智能高壓開關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)探討

閆站正，程麗華，張煜烽

（河南省高壓電器研究所有限公司，河南 平頂山 467000）

0 引 言

高壓開關(guān)的在線監(jiān)測可以實(shí)時不間斷監(jiān)測開關(guān)設(shè)備的主要參數(shù)，不僅可以顯示設(shè)備目前的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，而且可以全面分析所有關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)際變化情況，準(zhǔn)確判斷存在發(fā)生故障的可能性。這樣電力設(shè)備不再是定期維修而是狀態(tài)維修，使得設(shè)備有相當(dāng)長的維修周期，減少了維修費(fèi)用，確保了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，保證了供電質(zhì)量，對促進(jìn)社會和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

1 智能高壓開關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)

通常，智能高壓開關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個方面。第一，狀態(tài)可視化。在智能高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行中往往利用有關(guān)的檢測設(shè)備達(dá)到智能組件狀態(tài)可視化，以促進(jìn)信息之間的互動，提高智能電網(wǎng)運(yùn)行水平。第二，控制網(wǎng)絡(luò)化。相對于傳統(tǒng)的高壓開關(guān)來說，這種高壓開關(guān)設(shè)備有著相當(dāng)高的網(wǎng)絡(luò)控制水平，利用有關(guān)的監(jiān)視系統(tǒng)和操作系統(tǒng)完成信息分布采集，

利用驅(qū)動執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)控制功能，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的功能控制。第三，數(shù)字化測量。在智能高壓開關(guān)設(shè)備的有關(guān)參數(shù)和部件實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常使用可測量設(shè)備24 h監(jiān)測高壓設(shè)備的運(yùn)行情況，如設(shè)備的電壓信號、操作壓力等，是該類型高壓開關(guān)設(shè)備的顯著特點(diǎn)。正是因?yàn)橹悄芨邏洪_關(guān)設(shè)備具有以上特點(diǎn)，才可以為智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。

2 智能高壓開關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)分析

2.1 中置抽出柜柜中、斷路器手車觸頭位置溫升監(jiān)視

2.1.1 異常溫升的原因

溫度是一種物理量。許多設(shè)備發(fā)生故障的關(guān)鍵原因在于異常溫升。在日常運(yùn)行中，高壓電器導(dǎo)電回路長期將工作電流產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成熱能，導(dǎo)致電器材料溫度升高。一般來講，比規(guī)定范圍低。但是，若導(dǎo)電回路的接觸電阻偏高，就有可能造成電器材料溫度上升速度偏快，影響電器材料的多個方面，如機(jī)械強(qiáng)度、物理性能等。因此，有些規(guī)定明確了不同類型電器材料的適合長期工作溫度。

動觸頭與靜觸頭在高壓斷路器的手車結(jié)構(gòu)中是基本元件。當(dāng)這兩個觸頭發(fā)生接觸時，相互之間有一個接觸電阻。若此接觸電阻偏大，溫度上升會比規(guī)定值高，易導(dǎo)致兩個接觸部位迅速氧化，而氧化會增加接觸電阻，必定使發(fā)熱速度更快，不僅提高溫度，而且很有可能直接燒毀電弧。中置抽出式高壓開關(guān)柜有顯著的特征，如便于安裝、體積較小以及結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊等，最近幾年得到了普遍應(yīng)用。由于工藝不適合、彈簧材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等原因，斷路器手車觸頭處比正常范圍大，造成異常溫升而燒毀高壓斷路器手車動和靜觸頭，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)斷電，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.1.2 CG2061型高壓斷路器觸頭溫升在線測量裝置原理

CG2061型高壓斷路器觸頭溫升在線測量裝置通過將熱敏電阻傳感器埋置在動觸頭位置測量該位置溫升，并通過射頻技術(shù)向低電位端無線傳輸高電位端收集的地址信號和溫度。此裝置也可以測量抽出柜柜中濕度和溫度。裝置主要是由兩部分組成：一是處在高電位位置的高端模塊，二是處在低電位位置的低端模塊。

2.1.3 測量裝置測溫的原理

處在高電位觸頭端的模塊一主要是由信號發(fā)射部件、熱敏電阻以及接收部件等構(gòu)成，安裝于觸頭周圍[3]。因?yàn)楦邏憾税l(fā)熱點(diǎn)周圍安裝高壓端發(fā)熱點(diǎn)，當(dāng)觸壁異常溫升時，說明該模塊所處的區(qū)域是高溫條件，這時高壓端的傳感器模塊要選用軍用級標(biāo)準(zhǔn)器件，工作溫度能夠超過125 ℃。如果高電位母線通過高于50 A電流，它的輸出會提供信號發(fā)射和信號處理，出現(xiàn)在觸頭附近的熱敏電阻將該位置發(fā)出的溫度模擬量信號傳送給信號處理部件，使用適宜的微處理機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)溫度模擬量信號變成脈沖數(shù)字信號，然后通過發(fā)射部件來發(fā)射。通常，模塊一的接收部件是以接收低端模塊的地址命令和接收命令為主。

在開關(guān)柜上邊的儀表室中安裝低端模塊二。它由多個部分構(gòu)成，如報(bào)警輸出等。由接收部件接收高端模塊一發(fā)射的載波信號，通過科學(xué)處理和解調(diào)，在低端模塊二的面板上顯示被測位置的傳感器地址號和溫度值；通過微處理機(jī)芯片正確辨別是否高出提前設(shè)定的溫度門限，若被測位置的溫度值高于溫度門限，迅速發(fā)送報(bào)警觸點(diǎn)信號；利用RS485串行接口，低端模塊二接收的信息經(jīng)光纖及時傳送給數(shù)據(jù)采集終端。低電位端模塊二的監(jiān)控芯片選用8位高速單片機(jī)W77E58芯片。該芯片的8位I/O外設(shè)接口有4個，能夠便于顯示、采集以及控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)，且能夠控制數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 永磁操動機(jī)構(gòu)斷路器遠(yuǎn)方監(jiān)視

2.2.1 斷路器驅(qū)動電流與位移曲線拐點(diǎn)時間相一致的特征

就永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器來講，這是一種新型的真空斷路器。因?yàn)橛来艡C(jī)構(gòu)輸出特性與真空開關(guān)負(fù)荷特性相同，所以操作機(jī)構(gòu)與開關(guān)之間可以直接連接。通過永磁鐵的磁力使斷路器保持在分與合部分，但分閘操作和合閘操作通過電磁力完成，省去損耗較大的零件，可以減少很多零件，避免機(jī)械在運(yùn)行中出現(xiàn)振動情況。日本三菱企業(yè)開發(fā)出能夠模擬斷路器的暫態(tài)電磁場和運(yùn)動有機(jī)結(jié)合的解析方式，而且在驅(qū)動作用下完成解析演算。這種方式通過三維靜電磁場來闡述。斷路器驅(qū)動過程中的線圈位移波形和電流波形如圖1所示。

圖1 斷路器驅(qū)動時的線圈電流波形與位移波形圖

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，斷路器驅(qū)動期間，位移波形與電流波形中發(fā)生拐點(diǎn)的時間相同。最初通電時，永久磁鐵的電磁力較大，動鐵心保持不變；若線圈中有較大的電流，動鐵心會逐漸與合閘端面分開，移動到分閘端面。在動鐵心位置最初移動時，線圈電流是峰值，接著因?yàn)槭艿借F心移動產(chǎn)生的電動勢影響而越來越小，最后動鐵心與絕緣桿和動觸頭形成一體移動。所以，在一段時間后可移動部分的重量也會有所改變，且動鐵心移動速度自然也會發(fā)生變化。在某個時刻，線圈電流拐點(diǎn)和位移波形拐點(diǎn)相對應(yīng)。

2.2.2 以驅(qū)動機(jī)構(gòu)為依托的電流分析監(jiān)視技術(shù)

初期斷路器線圈電流波形和機(jī)構(gòu)可動件位移波形出現(xiàn)拐點(diǎn)時間相同。在拐點(diǎn)時間方面，觸頭已電弧燒損的斷路器線圈電流波形和機(jī)構(gòu)可動位移波形一樣[5]。因此，通過電流波形的拐點(diǎn)時間變化檢查機(jī)構(gòu)操動特性異常，僅僅是對線圈電力報(bào)信進(jìn)行24 h監(jiān)測，不僅可以提取電流波形改變的電流值，而且可以提取電流波形改變的時間，能夠?qū)崟r分析真空斷路器性能，無需測量位移特性。通過對VCB永磁操動線圈電流波形進(jìn)行24 h監(jiān)視，必定可以及時發(fā)現(xiàn)VCB故障出現(xiàn)的種種跡象。這樣就從以前的定期維護(hù)向狀態(tài)維護(hù)轉(zhuǎn)變，也就是變成“按狀態(tài)”維護(hù)方法。這種維護(hù)方法能夠省略設(shè)備壽命前的停電作業(yè)和維護(hù)檢查作業(yè)，以明顯減少壽命周期費(fèi)用。

3 智能高壓開關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測功能

3.1 SF6狀態(tài)監(jiān)測功能

使用SF6密度繼電器隨時采集SF6氣體的各項(xiàng)狀態(tài)信息如溫度、密度等，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。即便無人值守，也可以及時掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，了解設(shè)備是否正常運(yùn)行。如果運(yùn)行異常，系統(tǒng)會自動報(bào)警，以免造成重大的損失。此方法不僅可以在新建變電站的氣體狀態(tài)監(jiān)測中運(yùn)用，而且便于改造已運(yùn)行的變電站。僅僅需要將以前的機(jī)械表變成SF6密度繼電器，更換中不需要將本體放氣，也無需將三通閥塊更換，簡單方便。

3.2 局放監(jiān)測功能

局部放電監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時找到GIS中的絕緣缺陷，實(shí)現(xiàn)事先預(yù)防、定點(diǎn)檢修，確保設(shè)備正常運(yùn)行。結(jié)合每種工程方案推薦不同的模式，一種是內(nèi)置局放傳感器，另一種是外置局放傳感器。就新建變電站來講，可以運(yùn)用內(nèi)置傳感器的方法，事先在本體中預(yù)埋傳感器。在改造已運(yùn)行變電站中，可以采用這兩種模式。內(nèi)置式局放傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的測量精度，但必須要將本體打開來安裝，停電時間相當(dāng)長[6]。外置局放傳感器便于安裝，不需要將本體打開，停電時間相當(dāng)短，然而與內(nèi)置式局放傳感器相比，測量精度較低。就監(jiān)測模式來講，主要有在線監(jiān)測和離線監(jiān)測兩種。前者能夠?qū)崟r監(jiān)測GIS內(nèi)部絕緣缺陷，做到實(shí)現(xiàn)預(yù)防、定期檢修，確保設(shè)備安全運(yùn)行。然而，必須要安裝局放在線監(jiān)測IED，所以成本較高。后者只可以實(shí)時監(jiān)測GIS內(nèi)部絕緣缺陷，實(shí)時性較差，成本低，便于后期改造成在線監(jiān)測，僅僅安裝一套局放監(jiān)測IED節(jié)課。因此，應(yīng)該將局放傳感器預(yù)埋內(nèi)置在新建的電站中。

3.3 避雷器狀態(tài)監(jiān)測功能

使用遠(yuǎn)傳避雷器能夠通過監(jiān)測經(jīng)過避雷器的動作次數(shù)、泄露電流等，科學(xué)分析其有功損耗和阻性電流，充分反映避雷器的實(shí)際絕緣狀態(tài)，且及時向后臺系統(tǒng)上傳測量結(jié)果[7]。此方法便于實(shí)施已運(yùn)行變電站與新建變電站。對已經(jīng)投入運(yùn)行的變電站，僅僅需要將以前的避雷器計(jì)數(shù)器變成避雷器在線監(jiān)測器，更換中不需要將本體放氣，安裝方法相同。

4 結(jié) 論

供用電的可靠性不僅要求開關(guān)設(shè)備具有較強(qiáng)的性能，而且要求技術(shù)人員改變維護(hù)思想，即將定期維護(hù)轉(zhuǎn)變成按狀態(tài)維護(hù)。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等的日益發(fā)展，中央控制單元可以快速獲取現(xiàn)場情況，便于在中央站實(shí)時監(jiān)測現(xiàn)場運(yùn)行過程中的開關(guān)柜，“按狀態(tài)”維護(hù)高壓電器設(shè)備。以往維護(hù)方法向“按狀態(tài)”維護(hù)方法轉(zhuǎn)變，離不開電器制造企業(yè)和電力部門的共同努力。電器制造企業(yè)將在線監(jiān)測技術(shù)作為統(tǒng)一制造和設(shè)計(jì)的一部分，能夠減少電器產(chǎn)品制造后又補(bǔ)裝在線監(jiān)測設(shè)備的安裝成本，省去了諸多麻煩。