基于分合闸电气量的真空断路器灭弧能力在线检测研究

孙 华，王 宾

基于分合闸电气量的真空断路器灭弧能力在线检测研究

孙 华1，王 宾2

(1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；2.电力系统及大型发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京 100084)

高压真空断路器灭弧性能的退化易导致断路器触头动作过程中持续性电弧的产生，将会破坏触头表面粗糙度，导致滞后分合闸时间，严重时会引发击穿爆炸事故。因此，亟待开展高压真空断路器灭弧性能监测研究。现有对高压真空断路器灭弧性能的研究主要采用对灭弧室真空度的测量，但是存在测量周期较长、无法保证气密性等问题。通过分析灭弧室内熄弧原理，发现根据介质恢复时电弧电阻对电弧电流衰减特性的影响可以反演灭弧室内的熄弧水平。据此提取电弧电流趋势项作为灭弧能力的表征量，提出了一种仅基于电气量的高压真空断路器灭弧能力在线检测方法。该方法具有能够快速实时监测及测量手段安全的优势，现场实测数据及数字仿真验证了其有效性。

高压真空断路器；灭弧室；电弧电流；在线检测；电气量

0 引言

随着配网自动化系统的快速发展，馈线中越来越多地使用断路器作为开关设备，并且基于断路器动作延时级差配合实现对故障区段的选择性隔离[1-3]。此时一旦断路器灭弧性能不佳，无法熄灭持续性电弧，将滞后分合闸时间[4]，严重威胁配电网运行安全，因此亟待开展基于电气量的断路器灭弧能力在线检测技术研究。

现有对真空断路器灭弧室的检测方法一般采用对灭弧室内真空度的量测，分为在线检测与离线检测两类。离线检测的特点在于可以定期检查与维护，常见的主要方法有：观察法[4-5]，工频耐压法[6-8]，磁控放电法[9-10]。观察法原理为：玻璃外壳随灭弧室内真空度降低其表面颜色由于电弧燃烧及器件氧化而发生变化，在灭弧室仍具备良好真空度时其内部明亮，而当严重受损时其内部灰暗；该方法虽然简单直接，但仅限于检测玻璃钢真空灭弧室。工频耐压法的原理是固定触头两端间距后通过逐渐增大极间电压，判断能在固定时间内不被击穿认为真空度合格；该方法只能定性判断真空度上限，不适用于临界状态的灭弧室性能检测。磁控放电法通过向灭弧室施加电场和磁场，检测离子电流与真空度的关系，判断真空度的大小；然而该方法在放电后灭弧室内有气体交换过程，不能循环重复测量，导致检测过程周期时长，且存在诱发断路器接地或短路故障的风险。

为了提高供电可靠性和减少时间，常见的在线检测方法有：光电变化法[11-12]、屏蔽电位法[13-15]等。光电变换法利用电光效应，基于传感器在不同电场中的光学性能变化判别真空状态；该方法传感器元件成本高，操作复杂且工作稳定性较差。屏蔽电位法利用正常情况下，灭弧室屏蔽罩无静电荷附着，但随着真空度绝缘度的降低，屏蔽罩的直流电位将随之发生改变的原理，通过测量屏蔽罩累积电荷判别真空度；但该方法在实现屏蔽罩电气连接时无法保证灭弧室的气密性，导致测量精度较低。

针对上述问题，本文摒弃以断路器灭弧室真空度来表征断路器灭弧能力的传统做法，基于弧隙能量平衡熄弧原理，以介质恢复时电弧电阻对电弧电流衰减特性的影响来反演灭弧室内熄弧水平，提出了一种仅基于电气量的真空断路器灭弧能力在线检测方法。

1 灭弧室灭弧能力的表征

1.1 灭弧机理分析

高压真空断路器中核心部件为真空灭弧室[16]，又名真空开关管，如图1所示，主要包括气密绝缘外壳、导电回路、屏蔽系统、波纹管等部件。

其中，波纹管主要承担电极能在一定范围内运动和长期保持高真空的作用，保证真空灭弧室的剩余寿命。在真空断路器分合闸过程中，波纹管受到伸缩作用，而且波纹管内外存在气压差时，表面应力发生改变，同时，其在切合短路电流时，导电杆的余热将传递至波纹管上，高温会影响波纹管的疲劳程度。屏蔽系统能够吸收一部分电弧能量，有利于提高触头间介质恢复强度，但长时间使用后，其冷凝电弧的生成物将附着在屏蔽罩表面，将会影响其灭弧水平。可见，灭弧室的灭弧工况与温度气压密切相关。

图1 真空灭弧室结构图

为了进一步探寻灭弧室内温度气压对灭弧能力的影响，分析灭弧的机理如下。对于稳定燃烧的电弧，其输入能量与耗散能量相等[17]；一旦耗散能量大于输入能量时，电弧将逐渐趋于熄灭。单位时间单位体积下，散热形式包括三种形式：传导散热T、辐射散热S、对流散热K，电弧的能量平衡方程表达式[18]为

式中，为单位体积下电弧的输入能量。

1) 传导散热T

式中：为平均热导率；为灭弧室气体温度；0为弧柱表面温度；0为电弧轴心半径；表示距离电弧轴心半径处。由式(2)可见，当灭弧室内温度升高，温差绝对值减小，其传导散热值减小。

2) 辐射散热S

式中：为辐射散热系数，其值为由实验获取的常数；1为灭弧室内气压；2为灭弧室的大气压(pa)；m为激发粒子的高能统计值。断路器操作过程中，灭弧室中可能会发生放体、吸气、扩散、渗透、漏气等现象，由于灭弧室内外存在压力差，空气会通过细微小孔慢慢进入灭弧室引起内压上升。根据式(3)可知辐射散热表达式为温度和气压的函数，内压上升引起辐射散热降低。

3) 对流散热K

式中：为气体流动速度；为电弧直径。对流散热受气体流动速度影响较大，真空灭弧室虽然不具备SF6灭弧室中的气体吹弧功能，但其触头产生的横向磁场同样对弧道电子的扩散起到积极作用[19]。

综上可知，当灭弧室内温度较高时，意味着波纹管疲劳程度较高，不利于传导散热；气压较高时，灭弧室内外压差不利于辐射散热；灭弧室触头受损严重则不利于对流散热。可见，灭弧室内主要器件受损劣化将直接影响灭弧室内电弧的散热性。

1.2 灭弧能力的量化表征

电弧的输入能量与耗散能量平衡时维持稳定燃烧，且电弧的熄灭过程与其散热性密切相关。因此，本文接下来将从电气量角度探寻可量化表征断路器灭弧室灭弧能力的特征量，分析如下。

采用三段式电弧模型模拟灭弧室的燃弧-熄弧特性[20]，其核心Mayr电弧模型基于能量平衡理论，描述了电弧的弧隙耗散功率(散热性、熄弧特性)与电弧间隙输入功率(来自外施电源)之间的函数关系，如式(5)所示。

式中：为电弧电导；为电弧时间常数；为单位长度弧隙输入功率；0为单位长度弧隙耗散功率。

与式(1)相同，式(5)中0同样为式(2)—式(4)的和，其值受温度、气压影响。温度升高气压变大使耗散功率0减小，dd的正负号可表征电弧电阻增大或者减小的变化趋势。当耗散功率0小于输入功率时，dd0，说明电弧电阻值呈减小趋势，可见，电弧的散热性可由电弧电阻值的变化趋势来量化表示。但断路器内电弧电阻与电弧电压无法直接测量，可量测的只有测量点电压和电流，因此接下来分析量测点和断路器内部电气量之间的关系。

以断路器所在交流滤波器支路为例[21]，绘制电弧等值高频振荡回路，如图2所示。

图中：为电源内阻、线路电阻和回路损耗电阻之和；a为电弧电阻电源，由母线侧发出；分别为回路等值电感、电容，其值大小主要取决于所在交流滤波器支路；a为非线性电弧电阻。

根据基尔霍夫定律，将电阻电压值、回路等效电感电压、回路等效电容电压、动态电阻电压分别用R()L()C()Ra()表示，可列写回路电压方程：

图2 电弧电流衰减振荡回路

当断口间隙刚被击穿，电弧尚未完全燃烧，处于起弧阶段时，电弧阻值较大，有[(arc())/(2)]2＞1/()，式(6)所描述系统回路将呈现过阻尼状态，一旦电弧进入稳态燃烧阶段，电弧电阻值将明显减小，此时系统将从过阻尼状态过渡到欠阻尼状态。由于()=d/d，式(6)经拉普拉斯变换最终得电流表达式，如式(7)所示。

式中：a为稳态初始电流幅值；0为振荡频率；为衰减系数，其定义为

分析式(6)—式(9)可见，电弧电流()的衰减特性主要取决于(+a())/(2)，由于同一系统固定，可见()衰减受电弧电阻值R的直接影响，如图3所示，并且结合如图4所示实际录波数据可见[22]，仿真与实际燃弧波形在起弧时刻都有迅速起弧上升趋势，并在第一次过零后衰减呈稳态振荡状态，经皮尔逊相关系数计算后得出两组电流波形相似系数为0.886，即呈现高度相关性，证明了本文仿真结果的较高准确性。

图3 高频电弧电流

图4 实际燃弧故障录波数据

本文基于“控制论”电弧模型[23-24]，利用不同弧长模拟弧隙散热不再恒定的工况，仿真不同工况下过零时电弧电阻值的不同。记高频电弧电流第一次过零后峰值为p，对应过零时电弧阻值为p。由表1可见，随着弧隙长度的增加，电弧阻值增大会加快电弧电流的衰减。

表1 不同弧长下Rp、ip

综上，电弧电流衰减趋势项可以描述灭弧室熄弧能力，根据熄弧阻值的不同变化，归一化后电弧电流衰减趋势项的形态一般有3种，如图5所示。灭弧室性能正常时如图5(c)所示，而随着熄弧阻值的减小，电弧电流衰减趋势项将逐渐向图5(b)、5(a)劣化转变。因此，在原有采样数据基础上，有效甄别出电弧电流衰减趋势状态是后续判断灭弧室灭弧性能是否优良的关键。

图5 不同状态下电弧电流趋势项形态

2 检测方法

2.1 趋势项提取

首先是对于电弧电流趋势项的提取，本文采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)实现，EMD可以根据信号的局部尺度特征自适应地将其逐一分解为本征项和趋势项，EMD具体分解实现过程详见文献[25]，原始信号经EMD分解后可表示为

式中：c为本征项，为平稳信号，分别包含不同频段及不同时间尺度内的信号成分；r为残余分量，表示信号趋势。

对某支路断路器分闸时的电弧电流数据进行EMD分解，即可得到原始电流信号的趋势项，结果如图6所示。图6中，signal为原始信号，imf为各本征项，res.为电弧电流趋势项。

图6 EMD分解

2.2 检测原理及流程

得到电流趋势项后，本文采用均值偏移聚类算法实现对电流趋势项的检测分析。K-means聚类算法原理为：将数据集中的个体通过不断迭代直到满足相应距离函数或迭代要求后归类到不同聚类中心。本文为减小计算量，将单条趋势项用一个积分值表示，简化聚类过程，最终通过聚类后点群个数大于1时认为出现异常。

采用EMD分解得到电弧电流趋势项后，确定趋势项采样点个数，计算趋势项采样点积分值，这里引入一阶累加算法代替积分值计算。将若干计算后的积分值进行最短距离迭代计算后实现聚类，具体实现过程见文献[26]。

式中：x为积分值；C为聚类中心点值，其值在聚类过程中不断更新；为维度，本文取1。当聚类过程结束后，当出现明显一个以上聚类中心，则认为灭弧室性能出现异常，需要停电检修。

具体检测过程如图7所示。

图7 灭弧能力检测流程图

步骤1：以合闸过程为例，合闸过程中，触头未完全闭合，此时断路器所在支路开关量记为0，触头完全闭合，开关量记为1，额定负荷电流记为p。实时监测支路开关量为1前电流瞬时值，当连续三个采样值均大于p时，初步检测到电弧电流，进入步骤2，否则继续实时监测电流瞬时值。其中取值小于1，为了保证灵敏性，建议取值1/3。

步骤2：检测到大于p瞬间对应采样点为电弧电流采样初值，在之后时窗内取个采样点构成电弧电流序列a()，建议取值大于30(整个燃弧时长约为3～5 ms)，进入步骤3。

步骤3：基于式(11)对序列a()进行EMD分解，提取分解得到的res.记为电弧电流趋势项序列r，将r序列进行一阶累加计算，计算结果的最终数值存入序列(=)中，记为(1)，随后实时等待监测下次断路器合闸过程，循坏步骤1—4，直至=结束，构成检测对象序列。为了尽量减小步骤5中检测算法因小样本对聚类效果的影响，建议>15，进入步骤4。

步骤4：基于式(12)对序列进行K-means聚类，聚类过程结束后，聚类中心明显存在两个或以上时，则需要立即发出严重告警信号。

3 算法验证

3.1 现场数据验证

本文算法验证基于现场实测数据，某换流站在进行升功率操作过程中，3631交流滤波器在投入过程中零序电流保护动作跳闸，3631交流滤波器未正常投入，后台相继报出“AFP31A/B保护动作”、“FBP3A/B失灵动作”、“3631开关出口跳闸”等报文，双极直流功率调整未受影响。现场检查发现A、C相正常，B相发生一次过电压击穿事故，灭弧室未及时快速熄弧，导致拐臂断裂、瓷套爆炸。根据本文检测算法，首先将提取事故前每次分合闸的电弧电流趋势项，并进行积分值计算，结果如表2所示。

表2 A、B相断路器电弧电流趋势项积分值部分数据

再分别将A、B相数据进行聚类计算处理，其中横轴为数据个数，纵轴为积分值，结果如图8。

由图8可见，B相聚类结果存在两个聚类中心，满足本文所设故障检测阈值要求>1，因此判断该断路器灭弧室灭弧性能存在严重缺陷，现场检测发现断路器B相击穿，验证了本文所提检测方法的有效性。

3.2 仿真验证

基于PSCAD仿真软件，搭建交流滤波器用断路器三段式电弧模型，拓扑结构如图9所示。

图9 换流站滤波器支路仿真拓扑结构

其中，1、2、3为隔离或接地开关，CB表示断路器，1、2、3为电流互感器，1表示对地间隙，1表示滤波器组，其等效电容值为5.8 μf，1为电抗器，其等效电感值为0.004 1 H。其余模型相关参数可参考文献[27]，仿真结果如图10所示。

图10 电弧重燃过程

以第一次燃弧故障为例，根据灭弧能力检测流程图，采样第一次燃弧电流a进行EMD分解提取其趋势项res.，并对res.进一步做一阶累加处理，将最后的数值结果存入()中，作为()中的一个元素。累加过程如图11所示。其中，为res.样本个数。

图11 一阶累加过程

上述为完成一次()元素的计算过程，改变电弧长度实现电弧阻值的变化，重复进行15次燃弧仿真计算，最终经聚类计算后得到序列()存在两个聚类中心，检测判断该序列满足本文检测故障阈值要求>1。其中，初始设定电弧长度20 cm(取极端情况，触头合闸过程一般以20 cm[28]开始合闸)，每次仿真电弧长度减小10 mm，初次与最后一次仿真结果如图12所示。

图12 初次与终次仿真结果示意图

由图12可以明显看出，当电弧长度减小至5 cm时，燃弧持续时间延长且燃弧峰值较大，此时断路器熄弧能力较弱，存在投切时不易分合的风险。

4 结论

本文分析了影响灭弧室内电弧散热性的影响因素，并探寻可表征灭弧室灭弧能力的特征量，利用受电弧电阻值决定的电弧电流趋势项反映灭弧室灭弧性能，提出了一种仅基于电气量的断路器灭弧能力在线检测方法，并经仿真和实测数据验证了其有效性。

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Arc-quenching ability detection of a high voltage vacuum circuit breaker based on switching and closing current

SUN Hua1, WANG Bin2

(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Large-scale Generation Equipment (Department of Electrical Engineering, Tsinghua University), Beijing 100084, China)

The degradation of the arc extinguishing performance of high-voltage vacuum circuit breakers can easily lead to the generation of continuous arcs, damage to the contact surface and delay of the opening and closing time. In severe cases, a breakdown and explosion may occur. Therefore, research on monitoring the arc extinguishing performance of high voltage vacuum circuit breakers is important. Existing research methods for the arc extinguishing performance of high voltage vacuum circuit breakers consist mainly of measuring the vacuum degree of the arc extinguishing chamber, but there are problems such as long measurement period and inability to guarantee air tightness.The arc extinguishing principle in the arc extinguishing chamber is analyzed. Obtaining the arc extinguishing level in the chamber can be inverted using the influence of the arc resistance on the attenuation characteristics of the arc current when the medium is restored. Using this, the arc current trend item is extracted as the representative quantity of the arc extinguishing ability. An online detection method for the arc extinguishing ability of the high voltage vacuum circuit breaker based only on electrical quantities is proposed. This has the advantages of fast real-time monitoring and safety of measurement. The effectiveness of the method is verified by field measured data and digital simulation.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077116).

high voltage vacuum circuit breaker; vacuum interrupter; arc current; on-line inspection; electrical quantity

10.19783/j.cnki.pspc.210321

国家自然科学基金项目资助(52077116)；电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室自主课题资助(SKLD21M09)

2021-03-25；

2021-06-23

孙 华(1996—)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统故障检测；E-mail: qianyish308@163.com

王 宾(1978—)，男，通信作者，博士，副研究员，研究方向为电力系统故障检测与继电保护。E-mail: binw_ee@ mail.tsinghua.edu.cn

(编辑 葛艳娜)