樹干式高壓開關(guān)柜在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

季明里

【摘要】本文闡述了某型高壓開關(guān)柜在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)問題，明確了高壓開關(guān)柜在線監(jiān)控的目的和意義，歸納了作者對(duì)高壓開關(guān)柜的操作經(jīng)驗(yàn)和故障識(shí)別經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)該類型高壓開關(guān)柜的在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

1. 引言

當(dāng)代高壓開關(guān)柜的操作邏輯都具備五防聯(lián)鎖機(jī)制，但是，高壓開關(guān)柜的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的展示不夠全面，不論是在高壓開關(guān)柜本地更不能夠遠(yuǎn)端狀態(tài)展示。近年來隨著我國信息技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備“上云上平臺(tái)”的技術(shù)浪潮，也推動(dòng)了電力系統(tǒng)的配網(wǎng)自動(dòng)化過程。不同的一次結(jié)構(gòu)的高壓開關(guān)柜的運(yùn)行監(jiān)控的目的和意義也不同，但是，共性的功能特點(diǎn)可以歸納為：

（1） 監(jiān)控系統(tǒng)能夠生動(dòng)直觀的展示關(guān)鍵一次元件的狀態(tài);

（2） 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該能夠具有一定的故障診斷的能力和故障定位的能力;

（3） 監(jiān)控系統(tǒng)具有本地指示和遠(yuǎn)端接入指示的功能;

（4） 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)充分考慮配網(wǎng)自動(dòng)化的行業(yè)技術(shù)趨勢;

2. 基于運(yùn)行和控制的測量和功能

2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層功能和結(jié)構(gòu);

（1）系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件在設(shè)備端是包括一個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備相應(yīng)的傳感器元件;

（2）系統(tǒng)在數(shù)據(jù)鏈路層包括，加密、數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)、斷點(diǎn)續(xù)傳等功能結(jié)構(gòu);

（3）系統(tǒng)在云端結(jié)構(gòu)上需要一個(gè)完備的API接口，以接入上一級(jí)的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng);

（4）本文研究的對(duì)象系統(tǒng)是，企業(yè)專用的高壓配電線路，操作控制不影響企業(yè)以外的其它用戶;

2.2系統(tǒng)設(shè)備層功能和結(jié)構(gòu);

（1）斷路器機(jī)械特性的監(jiān)測

高壓開關(guān)柜里面的一個(gè)主要器件就是斷路器，而斷路器的故障大多數(shù)是發(fā)生在它的機(jī)械機(jī)構(gòu)，所以對(duì)于斷路器的實(shí)時(shí)監(jiān)測非常重要，也是為了很好地保障開關(guān)柜的正常穩(wěn)定地工作。斷路器的機(jī)械特性一般有動(dòng)作時(shí)的速度、反應(yīng)的時(shí)間、運(yùn)行的過程。這些特性可以通過一條曲線來分析，亦即是行程-時(shí)間曲線，亦即是當(dāng)斷路器接收到分閘或者是合閘的信號(hào)時(shí)，完成這個(gè)信號(hào)相應(yīng)的動(dòng)作與其所需要的時(shí)間之間的關(guān)系曲線。而斷路器的一個(gè)重要作用是滅弧，如果斷路器的動(dòng)作過慢，就會(huì)延誤滅弧的時(shí)間使得開關(guān)不能及時(shí)斷開。如果斷路器動(dòng)作過快，會(huì)產(chǎn)生較大的沖力，長時(shí)間加大接觸點(diǎn)的磨損，導(dǎo)致使用壽命變短。對(duì)于高壓開關(guān)柜要使用的測量柜內(nèi)斷路器機(jī)械特性的傳感器的要求比較高，一方面測量的時(shí)候不能夠影響到斷路器的正常工作和對(duì)其性能產(chǎn)生損壞，而且對(duì)于斷路器分、合閘時(shí)那一瞬間的時(shí)間點(diǎn)要及時(shí)測量反映出來，所以對(duì)于這樣的準(zhǔn)確性較高。另一方面測量的器件要適合在高壓開關(guān)柜內(nèi)這種惡劣的環(huán)境之下盡可能地長時(shí)間穩(wěn)定地工作，所以在體積和性能方面也有較高的要求。

斷路器機(jī)械特性測量一般采用光柵位移傳感器，光柵式傳感器是運(yùn)用了光柵條紋的原理來測量位移的傳感器。光柵指的是一塊條形狀的光學(xué)玻璃上面分布著密集的相等距離的平行的刻線。這些光柵形成的疊柵條紋有光學(xué)放大作用和將誤差平均化的作用，這兩個(gè)作用可以幫助提高測量的精準(zhǔn)程度。當(dāng)標(biāo)尺的光柵相對(duì)于指示光柵而有移動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)形成大致呈現(xiàn)正弦分布的明暗相互間隔的疊柵條紋。這些條紋會(huì)以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，并且直接照射在光電元件上，然后會(huì)輸出一段脈沖，通過處理后會(huì)得到數(shù)字信號(hào)，這樣就能轉(zhuǎn)換成為位移的信息顯示出來。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可用的測量范圍大和精確程度高?？梢詼y量靜、動(dòng)態(tài)的直線運(yùn)動(dòng)的位移和整圓運(yùn)動(dòng)的角位移。常常運(yùn)用到機(jī)械動(dòng)作的測量、物體變形的測量等領(lǐng)域。

（2）基于光學(xué)原理的局部放電測量

紅外線溫度傳感器屬于不直接接觸測量溫度的點(diǎn)的器件，它是通過測量紅外線光也就是光的波長在紅光以外的光線來測量溫度。這里面的原理是當(dāng)物體的溫度超過了絕對(duì)零度，物體就會(huì)向外輻射出紅外線。這種輻射的物理性質(zhì)是熱輻射，即是物體有高于絕對(duì)零度的溫度時(shí)輻射出電磁波。當(dāng)溫度越高輻射出的紅外線就會(huì)越多，而這種溫度傳感器會(huì)接收這物體輻射出來的紅外線然后發(fā)生變化，通過觀察這項(xiàng)變化的參數(shù)就可以知道溫度的變化。

這種傳感器價(jià)錢便宜，測量的時(shí)間短，不需要直接接觸測量點(diǎn)，對(duì)開關(guān)柜內(nèi)的工作影響小。但是這種傳感器只能夠測量物體表面的溫度，不能測量里面的溫度，不容易確認(rèn)到柜里面接觸點(diǎn)的發(fā)熱情況，而且如果是測量的是比較光亮或者是拋光的金屬表面，會(huì)因?yàn)楣饩€會(huì)有反射而使到所得的數(shù)值不準(zhǔn)確，測量得到的數(shù)據(jù)并不算是能夠?qū)崟r(shí)接收到。再加上使用這種傳感器還要注意使用的環(huán)境條件，如果傳感器和測量物體之間有蒸汽、灰塵、煙霧等，這些大顆粒物體會(huì)阻擋到傳感器的系統(tǒng)而影響到測量溫度的準(zhǔn)確度。并且這種傳感器需要有人定時(shí)過來巡邏，查看它的測量工作是否受到其他因素的影響。

基于光學(xué)攝影機(jī)的測量，除了測量溫度還能夠測量到局部放電等故障先兆信息。

3. 基于故障診斷的測量和功能

3.1絕緣材料的放電故障

這類型的故障一般是由于開關(guān)柜里面的一些絕緣器件、絕緣物體的絕緣能力抵擋不住外面加進(jìn)來的電壓的強(qiáng)度，從而發(fā)生放電現(xiàn)象，強(qiáng)度更大的話還可能會(huì)發(fā)生擊穿的故障事故。 而且這個(gè)過程可能會(huì)經(jīng)過一段時(shí)間才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，所以會(huì)造成長期性的不良影響。開關(guān)柜放電的一種原因是產(chǎn)生了過電壓，常見的比如有諧振過電壓、雷擊造成的過電壓等會(huì)造成絕緣材料在電場的作用下未發(fā)生結(jié)構(gòu)的擊穿時(shí)，它的表面或者是與接觸的空氣中發(fā)生的發(fā)電現(xiàn)象，叫做絕緣閃絡(luò)，最后誘發(fā)相間或弧光短路事故和單相對(duì)地弧光接地事故。第二種放電的原因是由于開關(guān)柜是一種封閉式的結(jié)構(gòu)，里面的通風(fēng)條件比較差，當(dāng)潮濕造成柜內(nèi)濕度上升，會(huì)使得絕緣的性能變差引起發(fā)電。還有一種原因是母線和元器件的制作存在棱角、毛刺，導(dǎo)致絕緣表面電場分布不均勻，尖端的電荷比較密集引起尖端電暈放電。最后還有的原因是開關(guān)三相觸頭之間、三相線之間的間距偏少，沒有達(dá)到安全間隔距離。開關(guān)柜里面母線與套管之間形成大小不相同的間隙，這樣使到這間隙里面的場強(qiáng)不夠均勻，而造成電位差較大使得間隙擊穿。

3.2柜內(nèi)的過熱故障

開關(guān)柜一般比較容易過熱的地方是手車的觸頭、電流互感器、母線的連接點(diǎn)，開關(guān)柜內(nèi)有過大的電流或者里面的器件因?yàn)殚L期工作使得電阻增大而發(fā)熱，而且開關(guān)柜的密封式結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下是不能夠開柜來檢測的，因此經(jīng)常會(huì)有不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)過熱故障而造成很大的影響。具體來講一般柜內(nèi)過熱的原因有工作人員在安裝、測試、檢查維修和操作使用的時(shí)候沒有按照規(guī)章來進(jìn)行?；蛘呤且?yàn)槎搪返仍蚴沟霉駜?nèi)電流過大，使得柜內(nèi)的一些抵抗大電流能力比較薄弱的地方開始損壞，未能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞變形的地方并且進(jìn)行維修導(dǎo)致不斷惡化。還有的原因是開關(guān)柜長時(shí)間工作，沒能夠及時(shí)跟換過舊的開關(guān)柜，由于長期服役導(dǎo)致容易出現(xiàn)發(fā)熱故障。

3.3斷開與閉合故障

故障一般是由于斷路器的故障所造成的，開關(guān)柜使用的其中一種是真空斷路器，這種斷路器的滅弧介質(zhì)和滅弧之后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是真空，而真空斷路器故障一般是因?yàn)闇缁∈乙约安y管漏氣、真空的程度降低陶瓷管破裂等。使得斷開閉合的能力下降和出現(xiàn)電弧，當(dāng)開關(guān)的觸頭以及觸頭附近的介質(zhì)有較多的游離的電子，在開關(guān)斷開的時(shí)候如果有較大的電壓通過，電壓達(dá)到一定強(qiáng)度會(huì)使到游離的電子形成電弧，就會(huì)使到原本斷開的電路重新接通，造成危害。

3.4拒動(dòng)、誤動(dòng)故障

這故障一般是斷路器在分閘、合閘的過程中當(dāng)需要它工作的時(shí)候沒有發(fā)生動(dòng)作，而需要它保持狀態(tài)，不進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，它卻在沒有指令的情況下有動(dòng)作。一般這種故障的原因是由兩類型造成，原因之一是因?yàn)椴賱?dòng)機(jī)構(gòu)亦即是使斷路器的觸頭按照指定的順序和方式來進(jìn)行接通與斷開的機(jī)構(gòu)，還有傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械故障造成，具體的狀況是機(jī)構(gòu)工作時(shí)的卡澀，里面的部件出現(xiàn)變形、位置的偏移或者損壞等。另一類是因?yàn)殡姎饪刂坪洼o助回路造成，具體的狀況是二次接線接觸不良、接線錯(cuò)誤，作為分合閘功能的線圈因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的卡澀或者是轉(zhuǎn)換開關(guān)的損壞而導(dǎo)致燒損等故障。

4. 結(jié)論

（1） 高壓開關(guān)柜的功能設(shè)計(jì)從兩個(gè)方面考慮，第一是基于運(yùn)行和控制的功能方向，第二是基于故障診斷的功能方向;

（2） 系統(tǒng)功能的具體設(shè)置需要結(jié)合用電特點(diǎn)和用電區(qū)域的具體情況來設(shè)置;

（3） 本文對(duì)于基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)自建配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的創(chuàng)建具有參考意義;

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