SF6断路器状态监测系统在电网中的应用探究

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。