CN1331174C - 断路器开断燃弧时间的检测方法 - Google Patents

Abstract

断路器开断燃弧时间的检测方法，属于高压开关设备、封闭式组合电器(GIS)、预装式变电站等高压电器设备领域，利用系统发生故障后到断路器操动机构分闸线圈带电为止这段时间的三相电流录波信号，在进行三倍工频低通滤波后进行数据拟合，预测分闸线圈带电后的电流变化情况，然后与实际电流值相比较分别求出三相触头始分时间点，而以线路中电流小于某一值的时间点为标志分别求出三相开断电流的熄弧点。具有不需要附加其它设备，只需利用对断路器前后开断三相电压电流的录波数据，就可以实现对断路器开断燃弧时间的在线检测等优点。

Description

断路器开断燃弧时间的检测方法

技术领域

断路器开断燃弧时间的检测方法，属于电力系统高压电器设备的检测领域，尤其适用于电力系统中的高压开关设备、封闭式组合电器及预装式变电站等高压电器设备中的高压断路器的开断燃弧时间的的检测。

背景技术

高压断路器指的是3kV以上的电力系统中使用的断路器，它是电力系统中最重要的控制和保护设备。目前电力系统中应用的高压断路器品种型号多样、数量大、发展快、操作频繁。在中低压电力系统中多采用真空断路器，而高压电力系统则大多为SF₆断路器。

电力系统发生故障后，要求继电保护系统尽快动作，断路器开断越快越好。这样可以缩短电力系统故障存在的时间，减轻短路电流对电力设备造成的危害。更重要的是，在超高压电力系统中，缩短断路器开断短路故障的时间可以增加电力系统的稳定性，从而保证输电线路的输送容量。因此可靠地开断短路故障是高压断路器主要的也是最困难地任务。

开断时间是标志断路器开断过程快慢的重要参数，是对断路器进行监测和诊断的重要内容。开断时间指的是断路器接到分闸指令瞬间起到所有各相中电弧最终熄灭的时间间隔。开断时间分为分闸时间和燃弧时间，分闸时间为断路器接到分闸指令瞬间起到所有相中弧触头分离瞬间的时间间隔。燃弧时间则为某相中首先起弧瞬间起到各相中电弧最终熄灭的时间间隔。精确的燃弧时间不但可以帮助我们对断路器触头的寿命进行预测，而且其变化趋势同样反映断路器的操动机构的性能变化。然而燃弧时间随开断电流的不同而显著变化，因此准确的测量开断短路电流时的起弧时间比较困难。

利用高压断路器开断时产生的高频电磁辐射所产生的空间磁场信号和利用分闸线圈的电流波形的特征都可以在线测定开断电流时的起弧时刻。但是前者只能准确的测定首开相的起弧时刻，而后者则没有考虑传动耗时，所以误差较大。经《中国专利》检索目前尚未发现能够准确在线测量断路器开断燃弧时间的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种不需要附加其它设备，只需利用对断路器前后开断三相电压电流的录波数据，就可以实现对断路器开断燃弧时间的在线检测的断路器开断燃弧时间的检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该断路器开断燃弧时间的检测方法，利用暂态电流：

1.1以保护装置发跳闸命令的时刻为基准，取其前起系统发生故障时刻和其后至断路器完全开断时刻之间的三相电流录波，

1.2对三相电流录波数据分别进行三倍频的低通滤波，

1.3分别取断路器操动机构分闸线圈带电瞬间前的三相电流，使用最小二乘法进行数据拟和，求出其解析表达式：

$Q=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[y_k-\left(\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{x}_k^i\right)]}^2$

1.4利用电流的解析表达式，分别预测断路器操动机构分闸线圈带电瞬间后的三相电流变化趋势。

1.5将预测的电流数据与实际数据进行比较，分别确定三相燃弧初始点，当电流录波某点之后的所有数据都近似于零，可分别确定三相的熄弧点。

暂态电流法是利用系统发生故障后到断路器操动机构分闸线圈带电为止这段时间的三相电流录波信号，其基本判据是判断预测值与实际值之差是否超过所设定的阈值。在进行三倍工频低通滤波后进行数据拟合，预测分闸线圈带电后的电流变化情况，然后与实际电流值相比较分别求出三相触头始分时间点。而以线路中电流小于某一值的时间点为标志分别求出三相开断电流的熄弧点。

暂态电流预测值与实际值相减，当其绝对值大于某个阈值时，可认为此点为触头始分点。若暂态电流的实际值在某点之后都近似于零时，可认为此点为熄弧点。首开相的触头始分点与最后的熄弧点之间的时间差，即为燃弧时间。

断路器开断时，燃弧时间初始点按照下述方法确定：

分别将三相电流的预测值与实际值做差，取绝对值，如果某点之后的差都大于某个阈值，那么该点即为燃弧初始点，阈值一般取电流稳态峰值的10％以下，将首开相的燃弧初始点确定为燃弧时间初始点。

断路器开断燃弧时间按照下述方法确定：

电流录波某点之后的所有数据都近似于零，其阈值一般取为1A以下，可分别确定为熄弧时间点，将末开相熄弧时间点确定为燃弧时间的终点，燃弧时间初始点与末开相熄弧时间点做差，即为燃弧时间。

本发明基于断路器开断前后的暂态电压电流的特征，还可采用暂态阻抗法，暂态阻抗法是利用断路器操动机构分闸线圈带电前的部分电阻数据，进行数据拟合预测其后的电阻值，利用预测值与实际值之间的差来判断始分点。断路器开断前后的阻抗数据是利用解微分方程法求解得出的。求解之前电压电流数据必须经过三倍工频低通滤波。电阻的预测值与实际值相减，当其值大于某个阈值时，可认为此点为触头

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：不需要附加其它设备，只需利用对断路器开断前后电压电流的录波数据，就可以实现对断路器开断燃弧时间的在线检测，且同时具有快速、可靠、成本低、经济性好等优点。

附图说明

图1：断路器开断时间示意图；

图2：暂态电流法原理示意图；

图3：暂态阻抗法原理示意图；

图4：正常的线路电流波形；

图5：开断相角为60°电流与拟合波形比较图；

图6：开断相角为80°电流与拟合波形比较图；

图7：开断相角为30°的电流与拟合波形比较图。

具体实施方式

图1-7为本发明的最佳实施例，具体通过以下步骤来实现：

如图1所示：开断时间分为分闸时间和燃弧时间，分闸时间为断路器接到分闸指令瞬间起到所有相中弧触头分离瞬间的时间间隔。燃弧时间则为某相中首先起弧瞬间起到各相中电弧最终熄灭的时间间隔。精确的燃弧时间不但可以帮助我们对断路器触头的寿命进行预测，而且其变化趋势同样反映断路器的操动机构的性能变化。然而燃弧时间随开断电流的不同而显著变化，因此准确的测量开断短路电流时的起弧时间并不容易。

如图2所示：暂态电流法是利用系统发生故障后到断路器操动机构分闸线圈带电为止这段时间的电流录波信号，在进行三倍工频低通滤波后进行数据拟合，预测分闸线圈带电后的电流变化情况，然后与实际电流值相比较求出触头始分时间点。而开断完成的时间点即熄弧点则以线路中电流小于某一值的时间点为标志。

如图3所示：电阻的预测值与实际值相减，当其值大于某个阈值时，可认为此点为触头始分点。开断完成的时间点即熄弧点以线路中电流小于某一值的时间点为标志。

检测步骤如下：

图4：正常的线路电流波形。

1)当电力系统发生故障时，应当对断路器跳闸前后的暂态电压电流进行故障录波。

如图5-7中的实线波形分别为其中一相的开断相角为60°、80°、30°的开断电流波形。

2)对故障录波数据进行三倍工频滤波，并利用微分方程法求取开断前后的电阻变化数据。如图5-7中的虚线所示。

3)确定断路器分闸线圈的带电时刻，并对其前起故障发生时的暂态电流电阻利用最小二乘法进行数据拟合，并预测其后的暂态电流电阻值。

假设从故障发生到断路器分闸线圈带电时有N个采样数据，我们使用最小二乘法对这N个数据进行数据拟合，解析式是：

$Q=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[y_k-\left(\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{x}_k^i\right)]}^2$

式中，Q代表整个表达式的极值；k代表抽样时刻，取值为1，2，…，N；y_k代表实际录波电流采样值；x_k代表抽样时刻；M一般取为5；a_i为待求值。

在确定出系数a_i后，可以将断路器分闸线圈带电到断路器完全开断后的时间内的p个预测值求出来。

4)分别将预测值与实际值做差，如果某点之后的差都大于某个阈值，那么该点即为触头始分点。阈值一般取电流稳态峰值的10％左右，最好10％以下；

若为暂态电流，则取绝对值，其阈值一般取电流稳态峰值的10％左右，最好10％以下；

若为电阻，则直接做差，其阈值一般取回路电阻值的10％左右，最好10％以下。

5)若暂态电流值在某点之后都近似与零时，其阈值一般取为1A以下，可认为此点为熄弧点。在求出该相的熄弧点之后，其与该相燃弧初始点之间的时间差即为燃弧时间。

Claims (5)

1、断路器开断燃弧时间的检测方法，其特征在于，利用暂态电流：

以保护装置发跳闸命令的时刻为基准，取其前起系统发生故障时刻和其后至断路器完全开断时刻之间的三相电流录波，

对三相电流录波数据分别进行三倍频的低通滤波，

分别取断路器操动机构分闸线圈带电瞬间前的三相电流，使用最小二乘法进行数据拟和，求出其解析表达式：

$Q=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[y_k-\left(\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{x}_k^i\right){]}^2$

式中，Q代表整个表达式的极值；k代表抽样时刻，取值为1，2，…，N；y_k代表实际录波电流采样值；x_k代表抽样时刻；a_i为待求值，

利用电流的解析表达式，分别预测断路器操动机构分闸线圈带电瞬间后的三相电流变化趋势，

将预测的电流数据与实际数据进行比较，分别确定三相燃弧初始点，当电流录波某点之后的所有数据域值取为1A以下时，可分别确定三相的熄弧点。

2、根据权利要求1所述的断路器开断燃弧时间的检测方法，其特征在于，断路器开断时，燃弧时间初始点按照下述方法确定：

分别将三相电流的预测值与实际值做差，取绝对值，如果某点之后的差都大于某个阈值，确定该点为燃弧初始点，阈值取电流稳态峰值的10％以下，将首开相的燃弧初始点确定为燃弧时间初始点。

3.根据权利要求2所述的断路器开断燃弧时间的检测方法，其特征在于，断路器开断燃弧时间按照下述方法确定：

电流录波某点之后的所有数据域值取为1A以下，可分别确定为熄弧时间点，将末开相熄弧时间点确定为燃弧时间的终点，燃弧时间初始点与末开相熄弧时间点做差，即为燃弧时间。

4、根据权利要求1所述的断路器开断燃弧时间的检测方法，其特征在于：利用暂态电压和电流录波数据进行三倍频的低通滤波，然后使用解微分方程算法分别求取三相阻抗。

5、根据权利要求4所述的断路器开断燃弧时间的检测方法，其特征在于：将三相预测电阻值与实际电阻值做差，其阈值取回路电阻值的10％以下，将首开相的燃弧初始点确定为燃弧时间初始点。

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