開關(guān)設(shè)備及其元器件的智能化發(fā)展趨勢(shì)

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(wú)功功率等綜合電力參數(shù)測(cè)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(dòng)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(yǔ)音防誤提示功能、數(shù)字儀表功能和過(guò)熱報(bào)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(jí)電子元件。壽命長(zhǎng)：現(xiàn)代開關(guān)柜智能操控裝置設(shè)計(jì)壽命可達(dá)30年。量身定做：根據(jù)用戶不同要求，設(shè)計(jì)不同的功能組合。同時(shí)現(xiàn)代開關(guān)柜智能操控裝置外觀精致，美觀、簡(jiǎn)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(wú)功功率等電力參數(shù)數(shù)字顯示，IC卡身份識(shí)別功能，用來(lái)防止走錯(cuò)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(shì)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(wú)源觸點(diǎn)輸入； 斷路器合閘時(shí)，斷路器常開觸點(diǎn)閉合，紅色模擬條發(fā)光；斷路器分閘時(shí)，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(shí)，顯示斷路器位于工作位置； 試驗(yàn)位置觸點(diǎn)閉合時(shí)，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(shí)，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(wú)源接點(diǎn)輸入閉合，顯示接地開關(guān)合閘；無(wú)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(wú)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(shí)啟動(dòng)加熱；濕度≤75%RH時(shí)，退出加熱。當(dāng)環(huán)境溫度≥40℃時(shí)，加熱無(wú)條件退出；當(dāng)環(huán)境溫度≥50℃時(shí)，過(guò)熱報(bào)警燈亮；加熱器斷線時(shí)報(bào)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(cè)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(zhǎng)，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(duì)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(jí)線圈環(huán)繞在套于母線的環(huán)型磁芯上，螺線管與初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(gè)法拉第螺線管可同時(shí)連接多個(gè)帶有磁芯的線圈，該螺線管具有磁場(chǎng)屏蔽功能。初級(jí)線圈產(chǎn)生的電流用來(lái)形成螺線管中的磁場(chǎng)，而螺線管中安裝的法拉第元件作為傳感器將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。該類型OCT產(chǎn)品應(yīng)用于275kV變電站的故障定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，被測(cè)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(cè)量范圍寬、絕緣簡(jiǎn)單可靠、無(wú)磁飽和、無(wú)二次開路危險(xiǎn)、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(cè)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(duì)象的繼電保護(hù)、實(shí)時(shí)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(jì)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(dòng)化的需要。例如，對(duì)于智能化柜來(lái)說(shuō)，首先通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得監(jiān)測(cè)信息，然后利用微機(jī)處理技術(shù)對(duì)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(bào)警、跳閘、操作等條件進(jìn)行比較，當(dāng)滿足動(dòng)作條件時(shí)執(zhí)行動(dòng)作任務(wù);后置管理單元?jiǎng)t完成對(duì)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(cè)和故障診斷技術(shù)

電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)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(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)代開關(guān)設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能正日趨完善，例如：對(duì)電壓、電流、功率和功率因數(shù)、有功和無(wú)功電能、電網(wǎng)頻率以及斷路器合/分工作狀態(tài)等的檢測(cè)功能;對(duì)過(guò)電流、短路、不平衡運(yùn)行、電機(jī)啟動(dòng)、接地、過(guò)電壓、欠電壓等的保護(hù)功能;對(duì)就地?cái)嗦菲骱瓦h(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(lái)，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(cè)與故障診斷系統(tǒng)的組成，它由信號(hào)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(cè)內(nèi)容可歸納為絕緣性能監(jiān)測(cè)、機(jī)械性能監(jiān)測(cè)和電氣性能監(jiān)測(cè)三部分，具體包括：通過(guò)檢測(cè)開斷電流和燃弧時(shí)間這兩個(gè)影響觸頭磨損量的主要參數(shù)來(lái)判斷觸頭的電壽命，通過(guò)檢測(cè)關(guān)鍵部件的機(jī)械振動(dòng)、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(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能完成狀況等信號(hào)來(lái)判斷斷路器的機(jī)械故障，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的采用UHF電磁波來(lái)監(jiān)測(cè)絕緣狀態(tài)，應(yīng)用感溫元件或紅外線技術(shù)來(lái)監(jiān)控載流導(dǎo)體及接觸部位溫度等。這些監(jiān)測(cè)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(gè)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(shí)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(jì)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(cè)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(jiǎn)化了設(shè)備之間的聯(lián)接，并解決了電磁干擾問(wèn)題，控制柜內(nèi)電子器件的自動(dòng)控制和自監(jiān)視功能提高了GIS的自動(dòng)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(guò)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(gè)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(cè)量信號(hào)的預(yù)處理、通過(guò)總線以及經(jīng)過(guò)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(hào)的傳遞時(shí)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(shí)、可靠。

6 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：（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(gè)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(chǎng)的隱形渠道備受關(guān)注[1]。

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

[2]施耐德公司.電氣應(yīng)用手冊(cè).2008:132-146.

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