開關(guān)設(shè)備及其元器件的智能化發(fā)展趨勢

常熟中源電力設(shè)備有限公司 談月萍

1 以元器件智能化為基礎(chǔ)、開關(guān)柜操控智能化的發(fā)展

現(xiàn)代開關(guān)柜智能操控裝置應(yīng)具備溫濕度、電壓、電流、有功功率、無功功率等綜合電力參數(shù)測量及顯示功能，人體感應(yīng)柜內(nèi)照明功能等，可實(shí)現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)組網(wǎng)功能。

現(xiàn)代開關(guān)柜智能操控裝置采用單片機(jī)控制，增加了智能化功能，除可顯示開關(guān)分合狀態(tài)外，還可判斷指出開關(guān)手車是處于試驗(yàn)位置與工作位置之間，還是處于柜體之外，增加了語音防誤提示功能、數(shù)字儀表功能和過熱報警等功能?？垢蓴_能力強(qiáng)：采用獨(dú)特的抗干擾技術(shù)。高可靠性：采用工業(yè)級電子元件。壽命長：現(xiàn)代開關(guān)柜智能操控裝置設(shè)計壽命可達(dá)30年。量身定做：根據(jù)用戶不同要求，設(shè)計不同的功能組合。同時現(xiàn)代開關(guān)柜智能操控裝置外觀精致，美觀、簡化、美化了開關(guān)柜面板。其次，現(xiàn)代開關(guān)柜智能操控裝置具備溫濕度、電壓、電流、有功功率、無功功率等電力參數(shù)數(shù)字顯示，IC卡身份識別功能，用來防止走錯帶電間隔，人體感應(yīng)柜內(nèi)照明功能。結(jié)合最新的斷路器發(fā)展趨勢開發(fā)新一代的智能操作裝置等多項(xiàng)擴(kuò)展功能[1]。

主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）斷路器狀態(tài)顯示：斷路器分、合閘，應(yīng)為無源觸點(diǎn)輸入； 斷路器合閘時，斷路器常開觸點(diǎn)閉合，紅色模擬條發(fā)光；斷路器分閘時，斷路器常閉觸點(diǎn)閉合，綠色模擬條發(fā)光。

（2）斷路器位置顯示：工作位置觸點(diǎn)閉合時，顯示斷路器位于工作位置； 試驗(yàn)位置觸點(diǎn)閉合時，顯示斷路器位于試驗(yàn)位置；手車位于試驗(yàn)位置與工作位置之間時，發(fā)光管均不發(fā)光，表示手車已斷電。

（3）接地開關(guān)位置顯示：無源接點(diǎn)輸入閉合，顯示接地開關(guān)合閘；無源接點(diǎn)輸入斷開，顯示接地開關(guān)分閘。

（4）高壓帶電顯示部分： LED啟輝電壓(kV)：額定相電壓x0.15-0.65；閉鎖啟控電壓(kV)：額定相電壓x0.65；當(dāng)帶電顯示器處于無電狀態(tài)下，閉鎖才可解除。解除后，閉鎖解除綠色指示燈亮。

（5）溫濕度模擬控制功能：可帶1-2路溫濕度控制；當(dāng)環(huán)境濕度≥90%RH時啟動加熱；濕度≤75%RH時，退出加熱。當(dāng)環(huán)境溫度≥40℃時，加熱無條件退出；當(dāng)環(huán)境溫度≥50℃時，過熱報警燈亮；加熱器斷線時報警燈亮[2]。

抗電磁干擾性能符合IEC255-22的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2 現(xiàn)代傳感技術(shù)的應(yīng)用

開關(guān)設(shè)備中互感器分為電流互感器和電壓互感器。以往電力系統(tǒng)中作為測量和保護(hù)用的互感器普遍使用電磁式的，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)電壓的升高和容量的增長，某些復(fù)雜的繼電保護(hù)裝置不僅能反映短路電流的大小，還能反映相位和波形，甚至反映電流的突變率，因而使用傳統(tǒng)的電磁式互感器已不能滿足目前開關(guān)設(shè)備多功能的需要，這就對現(xiàn)代傳感器技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。隨著現(xiàn)代光纖技術(shù)的發(fā)展，基于法拉第旋光效應(yīng)的光電互感器和光電傳感器(OCT)相繼出現(xiàn)，日本Nisi-Nagoya電站目前使用的OCT結(jié)構(gòu)[3]。初級線圈環(huán)繞在套于母線的環(huán)型磁芯上，螺線管與初級線圈產(chǎn)生的磁場方向平行，法拉第傳感器沿著螺線管軸線方向安裝于螺線管內(nèi)，一個法拉第螺線管可同時連接多個帶有磁芯的線圈，該螺線管具有磁場屏蔽功能。初級線圈產(chǎn)生的電流用來形成螺線管中的磁場，而螺線管中安裝的法拉第元件作為傳感器將該電信號轉(zhuǎn)換成光信號。該類型OCT產(chǎn)品應(yīng)用于275kV變電站的故障定位監(jiān)測系統(tǒng)中，被測電流高達(dá)50kA，可在-20～+80℃的溫度范圍內(nèi)使用，精度為1.5%，可滿足故障定位系統(tǒng)要求[3]。

目前已投入使用的光學(xué)電流互感器由于測量范圍寬、絕緣簡單可靠、無磁飽和、無二次開路危險、抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、安裝運(yùn)輸方便、易于同微機(jī)保護(hù)接口等優(yōu)點(diǎn)，已在開關(guān)設(shè)備中得到應(yīng)用。

3 微機(jī)處理技術(shù)

微機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)智能化控制的前提，它是集測量、運(yùn)算、決策、控制、保護(hù)及遙控于一體的綜合化智能體系，可以安裝于開關(guān)設(shè)備內(nèi)部，直接面向一次設(shè)備或設(shè)備組合，能完成各自對象的繼電保護(hù)、實(shí)時電量監(jiān)控、狀態(tài)信息記錄及歷史記錄等功能;微機(jī)處理技術(shù)還可作為計算機(jī)分層網(wǎng)絡(luò)的終端，具有多種可選的通用網(wǎng)絡(luò)接口，便于事故分析和狀態(tài)監(jiān)視;形成微機(jī)防誤操作和安全保障系統(tǒng)，適應(yīng)變電站自動化的需要。例如，對于智能化柜來說，首先通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得監(jiān)測信息，然后利用微機(jī)處理技術(shù)對獲得的信息進(jìn)行處理、判斷與決策，其處理機(jī)構(gòu)可分為前置處理單元和后置管理單元兩部分：前置處理單元由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并與給定的報警、跳閘、操作等條件進(jìn)行比較，當(dāng)滿足動作條件時執(zhí)行動作任務(wù);后置管理單元則完成對數(shù)據(jù)的打印管理、事故記錄等。微機(jī)處理裝置必須預(yù)留通信接口，以使軟件系統(tǒng)與已在線運(yùn)行的其他軟件環(huán)境能方便地連接。

4 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)

電氣設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷是其智能化的基本手段，起源于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)代開關(guān)設(shè)備的監(jiān)測功能正日趨完善，例如：對電壓、電流、功率和功率因數(shù)、有功和無功電能、電網(wǎng)頻率以及斷路器合/分工作狀態(tài)等的檢測功能;對過電流、短路、不平衡運(yùn)行、電機(jī)啟動、接地、過電壓、欠電壓等的保護(hù)功能;對就地斷路器和遠(yuǎn)方斷路器的操作控制功能等。這些功能依靠先進(jìn)的顯示、通信手段將各單元聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)變電站的集中微機(jī)監(jiān)控。

開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的組成，它由信號變送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及處理和診斷系統(tǒng)構(gòu)成。開關(guān)設(shè)備常見的監(jiān)測內(nèi)容可歸納為絕緣性能監(jiān)測、機(jī)械性能監(jiān)測和電氣性能監(jiān)測三部分，具體包括：通過檢測開斷電流和燃弧時間這兩個影響觸頭磨損量的主要參數(shù)來判斷觸頭的電壽命，通過檢測關(guān)鍵部件的機(jī)械振動、合/分閘線圈電流和電壓的波形變化、控制回路通斷狀態(tài)以及操動機(jī)構(gòu)儲能完成狀況等信號來判斷斷路器的機(jī)械故障，近年來發(fā)展起來的采用UHF電磁波來監(jiān)測絕緣狀態(tài)，應(yīng)用感溫元件或紅外線技術(shù)來監(jiān)控載流導(dǎo)體及接觸部位溫度等。這些監(jiān)測與診斷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢修及智能化控制。

5 氣體絕緣封閉組合電器(GIS)的廣泛應(yīng)用

我們將GIS從傳統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展到智能技術(shù)的三個階段進(jìn)行了概括和比較。在傳統(tǒng)的GIS二次回路中主要采用了電磁式電器技術(shù)，各種電器功能單一，為完成復(fù)雜的功能需要大量各種不同類型的電器，同時為連接這些電器而使用了上千條硬導(dǎo)線，在GIS旁邊專門建造了控制室以便安置其龐大的控制柜，GIS殼體上的柜體僅作母線室用[1]。

在具有現(xiàn)代技術(shù)的GIS中，數(shù)字繼電器取代了傳統(tǒng)的繼電器，加上自監(jiān)視程序的采用，其可靠性得到了提高。GIS的二次回路不斷改進(jìn)，在間隔之間以及間隔與變電站控制計算機(jī)之間的通信聯(lián)絡(luò)使用了串行光纖技術(shù)，使器件數(shù)大大減少;為完成控制、保護(hù)和測量等功能所需的設(shè)備安裝在GIS殼體上的控制柜中，不再專為二次回路建造控制室。

使用光纖通信總線簡化了設(shè)備之間的聯(lián)接，并解決了電磁干擾問題，控制柜內(nèi)電子器件的自動控制和自監(jiān)視功能提高了GIS的自動化程度。

在具有智能化技術(shù)的GIS中，所有一次回路與二次回路之間的連接均通過串行光纖總線接到控制箱中，完全淘汰了傳統(tǒng)的硬導(dǎo)線連接方式。每個一次裝置(互感器)配備了稱為PISA(傳感器和執(zhí)行器處理接口)的電子接口，其主要任務(wù)有：作A/D變換、測量信號的預(yù)處理、通過總線以及經(jīng)過串接總線執(zhí)行控制和保護(hù)命令。由于采用了PISA技術(shù)，使脫扣、連鎖、電壓、電流等信號的傳遞時間大大減小，并能迅速做出控制或保護(hù)等操作的判斷，使保護(hù)和監(jiān)控更為及時、可靠。

6 結(jié)語

未來發(fā)展趨勢：（1）產(chǎn)品更加注重技術(shù)、質(zhì)量和服務(wù)，凸顯企業(yè)在品牌建設(shè)重要性。（2）回歸品質(zhì)為首，產(chǎn)品將以智能化、多元化、個性化、差異化區(qū)分。（3）產(chǎn)品更加細(xì)分使得產(chǎn)品宣傳和市場的隱形渠道備受關(guān)注[1]。

[1]許實(shí)政.中國高低壓開關(guān)柜行業(yè)市場研究報告[J].中商情報旬刊,2007(18):12-32.

[2]施耐德公司.電氣應(yīng)用手冊.2008:132-146.

[3]課題組.國內(nèi)外低壓電器發(fā)展趨勢.中商情報旬刊,2006(12):20-26.