110kv變電站一次初步設計,kv,變電站,一次,初步設計 華 北 電 力 大 學 畢 業(yè) 設 計（論 文）附 件 外 文 文 獻 翻 譯 學 號： 071901010603 姓 名： 韓增斌 所在院系： 電力工程系 專業(yè)班級： 電氣07k4 指導教師： 胡永強 原文標題： Timings of high voltage circuit-breaker 2011年 5 月 17 日 高壓斷路器的延時性原文作者及出處: Bartosz Rusek,Gerd Balzer,Martin Holstein,Max-Steffen claessens Electric Power systems Research 78(2008) 2011-2016 摘要 斷路器的操作影響著一個電力系統(tǒng)的可靠性。斷路器狀態(tài)的一個良好指標是它的開關時間。基于此，一些斷路器的違規(guī)操作可在發(fā)生故障前被探測出來并移除。在本文中，針對彈簧傳動和液壓傳動兩種不同的斷路器，提出在不同的故障情況下的時間測量評估。此外，斷路器開關的時間與故障類型位置之間的關系也將推論出來。因此，故障趨勢的影響也將予以考慮。 關鍵詞：斷路器；保養(yǎng)；時機；條件評估；可靠性 0 引言 如今，一個電力系統(tǒng)的可靠性非常重要，斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，其可靠性至關重要。因此，使用特殊的線路和離線測量系統(tǒng)來評估斷路器的狀態(tài)。它們的任務是報告斷路器操作過程中的各種變化。然而，斷路器是運行在各種不同的狀態(tài)下的設備，像額定/短路電流或高/低環(huán)境溫度。它的操作時間并不能等同于所有情況。因此，故障狀態(tài)必須與正常運行狀態(tài)區(qū)別開。然而，似乎并不是一項微不足道的任務。 本文所考慮的檢測技術是開關切換時間的測量，即所謂的延時性質(zhì)。為檢測出故障，在不正常情況下測量的時間要與參考時間相比較。雖然這種檢測方法非常老，用這種方法卻很少能檢測出故障，造成這種情況主要是因為故障率非常小，相當于每100個斷路器每年發(fā)生6 次故障。由于如此小的故障率，關于這方面的知識獲得也就大大減慢了。為了加快學習的進程，就要做一些像本文中一樣的理論思考工作。在這里，不正常操作過程中的時間測量并非在真正的斷路器上進行，而是利用數(shù)字模型來模擬。為達到這個目的，必須制造兩種不同的110kVSF6斷路器的數(shù)字模型，一個是彈簧驅(qū)動，另一個是液壓驅(qū)動。為考慮發(fā)生在現(xiàn)實中的情況，將模擬故障從TU-Darmstadt電力系統(tǒng)研究所的故障數(shù)據(jù)庫中選出。 1 傳感器與延時性的定義 時間測量可以通過各種方式來實現(xiàn)，最簡單的方法就是測量每個斷路器都擁有的輔助接觸信號之間的測量時間的差異。然而，這種接觸并不直接針對這種測量，它們的任務是確定斷路器實際位置或存儲能量的多少。因此，測量的結(jié)果可以換算成故障。另一種可能性是用傳感器的位置（線性的或角度的）來確定時間特性(圖1)。 圖1 開關時間定義 tO ——斷開時間——從信號發(fā)出到斷路器連接處分離的時間 tOFF——斷路器斷開的動作時間——所選定曲線上99%到1%兩點之間的時間間隔 tC——關閉時間——從發(fā)出關閉信號到斷路器連接處機械連接所用的時間 tON——閉合時間——與tOFF 相似，只是曲線的方向改變。 然后讀出開關切換時間,因為斷路器元件在開關切換時發(fā)生彎曲，故指定的傳感器的位置也有一定含義。正常情況下，傳感器（電感/電容式傳感器）被安裝在斷路器的低壓側(cè)。然而，準確的鏈接位置的測量只有在傳感器安裝在它們的鄰近區(qū)域內(nèi)才能夠進行。這就要求運行昂貴的光學位置傳感器。各種傳感器已經(jīng)被更加準確的描述過，因此，數(shù)字模型允許任何可移動元件產(chǎn)生特性曲線和準確的時間。 為避免計量不足，得到明確的啟動和停止測量點，必須確定兩個輔助值：曲線的99%和1%。由于最終連接處的震蕩，它們不應等同于端位置而應盡可能地靠近它們，設置測量點太寬會導致重要信息丟失，如阻尼效率。 2 斷路器的數(shù)字模型和參考時間 故障的影響將分別在彈簧驅(qū)動和液壓驅(qū)動的110KVSF6高壓斷路器數(shù)字模型中予以考慮。這兩種數(shù)字模型都在MATLAB/SIMULINK程序中建立。機械環(huán)境可利用SimMechanics 工具箱模擬出來。斷路器其它部分像電動機、控制線圈、釋放線圈和油也都可利用標準的工具箱建立。 重要要提及的是本文的意圖不是比較斷路器運行方式，而是分析故障的影響。此外，這里提及的延時性不包括開關電弧的影響。已經(jīng)假定斷路器只在額定電流下開斷，延時只在定期離線維修時發(fā)生。 模擬的確切描述與本文所考慮的問題并不相關，所以被忽略。這個論題的附加數(shù)據(jù)可在[5]和[6]中找到。 2.1 彈簧驅(qū)動斷路器的參考時間 圖2 彈簧驅(qū)動斷路器的模型 圖2 顯示了一個彈簧斷路器的模型。閉合開關所需的能量儲存在位于驅(qū)動中的一個彈簧器之中。這個彈簧被電動機拉緊。在一次閉合開關的過程中，螺旋彈簧驅(qū)動一個可以帶動拉桿系統(tǒng)的離心杠桿，使發(fā)生接觸運動，拉緊存儲著斷開開關所需能量的彈簧。在高傳動力的影響下，拉桿在操作過程中發(fā)生彎曲，這個拉桿的性質(zhì)用彈簧來模擬。重點要注意的是開關所需的能量從兩個不同的部位傳送（斷開開關的彈簧—極3，閉合開關的彈簧—驅(qū)動）。延時性這一事實的相關性將在下章予以解釋。 圖3 高壓彈簧驅(qū)動斷路器的一般模型 圖3 顯示了斷路器開關連接的時間和位于開—關順序驅(qū)動中的離心杠桿的角度之間的特性?？梢宰⒁獾剑谧詈笪恢们€震蕩超過了離心杠桿的角度。另外，在閉合開關的過程中，曲線上的值要比平衡位置的值高（在圖3 上是135ms）。這是由于杠桿的彈力和離心杠桿的過度離心造成的。 根據(jù)表1，彈簧驅(qū)動斷路器的開關時間已經(jīng)從仿真曲線上讀出。高電流的曲線在每一極發(fā)生接觸。離心杠桿的角度也已單獨獲得。時間測量的結(jié)果如表1所示 tO(ms) tOFF(ms) tC(ms) tON(ms) Cs-pole1 18.208 29.110 25.996 29.794 Cs-pole2 18.196 26.771 26.278 29.233 Cs-pole3 18.174 26.698 26.509 28.874 Ela-drive 18.219 31.317 25.952 31.859 表1 彈簧驅(qū)動斷路器在開關切換時參考時間 根據(jù)表1，第一依賴時間被界定，第一極的開關斷開所需的時間tOFF 要比其它極長，原因是驅(qū)動的位置。在開關閉合過程中，系統(tǒng)中的所有元件都向下運動。為避免驅(qū)動中機械元件的碰撞，這些運動部件的運動速度必須降低。這由連接在驅(qū)動中的離心杠桿裝置上的節(jié)氣閥來完成。這也是為什么離心杠桿角度的tOFF是最長的原因。對第一極來說，阻尼是最強的，因為其它極和阻尼器之間存在起彈性組件作用的額外桿，阻尼力并不能立即傳送。 觀察tO，可以注意到離驅(qū)動器最遠的極的開關閉合時間是最長的。 2.2 液壓驅(qū)動斷路器的參考時間 圖4 液壓驅(qū)動斷路器的一般模型 液壓驅(qū)動斷路器如圖4所示，在這種驅(qū)動方式中，開關切換所需能量儲存在盤形彈簧中， 能量通過高度壓縮的油（大約450bar）傳送。該斷路器有兩個閥門控制著油通過主要活塞下面的容量流入（開關斷開）或流出（開關閉合）。活塞的運作要根據(jù)不同的活塞原則即活塞上面區(qū)域面積要小于下面的。所以，如果活塞兩邊的壓力是相同的則活塞向上運動。主要活塞的運動導致水平軸的旋轉(zhuǎn)和拉桿的垂直運動。 在上述的驅(qū)動方式中，驅(qū)動器安裝在三極斷路器的中間（第二極）這就意味著開關切換所需的能量由一個點所提供，而不像彈簧驅(qū)動斷路器那樣。結(jié)果，1極和3極之間的時間測量并無差別。類似的，以前的斷路器類型的tOFF, tON在離驅(qū)動器最近的極上是最長的因為主要活塞的位置。這也可在運動階段的末尾作為阻尼器來操作。 表2 液壓斷路器在開關切換過程中的參考時間 tO(ms) tOFF(ms) tC(ms) tON(ms) Cs-pole1 33.409 26.21 52.823 41.57 Cs-pole2 33.265 29.19 52.903 42.18 Cs-pole3 33.409 26.21 52.823 41.57 MPs-drive 32.527 28.64 53.816 41.50 3 故障/異常診斷 模擬仿真的故障/異常從包含有6000個故障記錄的SF6和半油式斷路器的數(shù)據(jù)庫中選擇出來。這些數(shù)據(jù)以組的方式被結(jié)合在一起（表3），所給定的數(shù)字表分比在一個組中共用一個次等組。 表3 從模擬仿真中選出來的帶有組成部分的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu) 由于結(jié)構(gòu)類似，life-parts中的故障元件被認為是獨立驅(qū)動的，與時間性相關的故障組為黑體的。 3.1 閥門/鎖存器電源電壓 如果合格的斷路器開關的各項要求均滿足，則將電壓加在閥門/鎖存器釋放線圈上。在一些情況下，例如，當所有保護單元的母線發(fā)聲故障時，輔助電壓便可以切斷故障。這已經(jīng)直接地影響了電流，進而影響與電流平方成正比的線圈反作用力。如果線圈反作用力比所有摩擦都大，閥門/鎖存器便開始動作。由于電樞線圈的運動改變其電感，因此，線圈電流分布具有表示特性的局部最低點。（如圖5） 圖5 不同電壓等級下線圈電流液壓斷路器的閥行程和線圈剖面 為了確定是什么影響了具有與延時性相關的輔助電壓，額定電壓的90%，100%與110%三種情況被模擬出來。液壓驅(qū)動斷路器的結(jié)果已顯示在圖5中 越高的電源電壓可導致越快的閥門開關切換。對于這個線圈，一個完整的閥門開關切換需4ms，閥門運動的末端由線圈電流特性曲線的局部最低點顯示。 不同電壓等級液壓驅(qū)動斷路器的主要活塞運動的的延時在表4中顯示出。表4中的數(shù)據(jù)是與參考時間的時間差異，因此這些差異與MPS開關切換時間相關。 dtO dtOFF dtC dtON ms % ms % ms % ms % 90% of Ur 2.85 8.8 0.00 0.0 2.86 5.3 0.00 0.0 110% of Ur -2.07 6.4 0.00 0.0 -2.08 3.9 0.00 0.0 表4 不同電壓等級下與MPS時間相關的液壓斷路的時間差異 只有電源電壓的變化影響著關閉/開端時間的差異（dtO和dtC ）電源電壓下降10%可使用時間差異上升8.8%，這個結(jié)果表明操作時間高度依賴于電源電壓。在相同的電源電壓下，關閉／開斷時間是不相等的（大約有10μs的不同）。這個是由閥門中油流動方向的改變所引起的。在開斷時，油流推動閥門，加快了它的速度。 圖6 不同電壓等級下彈簧驅(qū)動斷路器閥行程和剖面 彈簧具有不同的結(jié)構(gòu)和其他的線圈。由于磁鐵電樞／手臂尺寸較小，對于鎖存器的斷開的命令要較快的發(fā)出（圖6），可以看出，鎖存器動作從電壓適用點數(shù)起4ms后結(jié)束。這比液壓斷路器要快15ms。 因為彈簧斷路器反應時間較短，電壓變化也將導致更短的關閉／斷開時間差異（表格5）對于這種驅(qū)動類型，沒有額外的動力，作用于電樞線圈。因此，在相同電壓下，關閉／斷開時間是相同的。 表5 與Ela延時性相關的不同電壓等級下彈簧斷路器時間差異 dtO dtOFF dtC dtON ms % ms % ms % ms % 90% of U 0.25 1.4 0.00 0.0 0.25 1.0 0.00 0.0 110% of U -0.21 1.2 0.00 0.0 -0.21 0.8 0.00 0.0 3.2 釋放組件（閥門／鎖存器／線圈）的故障 圖7 不規(guī)則模擬下彈簧驅(qū)動斷路器的線圈剖面 因為閥門／鎖存器與線圈核心相連接，這些組件的故障／違規(guī)反應在線圈電流剖面（圖7），允許檢測以下違規(guī)行為： 1．釋放線圈短路——通常線圈（HD）的阻抗在100Ω范圍內(nèi)，模擬出的違規(guī)行為顯示出5%的線圈短路時的情況； 2．較高的線圈阻抗——在這種情況下，夾子的腐蝕增加了所過路徑的阻抗； 3．閥門摩擦力較低——由于軸承的磨損導致的； 4．閥門摩擦力太大——可能由移動部件的腐蝕造成。 與圖7相應的時間測量如表6所示。為保證結(jié)果與其他情況下結(jié)果的可比性，模擬時輔助電壓有一個額定值。 表6 與MPS延時性相關的液壓斷路器釋放組件不同故障時的時間差異 dtO dtOFF dtC dtON ms % ms % ms % ms % Ffric-10N -1.75 5.4 0.00 0.0 -1.76 3.3 0.00 0.0 Ffric+10N 2.31 7.1 0.00 0.0 2.32 4.3 0.00 0.0 Rcoil-5Ω -0.83 2.5 0.00 0.0 -0.84 1.6 0.00 0.0 Rcoil+5Ω 1.21 3.7 0.00 0.0 1.22 2.3 0.00 0.0 Ffric——閥門摩擦力 Rcoil――線圈和它接觸電阻 釋放組件的違規(guī)行為不影響tOFF和tON，唯一影響的是承接時間的改變（tC和tO）。當線圈內(nèi)部短路或閥門摩擦力較小時，斷路器將會被更快的切斷／閉合。與此相反，高摩擦力和線圈夾的腐蝕會使開關動作延遲。時間差異的數(shù)值也會高出１ms。這意味著它很容易被大部分測量系統(tǒng)獲得。 類似的效果也可在彈簧斷路器中觀察到，不同之處在于對于這種斷路器差異的程度降低了10倍左右（比較表4和表5） 3.3 彈簧的阻尼器故障 阻尼器故障很大程度是因為泄露。這類故障僅適用于彈簧斷路器，其效果是延遲阻尼器的活躍點。表7顯示了活躍點被推遲了1mm的仿真結(jié)果。 表7 彈簧驅(qū)動阻尼器效率較低（由泄露造成的）時時間差異 dtO dtOFF dtC dtON ms % ms % ms % ms % Cs-pole1 0.00 0.0 -1.47 5.0 -0.03 0.1 0.40 1.4 Cs-pole2 0.00 0.0 -0.28 1.0 -0.02 0.1 0.23 0.8 Cs-pole3 0.00 0.0 -0.13 0.5 -0.02 0.1 0.17 0.6 Ela-drive 0.00 0.0 -0.43 1.4 -0.02 0.1 0.02 0.1 dtO 不會改變，因為阻尼器只有在斷開動作的最后階段起作用。dtOFF 將會縮短，因為故障阻尼器吸收能量較少。偏心杠桿移動的更快，也更早的到達它的最低點。最高的dtOFF差異出現(xiàn)在離驅(qū)動器最近的第一極。 這個例子表明了一個問題。在快速切換時，時間dtO和dtC應該等于0，因為只有在開關斷開的過程中阻尼器才起作用，然而，開關切換后，開關元件并不停留在它們斷開的位置。但它們?nèi)匀惠p微的震蕩。此外，如果阻尼器在產(chǎn)生更高頻率的震蕩上效果比偏心杠桿差。如果關閉信號來得快（理想情況在80ms后），則仍然在關閉開關過程中震蕩系統(tǒng)將偽造延時性。阻尼器故障的其他監(jiān)測可能性像偏心杠桿使用速度或阻尼器脈沖如6中所描述。 3.4 用于操作的儲能的損失/增加（泄露/彈簧設備故障） 泄露減少了儲存在液壓驅(qū)動中的總能量。然而這些能量不會減少到0，因為它會被電機泵系統(tǒng)重新填裝。在理想驅(qū)動器中，如果能量儲存至53mm，所儲存的能量最大。因為泄露，這一位置下降。當它到達50mm時，泵會被打開。因為這些原因，針對發(fā)生在現(xiàn)實中的充分（53mm）和部分儲能（50mm）兩種儲能情況進行模擬。 表8顯示了不同能量水平和開關切換順序（僅僅對于開關打開）下，液壓斷路器的時間差異?？紤]的情況代表斷路器的正常運行狀態(tài)。 表8 與MPS延時性相關的在不同能量等級和開關切換順序下的時間差異 dtOFF dtO ms % ms % Fully loaded, first open of o-c-o 0.00 0.0 0.00 0.0 Fully loaded,second open of o-c-o 5.74 20.0 0.48 1.5 Partially loaded ,first open of o-c-o 0.27 0.9 0.04 0.1 Partially loaded ,second open of o-c-o 5.87 20.5 2.11 605 Fully loaded c-o 0.65 2.6 0.13 0.4 Partially loaded c-o 1.15 4.0 0.23 0.7 O—斷開開關 C—關閉開關 一般來說，如果開關切換之前能量儲存并不完全，會出現(xiàn)較長的運作時間。在液壓驅(qū)動中，每一次操作都會導致儲存能量的減少，而重新填充的過程要比開--關—開或關—開所需時間更長。因為這個原因，第二次和第三次切換比第一次耗時長。 如前面例子，彈簧斷路器中的開關切換能量并不會改變。這里，每一種儲存在彈簧中的能量的變化都意味著一種故障。這些故障可能是由負荷程度不正確設置或彈簧的物理性質(zhì)變化引起的。 表9 與ELa延時性相關的彈簧驅(qū)動斷路器的不同負荷程度下時間差異 dtO dtOFFf dtC dtON ms % ms % ms % ms % OS-5mm 0.27 1.5 1.09 3.5 -0.29 3.6 -0.91 2.9 OS+5mm 1.15 6.3 -0.90 2.9 -0.29 0.9 -0.25 0.8 CS+3deg -1.31 7.2 0.00 0.0 -0.45 1.7 0.00 0.0 CS-3deg 1.69 9.3 0.00 0.0 0.49 1.9 0.00 0.0 OS—斷開彈簧CS—關閉彈簧 如果只給出表9，很容易確定是哪個彈簧導致了問題。如果與參考開關切換時間的dtOFF和dtON的差異接近0，dtO和dtC是負數(shù)，則關閉開關彈簧負荷角度太高。dtO和dtC的符號正面變化則意味著負荷角度太低。對于被不適當?shù)恼{(diào)整的打開開關彈簧的負荷位置，類似的依賴關系可以確定（僅僅是dtO和dtOF），再次，tC和dtON取決于來自先前的開關切換的震蕩。 3.5 接觸故障 在長期的接觸下，兩個組合部分是指高電流接觸和電弧接觸。不幸的是數(shù)據(jù)庫并沒有具體指出是什么導致了故障。因此，對兩種假設情況進行仿真。第一種是由電弧故障造成的摩擦力加倍，第二種是假設完全沒有電弧接觸。仿真結(jié)果分別如表10和表11所示。以下參考時間百分比結(jié)果介紹被省略，因為大部分結(jié)果低于1%。 表10 彈簧驅(qū)動斷路器在第三極故障（雙倍摩擦力）時時間差異 dtO(ms) dtOFF(ms) dtC(ms) dtON(ms) Cs-pole1 0.051 0.118 0.000 0.041 Cs-pole2 0.051 0.112 0.001 0.037 Cs-pole3 0.060 0.081 0.000 0.051 Ela-drive 0.053 0.122 0.000 0.047 表11 彈簧斷路器第三極故障臺（無電弧接觸）時時間差異 dtO(ms) dtOFF(ms) dtC(ms) dtON(ms) Cs-pole1 -0.053 -0.144 0.000 -0.042 Cs-pole2 -0.051 -0.110 0.000 -0.038 Cs-pole3 -0.061 -0.073 0.000 -0.500 Ela-drive -0.055 -0.121 0.000 -0.046 鑒于此，時間dtC并并不會發(fā)生改變。因為直到接觸機械連接和故障出現(xiàn)在這一點之后時，它才被測量。一般來說，摩擦力增加也會增加開關切換時間（所有差異都是負的）。故障一極中dtO和dtON比其他極要高。第3極中dtOFF最短因為打開開關的彈簧與3極之間距離是最短的即拉桿的開斷阻力最弱。對表11中的dtOFF，也可作出類似的解釋。然而，在這種情況下，系統(tǒng)移動更快（所有差異都是負的）因為摩擦力更弱。再次，在故障極中時間差異dtO和dtON最高。 對于液壓斷路器杰出故障做出類似的考慮（表12）。由于斷路器的不同結(jié)構(gòu)，對這種故障類型的清楚認識是不可靠的。對于彈簧斷路器，時間差異可高達150 μs。而液壓斷路器僅僅17 μs。此外，最高的差異并不是由一個故障造成的而是由上一次開關切換后的震蕩造成。dtC應該等于0 表12 在液壓斷路器第三極中故障（摩擦力+150N）過程中時間差異 dtO(ms) dtOFF(ms) dtC(ms) dtON(ms) Cs-pole1 0.009 0.005 0.017 0.005 Cs-pole2 0.007 0.007 0.001 0.014 Cs-pole3 0.012 0.000 0.017 0.016 MPs-drive 0.007 0.008 0.001 0.013 由于在兩種斷路器中由接觸故障產(chǎn)生的非常小的時間差異。如果不運用適用于一方的非常復雜的測量系統(tǒng)對故障的偵測很難完成。 3.6.驅(qū)動/旋轉(zhuǎn)隔離和拉桿故障 根據(jù)數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)生拉桿故障的原因是一個機械損壞。對此，有兩個可能的解釋：或是拉桿的機械屬性改變（可能性較?。┗蚴莻鬏斄μ蟆? 可能導致傳輸力顯著增加的一種可能的違規(guī)操作是拉桿的不正確調(diào)整（太長）。在這種情況下，接觸在開關切換的最后階段會突然停止。雖然驅(qū)動還沒有完成動作。事實上，拉桿將更難被壓縮而傳輸力也將更大。在這方面情況下，該階段不在接觸特性預定的99%之內(nèi)（圖1）。因此，這一關鍵情況無法通過延時性來檢測出來。然而，其他監(jiān)測技術像拉桿中力的使用可以用來檢測這一故障。 4 結(jié)論 為達到監(jiān)測的目的，本文提出了一種使用斷路器數(shù)字模型的斷路器檢測方法。這種斷路器模型用實際測量來校檢，因此，所得到的結(jié)果信任度高。 基于仿真結(jié)果，可以確定斷路器結(jié)構(gòu)與開關切換時間之間的依賴關系。它已經(jīng)表明由于不同的斷路器的動作和時間差異的大小，對每個斷路器單獨地操作必須適應延時性技術。此外，由于斷路器正常開關切換時開關速度差異所造成的問題也已經(jīng)解釋。 這些結(jié)果允許建立一個一般的規(guī)則，即負時間差異在任一故障情況下都會出現(xiàn)。這個差異只需要足夠大。 為檢測接觸系統(tǒng)中增加的摩擦力，每一次精確的時間測量（10μs分辨率）都要做。即使有這樣的測量質(zhì)量。這些故障仍不能可靠的檢測。因為各種重疊效應，給出在1ms范圍內(nèi)的差異的故障可通過網(wǎng)上的正常測量系統(tǒng)成功得到。