淺析智能化開關設備

姜富修，姚淮林

(江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司研發(fā)中心，江蘇南京211100)

為進一步提高供配電網(wǎng)絡的供電可靠性，一方面需要提高供配電設備的產(chǎn)品品質，優(yōu)化供配電網(wǎng)絡結構，另一方面也需要對設備進行智能化改造，監(jiān)測開關設備的運行狀態(tài)，增加智能提醒，減少人為事故，同時可以預警設備故障，減少因設備故障引起的停電事故。

1 智能化開關設備概述

智能化開關設備(smart switchgear equipment)由開關設備本體、傳感器(或執(zhí)行器)、智能組件組成，如圖1所示。具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化特征的開關設備。

圖1 智能化開關設備的結構示意圖

智能組件(intelligent component)是承擔開關設備本體的測量、控制、計量、監(jiān)測、保護等全部或部分功能的智能電子裝置(IED)集合，是高壓設備智能化的核心部件。智能組件通過網(wǎng)絡連接到系統(tǒng)層，實現(xiàn)與站內其他設備和調度、生產(chǎn)管理系統(tǒng)的信息交互。

智能化開關設備基于測量、控制、監(jiān)測等各種感知信息，對開關設備的運行狀態(tài)、控制狀態(tài)、可靠性狀態(tài)進行綜合狀態(tài)評估，可以及早發(fā)現(xiàn)其性能隱患，預防故障發(fā)生，提高電力系統(tǒng)運行可靠性;能及時確定開關設備健康狀態(tài)，合理安排維護檢修，變“定期維護”為“狀態(tài)維護 ”，提高效率，降低運行費用，提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟性能。能夠實現(xiàn)開關設備的智能控制，實現(xiàn)對電網(wǎng)更加友好的信息支持，提高電力系統(tǒng)的自動化水平。

2 開關設備智能化的改造方案(以40.5kV及以下中置式開關柜智能化為例闡述)

AMS系列鎧裝式金屬封閉開關設備是小型化、金屬鎧裝、中置式、空氣絕緣的開關設備，由幾個完全封閉的隔室組成：電纜室、斷路器室、母線室及二次儀表室構成，是一種安全、可靠且應用廣泛的開關設備。結構如圖2所示。

2.1 開關柜運行存在的問題

結合用戶在設備多年使用過程中發(fā)現(xiàn)，有部分開關柜存在如下問題：在大電流開關柜中存在著溫升過高問題;有少數(shù)開關設備長時間運行后存在無法分閘、無法合閘的故障;由于接線不當或其他原因引起的弧光問題等。

針對用戶遇到的以上問題，在開關智能化的過程中都能找到對應的優(yōu)化、解決方案，下面針對每一個問題進行簡單敘述。

圖2 AMS開關柜結構示意圖

2.1 大電流開關柜溫升過高的問題

針對大電流開關柜溫升高的問題，首先應從開關柜產(chǎn)品生產(chǎn)工藝方面保證，減少發(fā)熱源，增加熱交換，如增加風機，表面噴附易散熱材料等;另一方面，對開關設備進行智能化升級，增加溫升在線監(jiān)測功能，實時監(jiān)測開關柜母線連接部位的溫升，及時發(fā)現(xiàn)開關設備的潛在故障。

目前測溫主要方法有無線測溫法、紅外測溫法和光纖測溫法等，下面就這三種方法原理及優(yōu)缺點分別作闡述。

a)無線測溫法：該方案是在開關柜導體搭接部位埋設熱敏電阻傳感器，測量該處溫升，通過高電位端溫度信號轉換及傳輸模塊采用射頻技術將高電位端采集的溫度、地址信號無線傳輸?shù)降碗娢欢?，?jīng)過解調處理后，被測點的溫度值及溫度傳感器地址號在低電位端儀表面板上顯示，同時低電位端儀表接收到的信號可由RS-485串行接口、光纖或雙絞線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集終端，原理如圖3所示。

圖3 溫度傳感模塊

優(yōu)點：

1)測溫點位置不受限制，可以處于隱蔽處;

2)高電位端溫度信號、信號轉換及傳輸模塊的供電采用電流互感器自給電源技術(在主導電回路上安裝一感應線圈，為保證感應線圈能提供較為穩(wěn)定的電源，利用鐵心磁飽和原理，適當選擇鐵心截面，小電流時鐵芯正常勵磁，大電流時鐵芯飽和，從而提供變化幅度較小的電源，再通過電子穩(wěn)壓裝置，向溫度傳感器及信號傳輸裝置提供穩(wěn)定可靠的電源)。自給電源安全可靠，是真正的免維護電源。

缺點：

1)由于溫度信號取樣及發(fā)射裝置傳輸數(shù)據(jù)的距離有限(幾米或幾十米)，因此無法將分散的數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷^遠的接收裝置上。

2)無線測溫裝置不能用于金屬全封閉的產(chǎn)品(如充氣環(huán)網(wǎng)柜)的內部導體連接點的異常溫升監(jiān)測，因為傳感器和發(fā)射裝置的固定安裝及信號傳輸目前還沒有切實可行的解決方案。

b)紅外測溫法：該方案利用光學設備聚焦于待測設備的觸點，根據(jù)觸點的不同溫度時紅外輻射不同的原理，采集該測點表面熱能量的紅外輻射，經(jīng)過紅外聚集，將待測點的紅外輻射送至紅外測溫器，根據(jù)測得的由溫度形成的紅外輻射輸出信號V(電壓或電流)和V－T關系式，進行待測點溫度T的計算(T的4次方與輸出信號V成正比)，實現(xiàn)溫度測量和進行圖像處理。

優(yōu)點：

通過凸透鏡直接接收測量點發(fā)出的紅外波，接收器(傳感器)可遠離測量點，解決了高壓隔離以及傳感器環(huán)境溫度高的問題，測量系統(tǒng)結構簡單。

缺點：

1)由于被監(jiān)測的各高壓電器設備觸點的紅外輻射率不同，以及雜散光、背景光和各設備位置不同，導致的紅外輻射路徑不同及大氣衰減等因素都會影響測溫的精度，因而紅外測溫法的穩(wěn)定性較差。

2)雖然在較好的紅外測溫設備和熟練人員的操作下，也能大概測出高壓帶電設備的溫度，但是只能測量在直線可視范圍內的測點溫度，這是紅外測溫法的致使弱點。

3)紅外測溫儀逐點測溫的方法必須避開太陽光的背景干擾，一般需在夜間或陰雨天到現(xiàn)場實測，測量誤差較大，還需要大量人力物力。

c)光纖測溫法：光纖傳感器(fiber optical sensor，F(xiàn)OS)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器，光纖傳感器用于溫度測量基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調制器，待測參數(shù)溫度與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位等)發(fā)生變化，稱為被調制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調后，獲得被測參數(shù)。

光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質。它同時具有光纖及光學測量的特點：

1)電絕緣性能好;

2)抗電磁干擾能力強;

3)非侵入性;

4)高靈敏度;

5)容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控;

6)光纖耐腐蝕，在水中、溶液中、化學氣體中也能使用，特別是由于它不受電磁感應的影響，不用擔心出現(xiàn)火花，因此，在煤礦、石油和氣體貯藏所等易燃易爆環(huán)境下，也可正常進行測量。

對以上三種測溫方式特點進行分析可知，無線測溫方式和光纖測溫方式均可作為空氣絕緣封閉開關設備溫度在線監(jiān)測的一種方案;而對于紅外測溫，從操作人員的安全性和設備的結構特點考慮，紅外測溫方式不能用作戶內外封閉開關柜的在線測溫，只能對戶外非封閉配電設備進行粗略的溫度測量。

2.2 少數(shù)開關柜長期運行導致的拒分、拒合問題

針對少數(shù)開關存在的拒分、拒合故障，在開關設備智能化過程中可以對分合閘電磁鐵工作狀況和分合閘回路進行實時監(jiān)測，達到提前預警故障的目的。

a)分合閘電磁鐵線圈電流的監(jiān)測與診斷

高壓斷路器分合閘操作一般都是以電磁鐵作為第一級控制元件。當電磁鐵線圈中通過電流時，在電磁鐵內產(chǎn)生磁通，動鐵芯受電磁力而運行，撞擊鎖扣，使斷路器分閘或合閘。

分合閘線圈通常由直流電源供電，圖4為分合閘線圈電流波形。對于這種電流可以用能測量直流電流和交流電流的霍爾傳感器進行測量?；魻杺鞲衅骺梢詫崿F(xiàn)電氣隔離，結合鐵芯的運動過程，可以將電磁鐵工作過程分為下列五個階段：

圖4 分合閘線圈電流波形

階段1：t=t0～t1，鐵芯預動期。對應于線圈開始通電后到鐵芯開始運動前的階段。這一階段電磁力小于保持鐵芯位置的由重力、摩擦力、彈簧力等合成的阻力，鐵芯保持不動，電流基本按一階指數(shù)規(guī)律上升。

階段2：t=t1～t2，鐵芯運動期。當線圈電流大于I2后，電磁力大于阻力，鐵芯開始運動，經(jīng)過一個空程后撞擊鎖扣，最后鐵芯到達吸合位置后停止運動。由于鐵芯運動期間的電感隨鐵芯行程的增大而增大，會在電路中產(chǎn)生很大的反電動勢，線圈電流反而減小。鐵芯運動速度越快，線圈電流減少得越多。根據(jù)這一階段的電流波形，可以推斷鐵芯的運動過程。這一階段只到t2鐵芯吸合后運動停止時為止。

階段3：t=t2～t3，鐵芯停止運動期。在此期間鐵芯以停止運動，電流近似按指數(shù)規(guī)律上升。

階段4：t=t3～t4，穩(wěn)定期。在此期間線圈電流達到穩(wěn)定值而基本不變，穩(wěn)態(tài)值為I3。有的電磁鐵沒有這一過程。

階段5：t=t4～t5，電流開斷期。輔助開關分斷，觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長，電弧電壓快速升高，迫使電弧電流迅速減小而熄滅。

根據(jù)以上的分析，可以得到以下一些線圈電流的特征參數(shù)：

1)t1－t0(鐵芯始動時間);

2)I1(鐵芯始動電流);

3)t2－t1(鐵芯運動時間);

4)I2(鐵芯剛停止運動時電流);

5)t1－t0(線圈電流二次上升時間);

6)I3(線圈穩(wěn)態(tài)電流);

7)t4－t3(線圈電流穩(wěn)定時間);

8)t5－t4(燃弧時間)。

影響線圈電流波形的因素很多，如線圈匝間短路、線圈電壓、鐵芯空行程、摩擦阻力、彈簧阻力、鐵芯松動或卡澀以及操作機構等。由線圈電流特征參數(shù)的變化可以診斷出以上因素造成的斷路器的機械故障及其發(fā)展趨勢，對于發(fā)現(xiàn)斷路器中發(fā)生概率和危害最大的拒動和誤動故障有一定效果。

b)分合閘回路完好性的監(jiān)測與診斷

分合閘控制回路一般串有多個輔助開關和觸點，其中任何一處連接或線路出現(xiàn)故障，在操作過程中電源電壓就不能正常地加在分合閘電磁鐵線圈上，從而導致分合閘操作不正常完成，甚至發(fā)生拒動。另外按規(guī)定，分閘操作機構可靠工作的電壓范圍是其額定電壓的65%～120%，合閘操作機構可靠工作的電壓范圍是其交流額定電壓的85%～110%或直流工作電壓的80%～110%。綜合兩個方面的因素，為保證斷路器的可靠工作，需要對控制回路的完好性以及操作機構電源電壓進行監(jiān)測。

操作電源電壓一般為直流，可以采用霍爾傳感器進行測量。

有一種利用一個電壓傳感器同時實現(xiàn)對分合閘回路的完好性和分合閘電磁鐵工作期間線圈電壓的監(jiān)測方法。如圖5所示，電壓傳感器并聯(lián)在線圈(電阻為R0)的兩端，同時在輔助開關兩端并聯(lián)一個電阻R1(如果有多個輔助開關，則R1的兩端跨接所有的輔助開關)，這樣操作電源、并聯(lián)電阻和線圈三者形成通路。R1的大小滿足以下的要求：在沒有得到分或合閘指令時，線圈上的分壓不應超過電磁鐵不應動作的最高電壓值，并就保留一定的裕度。高壓開關設備標準中規(guī)定，分閘電磁鐵的不應動作電壓最高是其額定電壓的30%。對合閘電磁鐵的不應動作電壓值沒有具體規(guī)定，但該值可向電磁鐵制造廠家索取。

圖5 分合閘線圈工作電壓與分合閘回路完好性監(jiān)測原理

當斷路器處于準備動作狀態(tài)時，輔助開關處于打開狀態(tài)。此時，如果線圈和回路完好，電壓傳感器測得的電壓U1應為：

式中：U——操作電源的電壓。

這樣由電源電壓的正常范圍，根據(jù)上面的公式可以寫出U1的正常范圍。即當電源電壓U低于規(guī)定范圍或者回路中存在斷線隱患時，U1將小于其正常范圍。如果線圈中存在斷路而回路完好，傳感器測得的信號將是操作電源的電壓U。如果回路中存在斷線，則電壓傳感器將測不到電壓信號，即U1=0。

斷路器動作時，輔助開關閉合，電壓傳感器測得的電壓為線圈電壓。

由上面的分析可知，根據(jù)電壓傳感器測得的電壓信號可以診斷出的故障包括：線圈斷線、操作回路斷線、操作電源電壓異常等。使用該方法還可以同時監(jiān)測電磁鐵工作期間的線圈電壓。R1和電壓傳感器與操作回路中的器件對斷路器的操作無影響。

2.3 由于接線不當或其他原因引起的弧光問題

中、低壓母線因發(fā)生短路故障、運行人員誤操作和誤入帶電間隔等原因產(chǎn)生的電弧光對設備及人員造成的危害極大。電弧光使開關設備內的壓力和溫度迅速升高，如不及時切除，容易造成電纜護套著火和母線熔毀，并且產(chǎn)生大量有害氣體傷害呼吸系統(tǒng)、高溫灼傷皮膚和刺傷眼睛。短路故障時，開關設備劇烈震動使固定件松動脫落、甚至導致開關柜爆炸造成人員傷亡。中低壓母線系統(tǒng)中一般不配置專用的快速母線保護，而是依賴上一級的后備過流保護切除母線故障，過流保護有延時，這就導致故障切除時間較長，增加了設備的損害程度。

針對以上問題，在智能化升級過程中，可以在開關柜中設置弧光保護裝置，有效避免弧光給人身和設備造成的威脅。

a)弧光保護系統(tǒng)的構成

如圖6所示，弧光保護系統(tǒng)由主控單元、電流單元、弧光單元、弧光傳感器、光纖三工器(可選用)、電源模塊及連接各部件之間的光纖和數(shù)據(jù)線組成。

圖6 弧光保護系統(tǒng)構成

1)主控單元用于管理、控制整套電弧光保護系統(tǒng)。它檢測故障電流和弧光信號，并對收到的兩種信號進行處理、判斷，在滿足跳閘的條件時，發(fā)出跳閘指令切除故障。

2)電流單元用于檢測過電流信號，ABC三相電流均可檢測，可同時匹配5A、1A的電流互感器，其中電流的整定可通過面板上的電位計來調節(jié)，整定范圍從50%～500%。電流單元檢測到的信號通過光纖和數(shù)據(jù)線傳到主控單元，主控單元依據(jù)設定的邏輯判斷是否發(fā)出跳閘指令。每個電源進線裝設一臺電流單元。

3)每個弧光單元包含10個弧光檢測接口，這些接口均為光纖接口，用于連接弧光傳感器?；」鈧鞲衅鞯母泄鈴姸葎t可以通過弧光單元面板上的電位計來調節(jié)設定，可以從10kLux調節(jié)至50klux。弧光單元檢測到的信號通過光纖和數(shù)據(jù)線傳到主控單元，主控單元依據(jù)設定的邏輯判斷是否發(fā)出跳閘指令?；」鈫卧ǔ０惭b在選定的某個開關柜中。

4)弧光傳感器是探測弧光的感應原件。當發(fā)生弧光故障時，光強度大大增加，弧光傳感器直接將光信號傳送給主控單元或者弧光單元。

5)電源模塊工作電源為交直流兩用，基本上不受現(xiàn)場制約。AC 85－264V 或者 DC 80－350V，19－140V，輸入頻率47－440Hz，輸出功率12W。

6)光纖三工器(可選用)可以在標注數(shù)量的保護通道不足的情況下，非常方便的擴展保護點，并且節(jié)約相應費用。在不影響電弧光保護系統(tǒng)功能的情況下，滿足了用戶擴展保護點的要求，給用戶帶來了極大方便。

b)弧光保護系統(tǒng)控制原理

電弧光保護動作判據(jù)為故障時產(chǎn)生的兩個條件：弧光和過電流。當檢測到弧光和電流增量時發(fā)出跳閘指令信號;當檢測到弧光或者電流增量時發(fā)出報警信號，并不發(fā)出跳閘指令，如圖7所示。

圖7 電弧光保護原理示意圖

c)弧光保護系統(tǒng)優(yōu)點：

1)動作迅速可靠：跳閘回路采用了快速繼電器Triac技術，確保保護系統(tǒng)在1ms內發(fā)出跳閘信號，加上斷路器動作時間(35～ 60ms)，使開關柜內部電弧光故障總切除時間控制在 60ms以內，而且在外觀上無明顯損壞。

2)故障點定位功能：根據(jù)弧光傳感器的實際安裝位置可以實現(xiàn)分區(qū)保護的功能?；」鈧鞲衅骺梢园惭b在開關設備的任何位置(一般安裝在母線室內，以檢測母線故障)，并在主控單元上顯示故障發(fā)生的位置，此功能可以減少故障處理時間，快速恢復供電。

3)抗干擾能力強：弧光保護系統(tǒng)采用無源弧光傳感器探測弧光，系統(tǒng)主控單元、弧光單元、電流單元及傳感器采用了光纖星形連接及傳輸技術，且裝置完全滿足電磁兼容EMC的標準，確保了整個弧光保護系統(tǒng)的可靠性及高強的抗干擾能力。

4)斷路器失靈保護：在主斷路器拒動時發(fā)出跳閘指令跳上一級斷路器，提高保護系統(tǒng)的安全性。

5)配置靈活、適應性強：系統(tǒng)采用先進的處理技術，通過對弧光和過電流動作信號的靈活編程，可對各段母線提供選擇性保護，適用不同類型的接線和運行方式。

3 結語

目前，高壓金屬封閉開關設備的維修方式以定期檢修為主，以事后(故障后)維修為輔。這兩種方式都需要停電進行，從而影響了供電的連續(xù)性，并將給用戶造成經(jīng)濟損失。再加上定期檢修時間間隔長，很難及時發(fā)現(xiàn)運行中出現(xiàn)的故障。另外，由于現(xiàn)場條件和檢修人員技術水平問題，有時還會因檢修不當造成技術故障。

而采用文中智能化改造后的智能化開關設備，通過在線的狀態(tài)監(jiān)測手段，識別故障的早期征兆，對故障的部位、嚴重程序及發(fā)展趨勢做出判斷，從而確定最佳的維修時機，實現(xiàn)了開關設備的“按狀態(tài)檢修”。狀態(tài)檢修是耗費低、技術先進的維修方式，它為設備安全、穩(wěn)定、長周期、全性能、優(yōu)質運行提供了可靠的技術和管理保障。目前我公司多批次產(chǎn)品在現(xiàn)場運行，用戶反饋都認為產(chǎn)品可以實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，極大提高設備運行的可靠性，性能優(yōu)異，技術先進，完全滿足國網(wǎng)公司智能化配電的要求。

［1］錢家驪，袁大陸，等.高壓開關柜—結構 計算 運行 發(fā)展［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］中國電器工業(yè)協(xié)會高壓開關分會等編著.高壓開關設備國內外產(chǎn)品水平［M］(第五版).西安：西安高壓電器研究院.2010.

(3)王大勇，施國慶.光電式電弧光保護系統(tǒng)的應用與分析［J］.水電施工技術，2011(1)：81-83.