中壓真空斷路器狀態(tài)的雷達圖法評估模型
電力設備健康狀態(tài)的全面在線(xiàn)評估是平衡經(jīng)濟性和可靠性的最佳策略。建立中壓真空斷路器的評估模型：通過(guò)分析斷路器各主要組成部分的故障特征，構建健康性能評估指標集；定義完好度概念，進(jìn)行指標的歸一化處理；剖析指標的耦合關(guān)系，采用層次分析法確定指標權重；引入熵值法，量化指標劣化的非同步性；建立一種基于雷達圖法的圖形化狀態(tài)評估方法，并在定量計算中引入參考樣本和指標不平衡值，特別是參考樣本區間的設計納入指標的劣化速度特征，確保了劣化預警的充裕性和及時(shí)性。10 kV 真空斷路安全狀態(tài)評估表明，該模型簡(jiǎn)單、直觀(guān)、實(shí)用性強。
解除管制的電力市場(chǎng)環(huán)境使電力公司競爭愈加激烈，“降低電價(jià)，提高服務(wù)質(zhì)量”成為其工作的核心。供電設備狀態(tài)評估可避免設備盲目定期維護和定時(shí)報廢、延長(cháng)維護間隔及使用壽命，特別是能夠實(shí)現設備早期安全預警，是平衡經(jīng)濟性和可靠性、確保社會(huì )福利最大化的最佳策略。中壓真空斷路器作為配電網(wǎng)絡(luò )中重要的控制和保護設備，其健康狀態(tài)評估研究在各國相繼展開(kāi)。
電力設備健康狀態(tài)評估包括評估指標體系和評估方法。目前斷路器評估指標體系分為2 大類(lèi)：
1)基于振動(dòng)信號、跳閘線(xiàn)圈電流等單一參量的多個(gè)特征值或特征時(shí)刻的評估方法，如文獻[通過(guò)小波包分解重構、短時(shí)能量法并選用漢明窗來(lái)提取振動(dòng)信號的時(shí)域和頻域特征值，以振動(dòng)信號的2 個(gè)特征值來(lái)判別動(dòng)作是否正常。文獻采用跳閘過(guò)程中反映典型機械動(dòng)作事件的線(xiàn)圈電流持續時(shí)間來(lái)描述斷路器動(dòng)作信息和動(dòng)作準確性。單一參量指標物理意義明確但反映的信息有限，主要用于斷路器常見(jiàn)機械、控制回路故障判別。
2)為對斷路器狀態(tài)進(jìn)行全面評估，文獻采用了包括機械特性、電氣特性、絕緣介質(zhì)、工作環(huán)境等5 大部分數十種型式試驗指標集的評估方法。型式試驗指標集雖然全面卻存在某些指標在線(xiàn)不可測問(wèn)題，通常適用于斷路器離線(xiàn)狀態(tài)評估�，F有的斷路器評估方法主要基于智能算法、模糊理論、可拓物元法、概率統計理論。
智能算法需要大量的歷史數據作為訓練樣本，CPU 占用率長(cháng)期高達100%，影響系統的實(shí)時(shí)性和穩定性。模糊理論和概率統計理論等均為數據融合技術(shù)支持下的評估方法，在一定程度上解決了斷路器狀態(tài)評估問(wèn)題，但屬于數值定量評估法，存在抽象、無(wú)法形象地將多維預警數據和預警結果表示出來(lái)的缺點(diǎn)。
為此，本文提出了一種基于雷達圖的圖形化評估模型。而且特別需要指出的是目前狀態(tài)評估研究都沒(méi)有考慮特征參量發(fā)展不平衡對評估結果的影響，文獻通過(guò)潮流熵解釋了電網(wǎng)在平均負載率較低時(shí)由于線(xiàn)路潮流分布的高度不均衡而進(jìn)入自組織臨界態(tài)，從而驗證了狀態(tài)評估必須考慮特征參量的不平衡度。
為全面、直觀(guān)地對中壓真空斷路器的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，本文論述表征斷路器健康狀態(tài)的研究成果，并兼顧全面、可測原則建立了狀態(tài)評估指標體系；介紹指標處理中的3 個(gè)重要環(huán)節，特別是引入熵值定量計算指標的不平衡度；最后針對目前評估方法過(guò)于抽象的缺點(diǎn)，結合雷達圖思想，建立了一種圖形與數值相結合的多指標綜合評價(jià)方法，將多維評估數據和評估結果形象地表示出來(lái)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為該方法特別適用于特征參量數量適中(5 個(gè)以下)，需要實(shí)時(shí)監控與預警的電力設備的狀態(tài)評估。
1、中壓真空斷路器性能指標體系
斷路器健康狀態(tài)評估，首先需要明確斷路器各組成部分的故障特性，這些特征可通過(guò)一系列指標描述。指標選取時(shí)應遵循3 個(gè)基本原則：獨立性，即確保指標數量盡可能少；可測性，是在線(xiàn)評估的必要條件；全面性，指標能夠囊括當前已發(fā)現故障。中壓真空斷路器操作機構失靈、導電觸頭燒蝕、滅弧室真空度劣化、隔離觸頭接觸不良是各類(lèi)重大事故的誘因，相關(guān)的故障特征量包括：
1)跳合閘線(xiàn)圈電流(trip coil current，TCC)。
快速切斷故障電流是斷路器的首要任務(wù)和可靠性體現，電流切斷過(guò)程[3]由控制線(xiàn)圈得電、電磁鐵移動(dòng)、電磁鐵到達并碰撞彈簧鎖、電磁鐵在緩沖器作用下停止、彈簧解鎖、主觸點(diǎn)斷開(kāi)、輔助觸點(diǎn)斷開(kāi)、電磁鐵失電回到起始位置等一系列事件構成。電磁線(xiàn)圈中的電流也隨著(zhù)電磁運動(dòng)過(guò)程中感應電動(dòng)勢的變化而變化，而且性能完好的斷路器其線(xiàn)圈電流變化趨勢具有一致性。通過(guò)檢測跳閘過(guò)程中45 個(gè)關(guān)鍵事件的時(shí)間，可了解二次控制回路、鐵心卡滯、主輔觸點(diǎn)等操作機構的情況，為斷路器健康狀態(tài)監測提供依據。
2)振動(dòng)信號(vibration signal，VS)。
斷路器是一種瞬動(dòng)式機械，其分合過(guò)程伴隨著(zhù)不同撞擊事件，這些沖擊振動(dòng)波形呈上升和衰減過(guò)程，可通過(guò)振動(dòng)信號出現的時(shí)間及幅值事件、小波變換、經(jīng)驗模態(tài)分解[17]的方法獲取特征量。大量實(shí)驗表明，同類(lèi)型斷路器在健康狀態(tài)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號相似，這為通過(guò)比較同種類(lèi)型不同斷路器振動(dòng)信號來(lái)判別狀態(tài)優(yōu)劣提供了依據。文獻采用基于歐氏距離的辨識比來(lái)表征斷路器的相似性，分辨斷路器機械故障的正常和異常狀態(tài)。振動(dòng)信號具有更寬的機械故障評估范圍，除控制單元和傳動(dòng)機構以外，還包括螺絲松動(dòng)、緩沖失效及三相同期性。
3)電壽命(electrical endurance，EE)。
電壽命是真空斷路器電氣開(kāi)斷能力的表征，影響電壽命的主要因素是導電觸頭的電磨損，而電磨損又與切斷故障點(diǎn)故障電流的幅值和開(kāi)斷次數有關(guān)，故障電流大小和次數的隨機性使電壽命成為影響斷路器使用壽命的最不穩定因素。隨著(zhù)配電系統容量的不斷增加，故障電流的幅值也越來(lái)越大，必須對其進(jìn)行在線(xiàn)監測與評估，電壽命的耗盡意味著(zhù)斷路器服役的終止。文獻推導了用于狀態(tài)評估的真空斷路器剩余壽命計算式，文獻根據變壓器出口總電流及電力公司信息系統確定計算式中開(kāi)斷電流，克服了用電流互感器測量短路電流存在的磁飽和問(wèn)題，為在線(xiàn)評估全面推廣奠定基礎。
4)真空度(vacuum density，VD)。
真空滅弧室作為真空斷路器的核心部件，真空度，即真空壓強直接影響著(zhù)其絕緣與開(kāi)斷性能。真空滅弧室受制造工藝限制，特別是工作時(shí)觸頭材料的放氣與吸氣，使得真空度隨時(shí)間增加而降低，低于一定值時(shí)，真空滅弧室將失去電氣性能，從而引發(fā)爆炸事故。文獻采用內置式雙波紋管檢測技術(shù)，利用外界壓力和真空室自閉力平衡原理，實(shí)現了真空度的在線(xiàn)測量,適用于更換了新型滅弧室的斷路器；文獻提供了一種通用的真空度在線(xiàn)檢測方法。
5)隔離觸頭溫度(contact temperature，T)。
隔離觸頭因壓力不夠、接觸面不平、觸頭氧化等原因，觸頭常過(guò)熱，而高溫將造成金屬材料的機械強度下降、母線(xiàn)變形熔化、絕緣材料壽命降低，最終將導致絕緣擊穿，引發(fā)事故。文獻給出了高壓開(kāi)關(guān)柜內隔離觸頭的測溫方案。
從上述分析可以看出：斷路器狀態(tài)的劣化必然伴隨著(zhù)指標值的變化，根據擬定的指標篩選原則，本文選用振動(dòng)信號(IVS)、電壽命(IEE)、真空度(IVD)和隔離觸頭溫度(IT)4 個(gè)指標值來(lái)綜合評估真空斷路器的健康狀態(tài)。指標體系可進(jìn)一步設計成開(kāi)放的，便于新的故障模式下增加相應特征參量。
5、結論
基于 IVS、IVD、IEE、IT 表征中壓真空斷路器健康狀態(tài)的指標集，建立了一種定性與定量相結合的斷路器狀態(tài)評估模型。10 kV 真空斷路器的監測與評估結果表明：本文所建指標體系合理，能夠囊括所有部件的故障特征；所定義的完好度函數，不僅使各項指標在時(shí)間和空間維度上具有可比性，而且使監測指標值均以較高的概率落在評估軸上；采用APH 和熵值法確定指標權重及不平衡度，實(shí)現了重要指標預警的及時(shí)性并易于發(fā)現單項指標加速劣化的趨勢；兼顧指標劣化特征的參考樣本區間設計，確保了預警的充裕性；引入的紅、橙、黃、綠狀態(tài)評估參考樣本，可以確定斷路器不同時(shí)段及不同型號斷路器的優(yōu)劣特性，有助于優(yōu)化維修及訂購策略；采用的雷達圖法圖形化評估過(guò)程，實(shí)現了多維數據的圖形化展示，使預警結果簡(jiǎn)明、清晰。然而，該模型若擴展到狀態(tài)維修，還需嵌入到專(zhuān)家系統，進(jìn)一步確定故障模式和故障位置，同時(shí)增加模型的自學(xué)習功能，下一步將會(huì )對其進(jìn)行完善。
