一种基于电荷反演的高压断路器寿命预测方法、装置与流程

本发明涉及高压断路器状态监测与寿命评估，尤其涉及一种基于电荷反演的高压断路器寿命预测方法、装置。

背景技术：

1、气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear，gis）是一种采用高于大气压的sf6气体作为绝缘介质的金属封闭式开关设备，其内部集成有断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线和出线终端等电气元件，全部封闭于接地的金属外壳中。其中，断路器作为gis的核心控制与保护元件，是电力系统中唯一能够关合和开断负荷电流、额定电流及故障电流的关键设备，其运行状态的优劣直接关系到整个电力系统的稳定性与供电可靠性。随着电网设备运行年限的增长，断路器因长期承受电气、机械和热应力作用，其内部触头、绝缘件等关键部件将逐渐发生性能退化，最终可能导致开断失败或绝缘击穿等严重事故。因此，对gis中断路器的剩余寿命进行准确评估，科学确定检修与更换的最佳时机，对于保障电网安全运行和提升设备资产经济效益具有重要的工程意义。

2、长期以来，本领域对断路器剩余寿命的评估主要依赖两种技术路径。其一为基于电气特征监测的评估方法，通过分析断路器开断过程中的暂态电压、电流波形，提取燃弧时间、电弧能量等特征参量，并结合电寿命曲线或累计损伤理论对触头电磨损程度进行估算。其二为基于机械性能监测的评估方法，通过对操作机构的合分闸次数、弹簧疲劳程度、操动时间等机械参数的统计分析，结合weibull分布等可靠性模型来推断断路器的机械剩余寿命。

3、上述现有技术方案虽然在一定程度上实现了对断路器寿命的评估，但仍存在以下明显缺陷：第一，评估维度不完整，现有方法仅依赖电气试验参数和机械性能参数两类信息，未能将绝缘件等关键部件的物化性能退化纳入评估体系。在实际运行中，断路器内部绝缘件（如盆式绝缘子、绝缘拉杆等）长期承受电场、热场和机械应力的协同作用，其介质极化能力、表面电荷陷阱分布、介质均匀性等物化属性会逐步劣化，然而在设备运行前期或隐性老化阶段，电气参数和机械参数往往尚未表现出明显异常，现有评估手段无法有效识别此类微观退化过程，导致预警滞后。第二，缺乏对绝缘老化特征的非侵入式在线感知手段，传统绝缘状态评估依赖于停电预防性试验（如介质损耗测试、局部放电检测等），不仅需要设备停役，而且无法实时反映运行工况下的真实老化状态。第三，部分基于机器学习的评估方法虽具有较高的拟合精度，但其模型内部机制缺乏物理可解释性，且信号处理与模型计算过程复杂，对硬件算力要求较高，在实际工程现场推广应用时受到限制。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明实施例提供了一种基于电荷反演的高压断路器寿命预测方法、装置，通过融合电气参数、机械参数以及基于表面电荷反演获取的绝缘物化参数，实现了对高压断路器剩余寿命的多维度在线综合评估，提升了评估的全面性与准确性。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于电荷反演的高压断路器寿命预测方法，该方法包括：采集高压断路器在运行状态下的电气参数、机械参数和绝缘物化参数；其中，电气参数包括通过电压传感器和电流传感器获取的实时开断电压与电流；机械参数包括断路器的操作次数；绝缘物化参数包括通过非接触式探头获取的断路器内部绝缘件表面的多点电势值和通过介质损耗试验仪获取的介质损耗角正切值；

3、基于电气参数，计算第一特征参量，第一特征参量包括累计燃弧时间、单次电弧能量和触头磨损量；基于绝缘物化参数，采用表面电荷反演算法处理绝缘件表面的多点电势值，以获取第二特征参量，第二特征参量包括绝缘件表面的电荷密度分布和电荷密度分布的消散速率；

4、对第一特征参量和第二特征参量进行归一化处理，形成归一化评估向量；将归一化评估向量输入至预先构建的基于模糊逻辑的多参数寿命评估模型，由多参数寿命评估模型根据预设的隶属度函数和权重分配规则输出表征高压断路器剩余寿命的评估结果。

5、在一种可能的实施方式中，该方法由信息管理模块、计算模块、数据处理模块和寿命评估模块协同实现；

6、信息管理模块用于采集并存储电气参数、机械参数和绝缘物化参数；

7、计算模块用于基于电气参数计算第一特征参量，以及基于绝缘物化参数采用表面电荷反演算法获取第二特征参量；

8、数据处理模块用于对第一特征参量和第二特征参量进行归一化处理，形成归一化评估向量；

9、寿命评估模块内置基于模糊逻辑的多参数寿命评估模型，用于接收归一化评估向量并输出评估结果。

10、在一种可能的实施方式中，基于电气参数，计算第一特征参量，包括：

11、通过将开断过程中的实际电流与额定电流进行最小二乘法拟合，获取电流畸变量；当电流畸变量超过第一预设阈值时，判定为起弧时刻；当电流畸变量低于第二预设阈值时，判定为熄弧时刻；

12、根据起弧时刻和熄弧时刻计算单次燃弧时间，并对历次开断过程的燃弧时间进行累加，获得累计燃弧时间；

13、在单次燃弧时间内，对电弧电压和电弧电流进行积分，获得单次电弧能量；

14、将单次电弧能量与预设的断路器比例系数相乘，获得单次触头磨损量，并对历次开断过程的触头磨损量进行累加，获得触头磨损量。

15、在一种可能的实施方式中，采用表面电荷反演算法处理绝缘件表面的多点电势值，以获取第二特征参量，包括：

16、将绝缘件表面剖分为多个网格单元，基于静电场有限元仿真模型，计算单位面电荷密度作用于各网格单元时在各电势测量点处产生的电势响应，构建电势-电荷响应系数矩阵；

17、根据多点电势值和电势-电荷响应系数矩阵，采用tikhonov正则化方法求解绝缘件表面的电荷密度分布；

18、将电荷密度分布作为面电荷源项重新输入至静电场有限元仿真模型，计算各测点的电势仿真值，并与实测电势值进行误差比较，当误差满足预设条件时，输出电荷密度分布。

19、在一种可能的实施方式中，计算电荷密度分布的消散速率，包括：

20、对于每个网格单元，获取起弧时刻对应的第一表面电荷密度和熄弧时刻对应的第二表面电荷密度；

21、计算第二表面电荷密度与第一表面电荷密度的差值的绝对值，并将差值的绝对值除以起弧时刻与熄弧时刻之间的时间间隔，得到该网格单元对应的消散速率。

22、在一种可能的实施方式中，归一化处理通过以下公式计算：

23、

24、其中，为归一化后的特征参量值，为原始特征参量值，为对应特征参量数据集中的最大值，为对应特征参量数据集中的最小值。

25、在一种可能的实施方式中，多参数寿命评估模型根据预设的隶属度函数和权重分配规则输出表征高压断路器剩余寿命的评估结果，包括：

26、将归一化评估向量中的各特征参量分别输入至预设的三角隶属度函数，计算各特征参量对不同评估等级的隶属度，评估等级包括严重、异常、轻微、注意和正常；

27、将电气参数对应的特征参量划分为第一子集，将机械参数对应的特征参量划分为第二子集，将绝缘物化参数对应的特征参量划分为第三子集；分别对第一子集、第二子集和第三子集内的各特征参量赋予第一权重，进行初级模糊综合评判，获得各子集的初级评判结果；

28、对第一子集、第二子集和第三子集赋予第二权重，结合初级评判结果进行二级模糊综合评判，得到最终隶属度向量；

29、根据最大隶属度原则，将最终隶属度向量中最大值对应的评估等级作为断路器的健康状态评估结果，并根据预设的等级与剩余寿命映射关系输出剩余寿命的评估结果。

30、第二方面，本发明实施例提供了一种基于电荷反演的高压断路器寿命预测装置，该装置包括：采集模块、计算模块、归一化模块，其中：

31、采集模块，用于采集高压断路器在运行状态下的电气参数、机械参数和绝缘物化参数；其中，电气参数包括通过电压传感器和电流传感器获取的实时开断电压与电流；机械参数包括断路器的操作次数；绝缘物化参数包括通过非接触式探头获取的断路器内部绝缘件表面的多点电势值和通过介质损耗试验仪获取的介质损耗角正切值；

32、计算模块，用于基于电气参数，计算第一特征参量，第一特征参量包括累计燃弧时间、单次电弧能量和触头磨损量；基于绝缘物化参数，采用表面电荷反演算法处理绝缘件表面的多点电势值，以获取第二特征参量，第二特征参量包括绝缘件表面的电荷密度分布和电荷密度分布的消散速率；

33、归一化模块，用于对第一特征参量和第二特征参量进行归一化处理，形成归一化评估向量；将归一化评估向量输入至预先构建的基于模糊逻辑的多参数寿命评估模型，由多参数寿命评估模型根据预设的隶属度函数和权重分配规则输出表征高压断路器剩余寿命的评估结果。

34、第三方面，本发明实施例提供一种计算机存储介质，计算机存储介质存储有多条指令，指令适于由处理器加载并执行上述的方法的步骤。

35、第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序适于由处理器加载并执行上述的方法的步骤。

36、本发明一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：将传统电气、机械监测参数与基于表面电荷反演技术获取的绝缘物化参数相结合，首次构建了涵盖电-机-物化三维信息的在线寿命评估框架。其中，表面电荷反演算法解决了绝缘件表面电荷分布无法直接测量的难题，以非接触方式提取反映介质极化恢复能力的电荷消散速率，弥补了现有技术对绝缘早期隐性老化感知不足的缺陷；多参数模糊评估模型则将不同量纲、不同物理域的参量统一纳入综合评判，避免了单一参量评估的片面性。本发明通过上述设置，实现了对高压断路器剩余寿命的在线、非侵入式、多维度综合评估，有效提升了评估的全面性和准确性，解决了现有技术中评估维度单一、早期老化识别困难、需停电拆解设备等技术问题，具备显著的技术进步和工程实用价值。