在电网以工频运行的前半个周期内，断路器第一次灭弧未能成功，因此电弧在后半个周期继续存在，而此时故障电流远大于额定开断容量，电弧能量为77.367p.u．·ms，增幅较大。图3 断路器额定开断电流中断的响应
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑抑制连锁脱网的风电汇集区域多无功源协调控制策略[J]. 刘恩圻,鲍伟,赵文彬. 水电能源科学. 2019(07)
[2]功率因数及三相不平衡对变压器振动特性的影响[J]. 赵莉华,李刚,夏炜,王仲. 水电能源科学. 2018(12)
[3]电容器组用SF6断路器弧触头关合磨损特性[J]. 傅中,陈维江,李志兵,赵玉顺,边凯,程登峰. 高电压技术. 2018(09)
[4]基于形态小波和支持向量机的高压断路器状态监测和故障诊断[J]. 董镝,李恒真,易林,王继峰,王云飞,陈斯翔. 电测与仪表. 2017(04)
[5]基于局域均值分解和支持向量数据描述的高压断路器机械状态监测[J]. 黄南天,方立华,王玉强,赵振峰. 电工电能新技术. 2017(01)
本文编号：3583954
【文章来源】：水电能源科学. 2020,38(07)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
断路器额定开断电流中断的响应
在单相系统中对短线路故障进行模拟，该系统包括20.78kV的交流电压源，令其为相电压，则线电压为36kV，同时在系统中加设工频电抗、暂态恢复电压控制支路和电源侧时延电容。针对电源侧与断路器之间连接的母线建立工频母线联络线模型。该断路器模型采用与暂态恢复电压调整支路并联的Cassi-Mayr组合电弧模型。利用时延电容和工频联络线模型对负荷侧进行了模拟。图1为具有断路器的36kV短线路故障模型仿真电路图。仿真采用的断路器规格参数见表1。表2为短线故障电路模型中使用的电路元件参数。使用常数参数线路模块对联络线电路（线路1和线路2）进行建模，相关参数见表3。表4为断路器的电弧模型仿真参数。
仿真时将采样频率设置为10 MHz，仿真周期为100ms。断路器在40ms时开始工作，断开短线路故障电流。滑动平均值滤波窗口的长度预先设定为1ms，考虑到采样频率，则总计可得到10 000个样本。当断路器为气体绝缘型时，式（6）、（8）与断路器绝缘介质有关的指数k为1.5。设定断路器在额定电流或额定功率工作条件下允许开断的次数最大为10 000次，在达到设定的开断次数后必须对电弧触头进行检查或维护。在本文所提出的基于电弧功率的断路器触头状态监测算法中，触头的电气磨损可由式（8）计算得到。根据式（6）可计算得到本文采用的气体绝缘中压断路器的触头状态监测阈值为17 200p.u．·ms。采用本文算法，断路器额定电流在40ms时中断的状态响应曲线见图2。在图2中，断路器开断起弧时间为5 ms，断路器触头断开次数达到10 000次的累积电弧能量为1.435 5p.u．·ms。对同型号断路器在40ms时中断额定开断电流，其状态响应曲线见图3。在图3中，断路器开断起弧时间为9ms，电弧能量为31.980p.u．·ms。与图2相比，电弧能量显著增加，此时中断的短路电流幅值较大。由图3可看出，随着被中断的电流的幅值增大，电弧形成的时间也相应增加。对具有磨损触头的同型号规格断路器在40ms时发生电弧重燃中断16kA的短路电流，其状态响应曲线见图4。在图4中，电弧放电时间增加到13ms，大于同型号规格的断路器在中断其额定开断电流时触头电弧的放电时间。在电网以工频运行的前半个周期内，断路器第一次灭弧未能成功，此时电弧能量为35.166p.u．·ms。因此，在后半个周期内断路器仍会存在电弧。尽管中断电流低于额定开断电流，但与之前的情况相比，电弧能量有所增加，原因在于断路器触头磨损引发了电弧重燃。而在没有电弧重燃的情况下，中断相同电流水平时，电弧能量约为25.233p.u．·ms，比重燃时的电弧能量低28%。对具有磨损触头的同型号规格断路器在40 ms时发生电弧重燃中断25kA的短路电流，由于中断电流较大，起弧时间进一步增加到19ms，超过断路器的最大允许起弧时间（15ms），这是由于故障电流大于断路器的额定开断电流。与中断16kA的短路电流的情况类似，在电网以工频运行的前半个周期内，断路器第一次灭弧未能成功，因此电弧在后半个周期继续存在，而此时故障电流远大于额定开断容量，电弧能量为77.367p.u．·ms，增幅较大。图3 断路器额定开断电流中断的响应
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑抑制连锁脱网的风电汇集区域多无功源协调控制策略[J]. 刘恩圻,鲍伟,赵文彬. 水电能源科学. 2019(07)
[2]功率因数及三相不平衡对变压器振动特性的影响[J]. 赵莉华,李刚,夏炜,王仲. 水电能源科学. 2018(12)
[3]电容器组用SF6断路器弧触头关合磨损特性[J]. 傅中,陈维江,李志兵,赵玉顺,边凯,程登峰. 高电压技术. 2018(09)
[4]基于形态小波和支持向量机的高压断路器状态监测和故障诊断[J]. 董镝,李恒真,易林,王继峰,王云飞,陈斯翔. 电测与仪表. 2017(04)
[5]基于局域均值分解和支持向量数据描述的高压断路器机械状态监测[J]. 黄南天,方立华,王玉强,赵振峰. 电工电能新技术. 2017(01)
本文编号：3583954
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