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智能高压开关设备寿命评估技术

时间:2017-07-26 13:35 来源:电工之家 作者:编辑部

智能高压开关设备寿命评估技术
高压开关设备的寿命主要指机械寿命和电寿命。触头行程及断路器的分/合闸速度是断路器机械特性的集中体现,可以有效地反映出其劣化趋势。断路器触头磨损是影响断路器电寿命的重要因素,对其剩余寿命评估有着重要的参考价值,但触头电磨损不能直接获得,因而成为研究难点。
1)电寿命模型
研究表明,断路器电寿命主要取决于断路器触头电磨损的状况。国外对断路器触头的研究较早,主要集中在材料对触头电寿命的影响以及电弧对触头的侵蚀方面。由于各类断路器的灭弧原理不同,断路器的电寿命变化规律也不同。
为了便于工程应用,可以将燃弧时间、触头及喷嘴的结构与材料等因素对灭弧室烧蚀的影响用累计的方式加以简化,如:累计开断电流、累计电弧能量法、累计开断电流加权法等,从而得到估算电寿命的近似公式。法国高能试验室(EDF)和意大利工程指导公司(ENEL)针对SF6断路器提出的等效开断次数与相对开断电流的关系曲线是一种有效的工程方法。
2)综合诊断技术
智能高压开关设备的故障诊断技术主要有基于知识的方法和基于信号处理的方法。前者利用领域专家启发性经验知识和故障特征进行演绎推理,或者基于先验知识和相应算法对诊断对象自适应调整后获取诊断结果。基于知识的方法不需要建立待诊断对象的准确数学模型,易于工程应用。国内外研究人员先后采用人工神经网络、贝叶斯网络、证据理论、粗糙集理论、模糊集理论、云模型等研究和建立了高压断路器机械状态评估系统。
2.2新型电流传感技术
电流测量是电力系统中继电保护、电能计量、系统监测和分析等功能实现的关键。随着智能电器领域的发展,电流测量环节已经成为电器智能化、小型化的瓶颈,基于空心线圈、磁光学、磁阵列等原理的电流互感器具备绝缘结构简单、体积小、动态范围大且以数字量方式直接输出等优势,对传统的电磁式电流互感器提出了挑战。
2.2.1空心线圈电流互感器
空心线圈电流互感器技术相对成熟,在工业界得到了较多应用。空心线圈电流互感器主要由Rogowski线圈、数字采集和传输等部分组成。高压系统中一般采用光纤传输信号和激光供能,易于实现高低电位隔离。空心线圈与高精度分流器组合,可实现对直流电流和谐波电流的同时测量,也是目前高压电子式直流电流互感器的主要方案。
国际上ABB公司等率先在其智能组合电器(PASS)、SF6气体绝缘开关(GIS)、智能化开关柜产品中使用了空心线圈电流互感器。国内南京南瑞继保电气有限公司、西安西电高压开关有限责任公司等企业也分别研制了500kV直流电子式电流互感器和±800kV直流电子式电流互感器。
从现阶段工程应用和现场试验情况分析,空心线圈电流互感器的主要故障类型为采集器故障、光纤故障及电磁干扰影响等。隔离开关操作产生的快速暂态过电压(VFTO)对此类互感器正常工作易产生较大影响,严重的会导致采集器硬件损伤。
2.2.2光学电流互感器
光学电流互感器基于法拉第(Faraday)磁光效应和萨格纳克(Sagnac)效应实现电流感测,主要有磁光玻璃式电流互感器和全光纤电流互感器两种类型。后者结构简单,具有很宽的动态范围,可同时实现测量和继电保护的需求,目前在不同电压等级的智能变电站试点项目中得到了应用。
国内开展了大量关于光学电流互感器的研究。重庆大学研究了不同参数下光学电流传感器的响应波形以及幅值、频率特性。北京航空航天大学提出变温条件下对平均波长影响的自补偿方案,有效减少了传感光纤中平均波长的漂移程度。
北京邮电大学采用归零方波调制相位调制器,以正弦波信号作为本振信号进行模拟相干解调,实现了大电流闭环检测。哈尔滨工业大学对光学电流互感器的长期运行稳定性的问题进行了研究,实验结果证明样机的综合误差满足工程计量检定要求。
虽然光学电流互感器的优点很多,但目前还处于工程应用初期,成本较高,长期运行稳定性仍需进一步考验。
2.2.3磁阵列电流传感器
磁传感器阵列电流测量方法是利用多个磁敏元件测量电流周围的磁场,利用数值方法反算电流,具有体积小、测量范围大、功耗小、响应快、交直流通用等优点,是一种全新的电流测量方法。
西安交通大学对交流和直流的多母线平行导体系统进行了研究,建立了以求解系数矩阵条件数最小值为目标函数的磁传感器阵列拓扑优化模型,实现了稳态电流的求解;提出一种基于5%平带宽(FBW)概念和基波电流与磁场对应关系的时域瞬态电流计算模型,实现了瞬态电流的快速求解。上述研究解决了磁传感器阵列电流测量方法的基础理论问题,推动了该方法的工程应用。
北京航空航天大学提出了一种智能化巨磁阻直流电流互感器的实现方法,利用在高压侧电路中嵌入自校准模块,实现巨磁阻传感器输入输出特性的在线校准。中国科学院电工所提出了基于最小二乘支持向量机与粒子群参数优化相结合的多传感器信息融合算法对被测电流进行估算,对巨磁阻传感器的非线性和温度漂移取得了较好的补偿效果。
华中科技大学从工程实际出发,采用印刷电路板技术实现了点阵式霍尔电流传感器。海军工程大学构建了外部平行导线对霍尔电流传感器的影响模型和测量误差计算方法,设计了一种12点阵矩形阵列霍尔电流传感器,额定电流达到10kA。
2.3混合式电力开断技术
智能电网是一个互动系统,对于系统变化、用户需求和环境改变,要求智能电网具有最佳的反应和快速适应能力,而电力电子技术是支撑电网迅速反应并采取相应措施的有力手段。当前,电力电子器件已经通过多种不同方式融入到智能电器中,高压大功率电力电子器件已经能够作为主断路器,承担短路电流的开断功能。特别是在直流开断、短路电流限制等方面,电力电子器件更具优势。
2.3.1高压直流开断
直流断路器是高压直流输电系统、轨道交通牵引配电系统、舰船直流电力系统、电信设备配电系统和直流微电网等的关键设备,其性能对系统的安全运行至关重要。与交流电流相比,直流电流由于没有“自然过零点”而难以开断,特别是在高电压、大电流条件下,这一问题更加严峻。
直流开断目前主要采用3种方式:①快速拉长电弧,直至其在一定电弧电压下不能持续,从而实现电路开断;②由电感电容组成振荡电路,利用电容放电形成电流零点,再利用传统的交流开断方式切断电路;③基于可关断电力电子器件构成混合式断路器,机械开关快速打开将故障电流转换至电力电子开关,再由其开断电路。
方式①适用于中压、低压直流断路器。目前商业化的高压直流断路器主要采用方式②。基于人工过零的原理,俄罗斯较早研制了额定3.3kV/3kA直流真空限流断路器。目前,我国研制出55kV高压直流断路器单元样机,成功开断16kA电流,开断时间小于5ms。采用方式③的混合型直流断路器的通流能力强、分断能力高,有望成为直流开断技术的重要发展方向。
基于强迫换流型直流开关原理,国内外研究机构提出了多种不同拓扑结构的强迫换流开断的电路方案。ABB公司最新研发的混合式高压直流断路器的设计参数达到:额定电压320kV、额定电流2kA、电流开断能力9kA。
2.3.2短路电流限制
随着用电负荷不断增加,电力系统中的短路电流水平不断提高。在我国沿海经济发达地区,电网的短路电流水平直逼甚至超过电力规程所规定的最大允许水平。因此,采取有效的短路限流措施限制电力系统的短路容量,已成为目前我国电力系统安全稳定运行和电力建设、发展的迫切问题。
目前国内外研究较多的是超导限流器和固态限流器。超导限流器可在高电压下运行,实现检测、转换、限流一体化,能够在毫秒级时间内限制故障电流。然而受到失超恢复时间、临界值整定困难等材料特性以及成本因素的限制,超导限流器在高压、大电流条件下的应用尚有若干难题需解决。
固态故障限流器利用电力电子器件进行电路拓扑控制,其反应迅速、拓扑结构与控制策略灵活,易于同时实现正常工作时调节线路潮流、故障时限制故障电流的功能,非常适合于柔性输电的应用场合。但是,受到电力电子元件的特性限制,目前主要适用于4~15kV及以下的中低压配电系统。
机械开关具有极低的导通电阻(μΩ级),通过智能控制将其与其他液态金属、串联谐振等限流技术相结合,构成的混合式故障限流器具有不可替代的特殊性能,成为新的研究热点。