SF6断路器状态监测系统在电网中的应用探究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网青海省电力公司检修公司的研究人员董杰，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，以往电力系统对SF6断路器多采用定期检修的模式来进行预检，此种模式不仅耗费大量的人力物力，而且过度的拆卸检修和频繁操作也降低了SF6断路器的运行可靠性。
随着大量传感技术、智能终端设备的应用，依托状态监测系统来实现SF6断路器的状态检修新模式，对于降低运维费用、减少停电时间及实现故障风险预控等至关重要。
本文将借鉴国内外同类系统设计思路，采用分层分布式架构来实现对全站SF6断路器的操动机构机械特性、绝缘特性、辅助设备状态等信息的采集、分析和存储功能，从而为SF6断路器状态检修模式的实现提供数据支撑。
近年来国内外针对SF6断路器状态监测系统展开了大量研究，例如美国CEI公司研制的SF6断路器监测器，能够在线测量SF6气体的压力和温度，实时计算SF6气体的密度，并且能够根据所获得的SF6断路器的气体/液体压力、操作电流及分合闸线圈的工作情况来对SF6断路器的各类潜在故障进行预测[1]；香港中华电力公司研制的分布式断路器状态在线监测系统，能够实现SF6断路器的持续状态监测。
但毋庸置疑地，现阶段我国还没有比较成熟且应用广泛的SF6断路器状态监测系统，已经应用的产品存在如下方面的突出问题：无法全面实现监测数据的存储、处理和分析等功能，从而无法为电力部门在锁定故障位置、劣化趋势判断等方面提供权威指导数据；功能架构有待完善，监测项目比较单一；对县域电网缺乏成熟的改装方案且与原站内系统无法有效融合，具有较强的信息孤岛效应[2]。为满足电力系统日益严格的运维需求，构建一套功能完善且经济性强的SF6断路器状态监测系统就迫在眉睫了。
1 SF6断路器的常见故障分析
要实现SF6断路器状态监测系统在电网中的良好应用，就必须先通过信息采集和数据分析的方式，根据SF6断路器的常见故障来推断状态监测系统需要针对性实现的故障类型、状态参数和关键部位[3]。表1为第二届GIGRE调查的断路器常见故障部分结果，由此获得高压断路器常见故障及监测项目关系图（如图1），可知机械故障和绝缘劣化等是SF6断路器的主要故障。
表1 第二届GIGRE调查的断路器常见故障部分结果
图1 高压断路器故障与监测项目关系图
2 SF6断路器状态监测系统的详细设计
2.1 SF6断路器状态监测系统的整体架构
图2 SF6断路器状态监测系统的整体硬件架构
图2为SF6断路器状态监测系统的整体硬件架构，整个系统的运行原理如下：通过加装在SF6断路器及附属设备上的各类传感器（如振动传感器、气体湿度传感器、滑阻式位移传感器、分合闸线圈精密电流互感器等），对断路器的电气寿命、绝缘性能、机械特性等状态数据进行实时采集；独立敷设的RS485总线可以将信号传递给SF6断路器状态监测子系统和辅助设备监测子系统进行数据处理，并将处理后的数据上传到状态监测屏通讯管理机进行数据汇总处理（数据存储、综合运算、比对规程设置阈值等）；基于B/S架构的监控中心对SF6断路器的各状态参数形成诊断参考结果，并上传后为电力企业的SCADA系统、状态检修管理系统、PMS系统等提供数据参考。
单台断路器的“SF6断路器状态监测系统”由SF6断路器状态监测子系统和辅助设备监测子系统等两个部分构成，功能模块包括SF6气体微水密度状态监测、操动机构机械性能状态监测、电寿命诊断、无线综合测温监测、蓄电池状态监测、SF6开关室空气质量监测、变电站边界警戒监测等七个部分。
通过将现场传感器采集的状态监测原始传感信号汇总到各个子系统，SF6断路器状态监测系统能够对SF6断路器的运行状态和功能部件性能进行直观展示，从而为SF6断路器的在线状态显示、越限阈值报警、故障诊断等功能提供数据支撑。SF6断路器状态监测子系统和辅助设备监测子系统间通过站内RS485总线来实现数据的传输[4]。
1）SF6断路器状态监测子系统的详细设计
（1）SF6气体微水密度状态监测模块的设计
通过采用ZWM型SF6气体微水密度综合检测装置，SF6气体微水密度状态监测模块可以对各气室SF6气体的相对温度、压力及温度等数据进行实时采集，然后通过计算获得标准状况下SF6气体密度和微水含量。
表2 SF6气体微水密度状态监测模块的机构
（2）操动机构机械性能状态监测模块的设计
当SF6断路器动作时，操动机构机械性能状态监测模块能够对主回路电流曲线、机械振动波形、分（合）闸线圈电压电流曲线、触头行程位移时间特性曲线、辅助触点信号灯等进行采集，然后将上述实测曲线波形与数据库中的“健康标准”波形进行比对，从而判断SF6断路器的各种状态量是否超限。
表3 操动机构机械性能状态监测模块的机构
（3）电寿命诊断模块的设计
通过采集SF6断路器累计动作次数和开关电流数据，电寿命诊断模块能够对SF6断路器主触头的电灼烧磨损量进行测算，并将SF6断路器累计动作次数与最大触头动作次数进行对比，从而对触头电气寿命进行判断[5]。当判断出触头电气寿命超限时，系统将会发出相应的警报。
表4 电寿命诊断模块的机构
2）辅助设备监测子系统的详细设计
第一，无线综合测温监测模块的设计。将感应电源式无线测温采集装置安装于SF6断路器的开关柜、链接铜排及手车开关触头等部位，从而准确反映被测面温度值。
第二，蓄电池状态监测模块的设计。通过将电流传感器和温度传感器安装在蓄电池上，能够对蓄电池的温度、电流及电压等数据进行采集。然后通过RS232/RS485将蓄电池的状态数据传输到客户端数据库中，并通过网络最终传输到后台综合监测服务器中，以便于主系统对蓄电池的状态数据进行处理。
第三，SF6开关室空气质量监测模块的设计。通过安装在SF6气体配电装置室低位区的氧量仪和入口处的SF6气体检漏仪，SF6开关室空气质量监测模块能够对SF6开关室空气质量和SF6气体含量进行实时监测，一旦发现空气中SF6气体含量超过1000PPM时就发出声光警报，同时启动强力通风装置[6]。
第四，变电站边界警戒监测模块的设计。变电站边界警戒监测模块在微机控保室、变电站围墙、SF6开关室、电缆坑道等四个地方设置防区，对周界区域人员穿越信号进行探测，一旦发现有违规进入行为就发出声光报警信号，从而极大地完善了安防管理。
2.2 SF6断路器状态监测系统数据库的设计
根据SF6断路器状态监测系统的功能需求及所采集变量的特点，系统数据管理时具有记录连贯性要求高、数据间关联运算关系复杂、数据类型较多、数据安全性较高、数据冗余度要求高等设计要求，为此本文最终选择了SQL Server 2000数据库[7]。相较于其他数据库，SQL Server 2000数据库具有Internet集成、可用性和可伸缩性、企业级数据库、易于安装及部署等特点，完全适用于本系统对后台数据库的设计要求。
表5为SF6断路器状态监测系统各库表的具体功能，表6为Realtime表的表内参数。
表5 SF6断路器状态监测系统各库表的具体功能
3 SF6断路器状态监测系统的应用效果
3.1 SF6断路器状态监测系统的应用举例
图3为SF6断路器状态监测系统的监测主界面，用户输入正确的用户名和密码后就可以进入监测主界面，此外用户可以对用户名和密码进行更改。
图4为SF6断路器状态监测系统的阈值设定对话框，在此界面上，用户可以对SF6压力阈值、SF6湿度阈值、空压机电流阈值、主回路电流阈值、空压机压力阈值、控制箱温度阈值等进行越限告警阈值设定。
图3状态监测系统的监测主界面
图4 状态监测系统的阈值设定对话框
3.2 SF6断路器状态监测系统的应用效果
已经投入运行的SF6断路器状态监测系统，有效辅助了电力企业运维人员实现对各SF6断路器的实时准确状态监测和历史数据综合分析，完整获得了断路器电寿命、灭弧介质绝缘状态、机械操动机构状态、关联部件温度、开关室有毒气体、电磁组可用性等各类状态参数，为SF6断路器状态检修模式的实现提供了技术支撑。
SF6断路器状态监测系统的使用，能够通过对SF6断路器状态参数加工整合而成的分（合）闸线圈电流波形、动触头行程和速度、储能性能、振动波纹等形象、准确分析SF6断路器操动机构机械特性变化趋势是否在合理范围，及时锁定准故障部位和准故障类型并开展针对性预控检修；能够通过对SF6断路器周边辅助设备电气性能和边界环境安全的在线监测，杜绝绝大多数可能干扰断路器安全稳定运行的不良因素；能够通过对SF6气体微水密度的监测，及时发现气体泄漏趋势和气体干燥器失效隐患，并准确锁定密封劣化部位。
4 结论
作为电力系统的重要组成部分，SF6断路器在电网中发挥着控制和保护的作用，虽然一台SF6断路器自身的价格并不高，但当SF6断路器发生故障时，则可能引发巨大的经济损失及人员伤亡，为此确保SF6断路器的可靠运行对于重新配置电网能力具有十分重要的现实意义。
利用在线监测技术来对SF6断路器的运行参数进行实时且长期的监测，不仅能够使运行人员准确了解SF6断路器的当前运行状态，而且还能够使运行人员对SF6断路器各种运行参数的变化趋势进行研判，从而实现SF6断路器故障的预知性研判，为降低SF6断路器的维修保养费用、提高SF6断路器的利用率奠定基础。