随着社会和经济的发展,电力系统在国民经济中的地位日趋重要。人们对电力的需求量越来越大,促使电力事业迅速发展,电网不断扩大。随着电压等级的提高和装机容量的增大,用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高,系统对电力设备运行可靠性的要求也越来越高,这对电力设备监测与诊断技术提出了更高的要求。《中国科学技术指南》中提出的电力能源领域发展的战略目标就是“提高供电可靠性、质量和经济性,建立设备和电网故障诊断和监测系统,改进输电在线监测技术、城市供电技术”。
高压断路器是发电厂和变电所配电装置中必不可少的设备,它是电力系统中最重要的控制和保护设备。高压断路器控制、保护的对象主要有发电机、输电系统、配电系统及其他电力设备。因此高压断路器的可靠运行对电力系统的安全、稳定至关重要。
高压断路器在电站设备中数量多、投资大,其性能的可靠性直接关系到电力系统的安全运行。就高压真空断路器而言,据统计在10kV、35kV配电系统中,国外真空断路器的占有率大致从1980年的19%增加到1993年的65%。国内真空断路器的占有率也在逐年提高,1998年已达60%~70%。随着科技水平的提高和研究的深入,真空断路器正在往大容量、大电流方向发展,并已取得了较大的进步。基于其在电力系统中的数量和肩负的任务,其运行状态直接影响着电力系统的运行。当高压断路器发生故障时,直接的危害是被其所保护的线路、设备受损,电量损失;间接的危害则是造成电网事故或扩大事故,用户大面积停电,影响正常的生活、生产甚至社会稳定,造成很大的经济损失及社会影响。据统计,在变、配电系统中(该系统电力组件主要包括变压器、高压断路器、输电线等),高压断路器所导致的非计划停电事故,无论是在事故次数上,还是在事故所造成的停电时间上都占据总量的60%以上。
分析高压断路器的故障原因,其故障主要有几类:拒动、误动故障,绝缘故障,开断与关合故障及其他故障。这些故障中,拒动(分为拒分和拒合)故障占多数。拒动和误动故障有些是由操动机构的机械部分导致的,有些是由其电气控制回路造成的。开断与关合故障是由断路器本体造成的,对于真空断路器而言,表现为灭弧室及波纹管漏气、真空度降低、投切电容器组重燃、陶瓷管破裂等。绝缘故障表现为外绝缘对地闪络击穿、内绝缘对地击穿、相间绝缘闪络击穿、雷电过电压闪络击穿等。其他故障包括开关柜隔离插头接触不良导致触头烧熔、异物撞击、自然灾害等。我国国家电力公司电力科学研究院的调查结果表明,在1989—1997年间高压断路器发生的4632次故障中,开断与关合故障占总故障的4.6%,绝缘故障占总故障的18.1%,操动机构机械部分导致的故障占总故障的39.3%,操动机构的电气控制回路造成的故障和其他类型的故障总共占38%。这说明在我国的高压断路器中,由操动机构(包括机械部分和电气控制回路)引起的故障是最主要的故障,其中,由其机械部分引起的故障占了总故障的主要部分。
在我国的电力行业中,目前高压断路器等电气设备的维护基本上采取定期检修制度。定期检修又称预防检修、计划检修,主要是根据设备的运行周期编制大修和小修计划,贯彻预防为主的方针,做到“到修必修,修必修好”。一旦设备运行到预先规定的时间周期,无论是否出现故障,都要停电检修,以做到防患于未然。长期以来,坚持预防性检修对我国电力系统的安全运行起到了很大的作用。但随着电力系统的大容量化、高电压化和结构复杂化及当今科学的发展,对电力系统安全可靠性指标的要求也越来越高,这种传统的检修方法已越来越不适应需要。
电力系统中,高压断路器数量多、检修量大、费用高。有关统计表明,变电站维护费用的一半以上用在高压断路器上,而其中60%又用于断路器的小修和例行检修上。据统计,10%的断路器故障是由不正确的检修导致的。断路器的大修需要完全解体,既费时间,费用也很高,而且解体和重新装配会引起很多新的缺陷。在目前相对保守的计划检修中,检修缺乏一定的针对性。因此,及时了解断路器的工作状态、有缺陷的部位,减少过早或不必要的停电试验和检修,减少维护工作量,降低维修费用,提高检修的针对性,可显著提高电力系统可靠性和经济性。
高压断路器在线监测为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。长期以来的计划检修,盲目解体拆卸,浪费了大量的人力、物力和财力,同时也造成了停电损失和设备寿命的降低。目前,电力系统专业技术人员正致力于高压断路器由计划检修到状态检修的转变,不再以投入年限和动作次数作为衡量标准,而是以设备的实际状态为维修依据。电力设备的检修要实现这种转变,在线监测势在必行。
所谓在线监测,是指在设备处于运行状态时,对其特定的参数进行不间断的监测,将采集到的信号量进行加工处理,通过实时提取故障的特征信号,为故障诊断打下基础。所谓故障诊断,是指根据在线监测的信息,结合该设备的运行史(包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录),进行纵向比较分析,结合已知的结构特性和参数及环境条件,与同类设备或同一设备不同时期在线监测的结果进行横向比较,确定设备故障的性质、程度、类别和部位,明确故障、征兆、原因和系统之间的相互关系,对故障类型、严重程度及原因等确定综合判断,并指明故障发展趋势,进而确定维修策略及方法。
对高压断路器实行在线监测和故障诊断,其主要作用有:能及时、正确地判断断路器的各种异常状态,发现发展中的事故隐患,预防和消除故障,防患于未然,可对高压断路器运行进行必要的指导,提高其运行的可靠性、安全性和有效性,把故障损失降到最低水平;采用在线监测代替以往的停电试验,可减少设备停电时间,节约试验费用;便于制定合理的检测维护制度,以便在允许的条件下充分挖掘断路器的潜力,延长服役期限和使用寿命;通过在线监测、故障成因分析、系统性能评估,可为断路器改进结构、优化设计、合理制造及运行提供数据信息。