杨志义 黄继明 吴高波

(国网浙江宁波市鄞州区供电公司,浙江宁波 315175)

保护末端故障防止越级跳闸的研究应用

杨志义 黄继明 吴高波

(国网浙江宁波市鄞州区供电公司,浙江宁波 315175)

随着我国经济建设和科学技术的不断发展,目前我国在电力方面的需求也在不断提升。对于电力使用而言,安全始终是第一位的要求,在这一方面就需要保证在实际的电力使用过程中能够正常而安全的应用,断路器的正常使用需要进行重视。但是由于目前我国在断路器方面的研究并不深入,造成了断路器在使用过程中出现各种问题的情况。本文讨论了一种保护末端故障防止越级跳闸的方法。

保护末端故障 防止越级跳闸 研究应用

虽然我国目前在科学技术方面得到了较好的发展,并且也在电力使用方面取得了较高的成绩。但是仍然需要注意在断路器方面的问题。目前我国在断路器方面的研究相比发达国家仍然有一定的差距,并且目前使用的传统断路器在功能上显得较少,并且在应用方面也极为单一,在断路器所包含的各项技术上也比较落后。即使是目前较为高级的刀闸开关,在实际的使用过程中也必须要安装大量的辅助设备才能够正常使用,发挥出断路器的真正作用。但是需要注意的是,如果在刀闸开关上新增各项辅助设备,又会因为辅助设备带来各种新的故障以及问题。正是由于这样的情况,影响到了我国电力的正常使用以及发展。而目前为了真正的提升我国电力使用的效率以及安全性,多功能以及多用途的断路器开始被人们所重视。通过帮助断路器增加各种功能,就能够保证断路器可以在更多环境下更好的进行使用。在本次研究中,我们需要研究断路器具有接地保护功能(零序电流、零序电压)的组合互感器制造,同时也需要能够拥有相应的检测计算的二次控制技术以及保护定值的连续可调的二次控制技术,通过这些技术和永磁真空断路器的制造技术相结合,就能够实现拥有重合闸功能、定制连续可调功能等各种智能化技术,并且能够适用于终端客户的智能断路器,对于我国电力事业的发展以及人民在使用电力过程中的安全性而言有着重要意义。

1 目前广泛使用的常规断路器的特点以及缺陷

1.1 传统断路器的种类以及可能出现的故障

我国自开始大规模的发展电力工业以来,广泛使用的一种断路器为传统的高压断路器,这种断路器在实际的使用过程中具有构造简单、易于修理、简单易用等特点,受到了各级技术员工以及广大人民的广泛喜爱。但是这种常规的高压断路器在目前已经开始体现出各种问题,会对正常的电力使用造成各种影响。例如在使用高压断路器的过程中,会因为高压断路器的构造特点引起机械故障。机械故障是一种高压断路器最为常见的故障,常见的机械故障的种类有润滑不良、电磁铁卡塞、传动机构变形、触头磨损、螺丝松动、缓冲器故障、锁扣失灵以及部件破损等。这些故障都会在实际的电力使用过程中造成一定的困难,导致电力无法正常的进行使用,甚至造成一些重大事故,导致极为严重的后果。在传统的排除高压断路器的故障的过程中,往往需要根据振动信号来进行排除。在实际的排除高压断路器故障的过程中,需要对断路器在工作过程中的振动信号进行相应的监测,并且通过监测出的振动信号接过来对高压断路器在工作过程中的机械状态以及机械故障进行较好的识别。通过振动诊断的方法能够有利于实现对断路器的非侵入式状态的监测,同时也能够较好的将高压隔离等问题进行相应的解决,因此以往在使用电力的过程中使用这样的监测方式已经成为了一种高压断路器机械状态诊断的常用手段,并且取得了一定的成果,保证了在一段时间内我国电力能够正常使用及运行。但是需要注意的是,目前所使用的传统断路器的功能较少、应用较为单一,并且所需的技术较为落后,因此在实际的电力使用的过程中就会极大地限制断路器的应用,往往只能够被当做一种比较高级的刀闸开关,需要安装大量的辅助设备才能够进行较好的使用,发挥出断路器的真正作用。但是如果为断路器安装上了各种辅助设备,由于辅助设备自身可能会产生多种问题,因此也是无法保证断路器在安装上辅助设备后能够正常的进行使用。

1.2 如何使用常规手段来解决高压断路器的常见机械故障

在对高压断路器的故障解决方面,由于我国进行的时间较长,因此也总结出了各种方式方法来对高压断路器的机械故障进行相应的解决。在实际的对高压断路器故障的解决过程中,首先需要对高压断路器的振动信号进行相应的采集,并且需要进行特征提取以及故障识别。在我国以往的研究过程中,信号采集方面的工作已经较为完善但是需要注意的是目前在特征提取以及故障识别工作方面仍然会出现各种问题。在长期以来我国在对高压断路器的特征提取以及故障识别方面所使用的方法往往为时域包络法、时频幅值谱、相互观法、动态时间桂政发、指数衰减振荡子波分解、人工神经网络法等方法来进行。同时在近些年来,不仅在原油的方法上进行了改进,同时也发现了需要全新的方法,例如希尔伯特黄变换法、小波分析法、短时能量法、细化频谱分析法等方法。通过这些手段,能够解决在实际的高压断路器使用过程中常见的问题。

1.3 传统高压断路器的缺陷

虽然传统高压断路器目前在我国得到了较为广泛的使用,并且在以往的电力使用以及发展的过程中做出了巨大的贡献,但是需要注意的是,传统高压断路器仍然有着较大的缺点。目前所使用的传统高压断路器的保护定值往往只有3个档位,并且在实际的使用过程中是需要通过互感器的变化来实现保护定值的变化的,由于这样的情况,导致了使用过程中的极差十分巨大。如果世纪的情况下,线路的长度长、分支多,那么对于保护值的选择方面会遇到较大的问题,往往无法选择到最佳的保护值。同时现有的传统高压断路器的保护定值是无法较好的适应较为精细的保护功能,因此一旦对于保护功能有着更高的要求,传统高压断路器往往无法较好的进行工作。在传统断路器的操作机构方面,由于传统断路器自身的特点,操作机构的可靠程度往往不高,并且操作机构的寿命比较短,需要进行频繁的维护或更换。同时在实际的使用方面,操作机构的结构较为复杂,故障率也比较高,在动作上不够迅速和灵活,若没有经过较为完善的培训,操作人员的专业操作能力较弱,那么在实际的操作过程中很容易产生粘连的情况,导致传统断路器的使用寿命往往较短。在接地方面,传统断路器是缺少单向接地的判断功能的,因此对于一些单向接地的事故的处理方面显得无能为力,若在实际的使用过程中遇到了单向接地的事故,往往无法处理,会对电力的正常使用造成巨大的阻碍。同时传统断路器缺乏远程的通讯功能,如果出现的事故现场操作人员无法较好的进行处理,需要使用较长的时间进行等待,造成电力使用出现较大的阻碍,并且传统断路器无法实现人机交互的功能。

2 永磁真空断路器的相关概念以及特点

2.1 永磁真空断路器的概念

正是由于传统的断路器会出现各种问题,并且功能较为单一,因此目前我国开始使用永磁真空断路器来对传统断路器进行替代,并且在较短的时间内取得了较好的成果。真空断路器最初是由英美研究的,随后在日本德国等国家等到了较好的发展。我国是在1959年开始对真空断路器的相关理论进行研究,到上个世纪70年代已经开始正式的生产出各种真空断路器,并且在绝缘水平、操动机构以及真空灭弧室等各方面取得了较大的成果,同时也能够在这些方面进行创新以及改进。真空断路器有着较为优良的灭弧特性,在实际的使用过程中比较适宜频繁的操作,并且电力寿命较长,在运行的可靠性上也比较高,同时在实际的使用过程中有着较长的不检修周期,在目前我国的化工、冶金、铁道电气化、矿山以及城乡电网改造各个方面得到了较好的应用。而针对真空断路器在实际使用过程中出现的各种问题,目前我国开始在真空断路器上加装永磁机构,通过永磁机构的方式来提升真空断路器在实际使用过程中的可靠性。永磁机构是一种使用在中压真空断路器中的永磁保持,并且使用电子控制的一种电磁操作机构。相比传统断路器的弹簧机构以及电磁机构,永磁机构使用了一种全新的结构以及工作原理,在实际的工作过程中需要使用较少的运动部件就能够实现正常的工作,并且在实际的使用过程中并不需要机构的锁扣以及脱扣装置,因此在实际的使用过程中很少会出现故障,可靠性极高,因此成为了目前普遍使用的一种断路器操作机构。在近年来,永磁机构的真空开关已经越来越多的应用于变电站的10kv出线。在以往的使用过程中,我们可以发现在使用了永磁机构的真空开关后,动作过程较为简单,并且在工作过程中出现的噪声较小,如果出现了故障需要维修,维修的时间也比较短。

2.2 永磁真空断路器的特点

目前,永磁真空断路器由于其使用过程中噪声较小、维修时间短等特点,极大的减少了停电时间,并且由于永磁真空断路器自身优秀的可靠性,在实际的使用过程中难以出现停电或其他故障的情况。而对于永磁真空断路器而言,相比传统的断路器也具有较多的特点。首先在永磁真空断路器中,永磁铁和合闸控制线圈以及分闸控制线圈相结合,通过这样的形式就能够解决在合闸的过程中需要大功率能量的问题。同时永磁真空断路器的真空灭弧室的动触头是需要依靠永磁铁所产生的力,并且通过绝缘拉杆以及拐臂来保证在实际的合闸以及分闸的位置上将传统的机械锁扣方式进行取代,因此机械结构极为简化,活动部件较少,零件总数基本上能够保持在50左右,所需材料较少,不仅节能,而且生产成本较低。而对于永磁真空断路器的操动机构而言,在实际的使用过程中是不需要辅助电器以及机械锁扣的,因此再这样的前提下,机械动作在进行过程中的可靠性极高,也不需要进行维护,从而实现了维修费用节省的效果。在操动机构所需能量方面,永磁真空断路器所使用的能量源为永磁铁,永磁铁的永磁力能够保证100年左右不会消失,因此机构寿命能够保持在10万次以上,降低了噪音以及能耗,并且也提升了机械的寿命。正是由于这些优点,随着目前我国科技程度的不断提升,电力行业以及广大的电力用户对于开关设备的要求也在不断地提高,因此10kv系列的永磁真空断路器在我国已经开始作为一种优质的中压断路器开始得到了较好的使用,并且我国的相关机构也开始投入人力以及财力对永磁真空断路器进行相应的研究,由于永磁真空断路器的寿命长、可靠性高、免于维护等优势,目前永磁真空断路器有着逐步取代传统断路器的趋势。

2.3 永磁机构真空断路器的缺点

虽然永磁机构断路器能够有效地解决传统断路器结构不稳定,在使用过程中噪声大、容易出问题,并且维修时间较长,导致停电时间较长等缺陷,目前在国内外都得到了较好的应用,但是需要注意的是,永磁机构真空断路器仍然有着一定的缺点。由于永磁机构对于零件的要求极高,因此如果永磁机构真空断路器中的部件出现了质量问题,尤其是如果互感器元件出现了质量问题,很有可能造成开关动作不可靠的情况,同时如果永磁机构真空断路器的线路发生了故障后,如果无法及时的进行跳闸,也无法起到隔离故障部分的作用。同时永磁机构真空断路器还极有可能出现末端故障,出现末端故障后就很有可能会出现越级跳闸的情况。而正是由于这些问题,极易导致永磁机构真空断路器无法正常使用,甚至有可能在使用永磁机构真空断路器的过程中出现安全问题,严重影响我国电力用户的正常用电。基于这种情况,就需要研究出一种全新的方法来保护永磁机构真空断路器的末端故障,并且在保护了永磁机构真空断路器的末端故障后,防止出现越级跳闸的情况出现。

3 具有接地保护功能的组合互感器的制造及用途

3.1 具有接地保护功能的组合互感器的概念

在实际的使用电力的过程中,接地保护是极为重要的一个功能。通过接地保护的使用,就能够保证电力终端用户能够在实际的使用电力的过程中正常二安全的使用。在进行接地保护的过程中,互感器起着相当重要的作用。零序电流互感器是一种使用单相接地故障线路的零序电流值较非故障电路大的特征,在实际的用电流互感器取出零序电流信号,并且使继电器进行工作,就能够实现有选择性的发出信号或是进行跳闸。而对于电缆线路而言,电缆需要穿过零序变流器,并且需要以铁心作为圆心进行一次绕组,而二次绕组需要绕在铁芯上,并且在此过程中需要注意和电流继电器进行相应的串联。在正常的运行过程中或是出现了三项对称短路的过程中,此时是没有零序电流出现的。但是需要注意的是,当单相接地后,有接地电容的电流通过了铁心,在二次侧出现了零序电流后,继电器才能够进行工作。通过这样的分析我们可以发现,零序电流互感器主要是需要注意电缆相线以及N线都穿过铁心。

3.2 接地保护互感器的构成方法

在有过电保护的电流互感器的联结方面,主要有以下几种方式:(1)三三相三继电器的完全星形连接,通过这样的联结方式能够保证继电器的每相拥有一个电流互感器以及一个继电器。(2)两相二继电器的不完全星形联结,在这样的方式下,继电器只有两相是有电流互感器以及继电器的。(3)两相三继电器的差动联结,在这样的方式下,主要是有两个电流互感器以及三个继电器组成的,在这样的组成方式下,对于中性点不接地的系统,零序电流只能够作用于信号,但是如果中性点为接地系统,零序电流可以作用于跳闸,同时一般系统的单相短路的保护是通过使用过电流保护来进行实现的。

3.3 具有接地保护功能的组合互感器的构成及用途

在中性点方面,直接接地的变压器一般都是有接地保护的相关功能的,这一功能主要是作为母线接地故障的一种后备保护,同时也能够作为变压器以及线路接地发生了故障后的一种后备保护。在目前广泛使用的一种变压器的中性点间隙接地,是使用了零序电压继电器以及零序电流继电器进行并联的方式来进行,并且带有0.5s的时限来进行构成的,这种并联的方式统称为具有接地保护功能的组合互感器。这种互感器在实际的使用过程中,一旦系统发生了接地故障,在放电的间隙会出现零序电流,就可以使用在放电间隙接地一端的转用电流互感器的零序电流继电器进行工作,如果在放电的间隙没有出现放电的情况,可以使用零序电压继电器进行工作。如果发生了间歇性弧光接地的情况,间隙保护过程中所使用的共用时间元件不能够在中途返回,通过这样的形式就能够保证间隙接地的保护可靠动作。通过对具有接地保护功能的组合互感器的分析我们可以看出,这种组合互感器如果和目前的检测计算的二次控制技术、保护定值连续可调的二次控制技术相结合,并且通过这样的一种技术融合在永磁真空断路器的制造技术中,就能够实现一种包含了重合闸功能,并且定制连续可调技术等能够适用于终端客户的智能断路器产品。

图1

4 多功能新型10Kv柱上断路器的实现方法

随着我国经济建设以及人民生活水平的不断发展,目前我国社会中在生活以及生产上都对电力提出了更高的要求。在实际的电力使用过程中,需要保证没有停电时间或停电时间尽可能地少,同时需要保证在电力使用过程中的相关安全性。目前虽然我国已经开始普及使用永磁机构真空断路器,但是由于永磁机构真空断路器的特点,在实际的使用过程中仍然会有一定的缺点,导致无法正常使用永磁机构真空断路器。通过对具有接地保护功能的组合互感器制造和相应检测计算的二次控制技术、保护定值的连续可调的二次控制技术进行研究,我们发现可以通过这些技术和永磁真空断路器的制造技术相结合,从而实现一种具有重合闸功能、定制连续可调等多种功能的智能断路器。

4.1 多功能新型10kv柱上断路器所需使用的关键技术

为了实现有多种功能的新型10kv柱上断路器,需要保证在实际的工作过程中保证相位的控制精度。为了真正的能够保证相位的控制精度,首先需要有合理的驱动机械设计,通过这样的一种设计就能够保证在减少合分闸实践离散型以及工作过程中的温度对于机构运行时间的影响。同时也需要设计出一套智能的控制器,在实际的调试阶段,恒温状态下调整机构的驱动电压是由低到高进行一定次数的合分闸的操作,同时需要建立起供电电压下的合分闸电压-机构的运动时间的相关矩阵,通过这样的一种矩阵就能够预存在控制器中,并且在驱动电压为恒定的情况下将开关放置在恒温箱中,并且在一种规定的温度范围之内进行由低到高的一定次数的合分闸操作,同时在此过程中建立起温度-机构的时间矩阵,也需要预存在控制器中。同时需要将电压一级温度和机构的运行时间相融合。在这项工作完成后,需要注意可以对电压同步信号进行硬件滤波以及软件滤波,通过硬件滤波以及软件滤波的方式,就能够将电网中的噪音、瞬态脉冲以及谐波等干扰的相关影响进行排除,以保证电压过零点后的检测精度能够达到相关的要求,最后需要在系统中每次合分闸时间的测量功能结合驱动电压以及采集的温度等参数,以保证在下次合分闸运行时间的参数能够进行相应的修正以及预测。

4.2 多功能新型10kv柱上断路器所需使用的具体技术方案

对于我国目前开始普及使用的新型永磁机构真空断路器而言,永磁机构是在弹簧机构以及电磁机构的基础上克服不足并且将永磁铁应用在操动机构中的,通过这样的一种设计方法,就能够保证真空断路器在实际的工作过程中的分合闸的位置都能够通过永磁铁来进行实现,从而能够实现取代传统锁扣装置的效果。这样的一种磁力机构是一种拥有永久磁铁的合闸以及分闸线圈的,如果合闸控制线圈进行了通电,就能够帮助铁心向下进行运动,同时可以使用永磁铁的磁力作用保证在合闸的位置上。如果分闸的控制线圈进行了通电后,铁心的运动方向就会向反方向进行运动,并且在此过程中同样会由永磁铁的磁力作用保证处于另一个工作位置,即分闸位置上。可以说这种机构在控制线圈的作用之下,如果没有进行线圈的通电流工作,是可以拥有两个稳定的工作状态的,这两种稳定的工作状态为合闸状态以及分闸状态,也可以被称为双稳态的电磁机构。为了实现双稳态的电磁机构,我们需要保证在实际的断路器工作的过程中,电磁磁力线和永磁磁力线的方向是相同的,不会发生退磁的情况,可以保证在永久的情况下进行使用。在本次研究中,所使用的永磁铁材料为钕铁硼,钕铁硼磁铁具有较高的磁能积以及剩磁,同时在本次研究中所使用的静铁芯为优质的冷轧硅钢片,动铁芯使用优质高级的电工纯铁,通过这样的材料就能够保证在实际的使用过程中的词汇路有着较低的磁阻,较低的剩磁以及较高的磁通量。在永磁机构的工作原理上,如果永磁机构接到了合闸的命令,就能够通过控制器来将合闸回路进行接通,并且在此时已经储能的合闸电容就能够给合闸线圈提供电能,在这样的形式下就能够带动铁芯进行相应的运动,并且能够通过铁芯来将连杆进行驱动,指导断路器合闸,当断路器合闸到位后,就能够依靠永磁铁的磁吸力来保持在合闸的位置。同时在使用了本次研究中的多功能新型10kv柱上断路器后,无论铁芯处于合闸位置或是分闸位置,通过永磁铁的磁场功能,在铁轭中建立起的耦合,就能够保证磁场力能够集中在铁芯以及铁轭之间,从而产生一种保持机构合闸以及分闸的锁扣力。断路器的工作原理如图1所示:

而对于一体式零序接地保护方面,在本次研究中的断路器所配置有一体式的组合互感器,这种互感器能够采样线路的零序电流、零序电压以及三相电流的相关信号,通过这样的功能,就能够实现断路器具有零序电压以及零序电流的综合保护功能,能够在实际的使用过程中用于中性点不接地系统的接地故障检测。同时在分支线路出现了接地故障后,也能够对故障的线路进行迅速而准确地判断,如有必要也能够自动的各路故障线路,在此过程中并不会影响到其他线路的供电工作,并且也能够实现缩短排除故障以及巡线的时间的功能。

4.3 多功能新型10kv柱上断路器的优点

通过本次研究的新型断路器,能够保证断路器操作机构的稳定、高效以及持久,让断路器能够摆脱操作机构产生的寿命减少的情况。同时断路器的判断功能得到了提升,对于故障的处理能力相比传统断路器更加优秀。而且这种断路器的触头开距较大,能够较好地将故障电流断开,分合速度较快,不会产生粘连的额情况。而且操作线圈金会在分合闸瞬间带电,线圈不会发热以及产生故障。如果出现了接地故障也能够迅速的判断故障线路并加以解决,减少排除故障时间。

5 结语

对于电力使用而言,断路器是十分重要的,但传统断路器功能较少,排除故障时间也较长。本次研究得出了一种全新的多功能新型10kv柱上断路器,能够较好的解决传统断路器的问题,对于我国人民的正常用电以及我国经济的发展有着重要意义。

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