基于调度自动化系统的断路器分、合闸不同期在线监测研究

基于调度自动化系统的断路器分、合闸不同期在线监测研究

黄雄浩

广东电网有限责任公司佛山供电局 广东佛山 528000

摘要：机械故障是造成断路器缺陷的重要原因之一，目前利用停电对断路器开展机械特性试验对断路器的诊断能力存在不足。本文提出了利用调度自动化数据对断路器的分、合闸不同期开展在线监测，首先介绍了在线监测系统的组成，然后介绍了断路器分、合闸不同期数据来源、不同期的计算公式及告警判据，随后通过案例分析了实施的可行性，最后介绍了在线监测系统的实施。利用调度自动化数据对断路器的分合闸不同期进行监测，从而根据异常结果对断路器的机械性能进行诊断，为断路器的在线监测提供了新思路。

关键词：断路器；分合闸不同期；调度自动化系统；在线监测；数据

0 引言

断路器承担着切断电力系统正常工作电流及故障短路电流的双重任务，是重要的电力设备，其特点是对灭弧室的电气性能和操作机构的机械性能要求极高^[1]。随着断路器运行时间的增加，检修维护中发现了以下问题：（1）部分频繁动作的断路器的储能机构的机械性能下降，零部件疲劳，导致分、合闸速度变慢，时间变长；（2）部分长期不动作的断路器，其传动机构部件出现锈蚀卡涉，导致机构动作时阻力增大，同样对断路器的分、合闸速度、分、合闸时间造成影响^[2]。对于三相独立机构的同一台断路器，停电测量分、合闸不同期能够反映出三相断路器之间机械性能的差异，该做法试验周期长且数据样本太少，对断路器的诊断能力不足^[3]。

广东电网有限责任公司的调度自动化系统中含有很多与断路器分、合闸相关的信息，只要断路器完成一次动作，系统就能够将相关的信息实时采集及上传，该系统还存储了海量的历史运行数据，为利用分、合闸时间信息研究断路器的机械性能提供基础。本文重点阐述了利用调度自动化数据对三相独立操作机构的断路器的分、合闸不同期在线监测进行研究，该种方法能够在不增加投入监测设备的情况下，利用现有数据实现对断路器的在线监测，提升断路器在线监测的技术水平。

1 在线监测系统的组成

断路器分、合闸不同期在线监测的监测对象为三相独立操作机构的断路器，其监测的原理图如下所示，断路器分、合闸状态发生改变时，将指令信息和断路器辅助节点变位信息采集并上传至调度自动化数据库，通过诊断系统对数据进行读取及分析，能够实时监测断路器的分、合闸不同期情况并对故障提出预警。

2 断路器分、合闸不同期数据来源、计算公式、判据及案例

2.1 分、合闸不同期的危害

断路器分、合闸不同期指的是三相断路器之间分断与闭合的时间差，该数值增大会对电力系统和电气设备造成以下危害^[4]：

（1）造成电气设备的非全相投入及切除，产生危及设备的过电压。

（2）电力系统的不对称运行产生零序分量与负序分量会对继电保护装置的动作产生影响。

（3）对于液压操作机构断路器，分、合闸不同期的增大还有可能是断路器拒动的先兆，某一相断路器的换向阀在切换过程中遇到的阻力不断增大，使换向阀在某次动作时停留在中间位置，导致高低压油路的贯通，油泵无法建立正常的压力致使断路器拒动，造成严重的电网风险。

2.2 分、合闸时间的关键信息及不同期的计算公式

断路器分、合闸时间指断路器分、合闸线圈带电时刻到所有极的弧触头分离、接触时刻之间的时间长度^[5]，其计算公式如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

（2）

断路器分、合闸线圈带电的时间节点及断路器弧触头分离、接触的时间节点信息在调度自动化系统中无法直接获取，要想开展研究还需要对系统的数据进一步挖掘。在调度自动化系统中，通过继电保护装置和故障录波器可采集到的断路器信息包括：（1）断路器分、合闸状态信息。断路器通过分、合闸辅助开关的切换作为断路器状态变化的时间节点，该时间节点与断路器电极触头刚分、刚合的时刻存在延时 。（2）断路器保护动作指令信息。调度自动化系统记录了断路器保护指令发送的时间节点，该时间节点与分、合闸线圈带电时刻存在保护出口延时 。图1为断路器分、合闸过程中的时间标定，明晰了不同信号的先后顺序。在调度自动化系统中，所有事件记录的时刻精度能达到毫秒级别，为分析断路器的分、合闸不同期提供良好的准确度。

图1分、合闸时间标定

将保护指令发送时刻记作 ，分（合）闸辅助开关切换时刻记为 （ ），根据图2，在引入参数 、 后，分闸时间、合闸时间及分闸不同期、合闸不同期的计算公式分别如公式（3）、公式（4）、公式（5）、公式（6）所示。

（3）

（4）

（5）

（6）

根据上述公式可知，若参数 、 具有较高的稳定性，则在计算相间分、合闸不同期时引入的误差可以忽略，断路器分、合闸不同期的值完全可以通过调度自动化系统获取的信息计算得到。文章[5]选取了多台不同型号的断路器进行了多次重复试验，结果表明对于所有同型号的断路器，

的标准差均小于1ms，而 则稳定在3.5±0.2ms，_， 的高度的稳定性确保了基于调度自动化系统的断路器分、合闸不同期的合理性和准确性。

对于三相独立机构的同一台断路器，继电保护装置发送动作指令的时刻 是相同的，而三相之间分、合闸辅助开关的切换时刻不同，故只需要比较出调度自动化系统中三相分、合闸辅助开关切换的时间差便可计算出三相分、合闸的不同期，计算公式如公式（7）、公式（8）所示。

（7）

（8）

2.3三相分、合闸不同期缺陷判断方式的确定

参考《Q/CSG1206077-2017电力设备检修试验规程》中“相间分闸不同期不大于3ms，相间合闸不同期不大于5ms”的要求^[6]，可将断路器分、合不同期在线监测告警值分别设置为3ms和5ms（实际上考虑到_， 引入的计算误差，也可以将告警值适当提高），若监测到同一条线路的三相断路器相间分、合闸不同期值多次出现告警且数据有增大趋势，则可判定该断路器存在故障。

2.4 案例介绍

220kV顺吉甲线断路器为液压机构断路器，该断路器自2018年2月至2018年12月间进行了4次合闸动作，从调度自动化系统中调取断路器相关数据后经过分析、诊断计算，得出每一次合闸的不同期及最慢动作相别。

由数据分析可得到以下两个特点：（1）顺吉甲线断路器在2018年2月至2018年12月之间发生过两次合闸不同期严重超标的情况，分别是2018年3月7日的52ms及2018年12月27日的380ms，远大于标准要求的5ms。（2）每一次断路器进行合闸，总是A相最慢合上，B、C两相之间的时间差很少，在三相断路器厂家、机构型号相同的情况下，机构部件的行程误差应该是在一个可控范围内的，不应该出现如此大的时间误差，上述数据也可以从侧面反映出A相机构在操作的过程中存在的阻力更大，可能是机构缺陷的征兆。

上述断路器在2019年3月14日开展了分，合闸的例行检查，在进行分闸操作后，发现A相油压下降为零，B、C相油压正常，保护装置对断路器的合闸操作进行了闭锁。后经检查发现，在进行了分闸后，换向阀最终停止在靠近分闸位置的中间态位置，导致高压油路与低压油路贯通，机构不能建立正常的油压。故障的相别与调度自动化采集分析到的最慢合闸相别均为A相，结果是吻合的。

3 在线监测诊断系统的实现

断路器在线监测诊断系统利用调度自动化系统现有的断路器动作信息计算得到分、合闸不同期数据，通过上文叙述的缺陷判断方式对数据进行分析，从而实现断路器分、合闸不同期的在线监测。

3.1 断路器台账的建立

断路器台账的建立如下所示^[7]。

程序参数的初始化设置；

台账查询，获取断路器参数、型号信息；

建立数据库，将断路器信息存入数据库。

3.2 分、合闸不同期数据获取及告警流程

断路器分、合闸不同期数据获取及告警流程如下所示。

从调度自动化系统中获取断路器的分、合闸动作相关信息。断路器每动作一次，系统新增一次信息记录；

根据公式（7）、公式（8）计算出断路器分、合闸不同期；

计算结果与行业标准进行比较，若合闸不同期大于5ms或分闸不同期大于3ms，则认为断路器可能存在异常，标记为告警状态；

将所有断路器历史动作的数据处理结果存储到数据库中，方便对历史数据的查阅，分析与对比。

3.3 系统的结构

系统的功能结构图如下所示，诊断系统能从调度自动化系统中获取断路器分、合闸动作的相关信息，并对数据进行计算及存储，同时还能对异常数据进行告警，并且可进行断路器台账的管理，对断路器的历史数据信息进行查阅和分析。

4 结语

利用调度自动化系统中的断路器分、合闸信息，研究出计算三相独立机构的断路器分、合闸不同期的方法，参考行业标准归纳出断路器分、合闸三相不同期的告警方式，并提出在线监测断路器分、合闸不同期的诊断系统，该系统在不增加在线监测设备的投入的基础上，利用原有数据的对断路器进行监测，为断路器的在线监测提供了新的思路。

参考文献

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基于调度自动化数据的高压开关设备动作特性模型及运维策略研究[R]. 广东电网有限责任公司.

Q/CSG1206077-2017．电力设备检修试验规程[S].