中压真空断路器状态的雷达图法评估模型

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海理工大学电气工程系 作者:李海英

  电力设备健康状态的全面在线评估是平衡经济性和可靠性的最佳策略。建立中压真空断路器的评估模型:通过分析断路器各主要组成部分的故障特征,构建健康性能评估指标集;定义完好度概念,进行指标的归一化处理;剖析指标的耦合关系,采用层次分析法确定指标权重;引入熵值法,量化指标劣化的非同步性;建立一种基于雷达图法的图形化状态评估方法,并在定量计算中引入参考样本和指标不平衡值,特别是参考样本区间的设计纳入指标的劣化速度特征,确保了劣化预警的充裕性和及时性。10 kV 真空断路安全状态评估表明,该模型简单、直观、实用性强。

  解除管制的电力市场环境使电力公司竞争愈加激烈,“降低电价,提高服务质量”成为其工作的核心。供电设备状态评估可避免设备盲目定期维护和定时报废、延长维护间隔及使用寿命,特别是能够实现设备早期安全预警,是平衡经济性和可靠性、确保社会福利最大化的最佳策略。中压真空断路器作为配电网络中重要的控制和保护设备,其健康状态评估研究在各国相继展开。

  电力设备健康状态评估包括评估指标体系和评估方法。目前断路器评估指标体系分为2 大类:

  1)基于振动信号、跳闸线圈电流等单一参量的多个特征值或特征时刻的评估方法,如文献[通过小波包分解重构、短时能量法并选用汉明窗来提取振动信号的时域和频域特征值,以振动信号的2 个特征值来判别动作是否正常。文献采用跳闸过程中反映典型机械动作事件的线圈电流持续时间来描述断路器动作信息和动作准确性。单一参量指标物理意义明确但反映的信息有限,主要用于断路器常见机械、控制回路故障判别。

  2)为对断路器状态进行全面评估,文献采用了包括机械特性、电气特性、绝缘介质、工作环境等5 大部分数十种型式试验指标集的评估方法。型式试验指标集虽然全面却存在某些指标在线不可测问题,通常适用于断路器离线状态评估。现有的断路器评估方法主要基于智能算法、模糊理论、可拓物元法、概率统计理论。

  智能算法需要大量的历史数据作为训练样本,CPU 占用率长期高达100%,影响系统的实时性和稳定性。模糊理论和概率统计理论等均为数据融合技术支持下的评估方法,在一定程度上解决了断路器状态评估问题,但属于数值定量评估法,存在抽象、无法形象地将多维预警数据和预警结果表示出来的缺点。

  为此,本文提出了一种基于雷达图的图形化评估模型。而且特别需要指出的是目前状态评估研究都没有考虑特征参量发展不平衡对评估结果的影响,文献通过潮流熵解释了电网在平均负载率较低时由于线路潮流分布的高度不均衡而进入自组织临界态,从而验证了状态评估必须考虑特征参量的不平衡度。

  为全面、直观地对中压真空断路器的健康状态进行评估,本文论述表征断路器健康状态的研究成果,并兼顾全面、可测原则建立了状态评估指标体系;介绍指标处理中的3 个重要环节,特别是引入熵值定量计算指标的不平衡度;最后针对目前评估方法过于抽象的缺点,结合雷达图思想,建立了一种图形与数值相结合的多指标综合评价方法,将多维评估数据和评估结果形象地表示出来,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为该方法特别适用于特征参量数量适中(5 个以下),需要实时监控与预警的电力设备的状态评估。

  1、中压真空断路器性能指标体系

  断路器健康状态评估,首先需要明确断路器各组成部分的故障特性,这些特征可通过一系列指标描述。指标选取时应遵循3 个基本原则:独立性,即确保指标数量尽可能少;可测性,是在线评估的必要条件;全面性,指标能够囊括当前已发现故障。中压真空断路器操作机构失灵、导电触头烧蚀、灭弧室真空度劣化、隔离触头接触不良是各类重大事故的诱因,相关的故障特征量包括:

  1)跳合闸线圈电流(trip coil current,TCC)。

  快速切断故障电流是断路器的首要任务和可靠性体现,电流切断过程[3]由控制线圈得电、电磁铁移动、电磁铁到达并碰撞弹簧锁、电磁铁在缓冲器作用下停止、弹簧解锁、主触点断开、辅助触点断开、电磁铁失电回到起始位置等一系列事件构成。电磁线圈中的电流也随着电磁运动过程中感应电动势的变化而变化,而且性能完好的断路器其线圈电流变化趋势具有一致性。通过检测跳闸过程中45 个关键事件的时间,可了解二次控制回路、铁心卡滞、主辅触点等操作机构的情况,为断路器健康状态监测提供依据。

  2)振动信号(vibration signal,VS)。

  断路器是一种瞬动式机械,其分合过程伴随着不同撞击事件,这些冲击振动波形呈上升和衰减过程,可通过振动信号出现的时间及幅值事件、小波变换、经验模态分解[17]的方法获取特征量。大量实验表明,同类型断路器在健康状态动作时产生的振动信号相似,这为通过比较同种类型不同断路器振动信号来判别状态优劣提供了依据。文献采用基于欧氏距离的辨识比来表征断路器的相似性,分辨断路器机械故障的正常和异常状态。振动信号具有更宽的机械故障评估范围,除控制单元和传动机构以外,还包括螺丝松动、缓冲失效及三相同期性。

  3)电寿命(electrical endurance,EE)。

  电寿命是真空断路器电气开断能力的表征,影响电寿命的主要因素是导电触头的电磨损,而电磨损又与切断故障点故障电流的幅值和开断次数有关,故障电流大小和次数的随机性使电寿命成为影响断路器使用寿命的最不稳定因素。随着配电系统容量的不断增加,故障电流的幅值也越来越大,必须对其进行在线监测与评估,电寿命的耗尽意味着断路器服役的终止。文献推导了用于状态评估的真空断路器剩余寿命计算式,文献根据变压器出口总电流及电力公司信息系统确定计算式中开断电流,克服了用电流互感器测量短路电流存在的磁饱和问题,为在线评估全面推广奠定基础。

  4)真空度(vacuum density,VD)。

  真空灭弧室作为真空断路器的核心部件,真空度,即真空压强直接影响着其绝缘与开断性能。真空灭弧室受制造工艺限制,特别是工作时触头材料的放气与吸气,使得真空度随时间增加而降低,低于一定值时,真空灭弧室将失去电气性能,从而引发爆炸事故。文献采用内置式双波纹管检测技术,利用外界压力和真空室自闭力平衡原理,实现了真空度的在线测量,适用于更换了新型灭弧室的断路器;文献提供了一种通用的真空度在线检测方法。

  5)隔离触头温度(contact temperature,T)。

  隔离触头因压力不够、接触面不平、触头氧化等原因,触头常过热,而高温将造成金属材料的机械强度下降、母线变形熔化、绝缘材料寿命降低,最终将导致绝缘击穿,引发事故。文献给出了高压开关柜内隔离触头的测温方案。

  从上述分析可以看出:断路器状态的劣化必然伴随着指标值的变化,根据拟定的指标筛选原则,本文选用振动信号(IVS)、电寿命(IEE)、真空度(IVD)和隔离触头温度(IT)4 个指标值来综合评估真空断路器的健康状态。指标体系可进一步设计成开放的,便于新的故障模式下增加相应特征参量。

  5、结论

  基于 IVS、IVD、IEE、IT 表征中压真空断路器健康状态的指标集,建立了一种定性与定量相结合的断路器状态评估模型。10 kV 真空断路器的监测与评估结果表明:本文所建指标体系合理,能够囊括所有部件的故障特征;所定义的完好度函数,不仅使各项指标在时间和空间维度上具有可比性,而且使监测指标值均以较高的概率落在评估轴上;采用APH 和熵值法确定指标权重及不平衡度,实现了重要指标预警的及时性并易于发现单项指标加速劣化的趋势;兼顾指标劣化特征的参考样本区间设计,确保了预警的充裕性;引入的红、橙、黄、绿状态评估参考样本,可以确定断路器不同时段及不同型号断路器的优劣特性,有助于优化维修及订购策略;采用的雷达图法图形化评估过程,实现了多维数据的图形化展示,使预警结果简明、清晰。然而,该模型若扩展到状态维修,还需嵌入到专家系统,进一步确定故障模式和故障位置,同时增加模型的自学习功能,下一步将会对其进行完善。

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