探析智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展

徐先鋒

【摘 要】經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性和安全性提出了更高的要求。為了適應(yīng)我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，近年來(lái)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備不斷向著智能化的方向發(fā)展，智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備具有控制網(wǎng)絡(luò)化、測(cè)量數(shù)字化、狀態(tài)可視化、信息互動(dòng)化和功能一體化的特征，明顯提高了開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠性和安全性。本文在分析智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)和特征的基礎(chǔ)上，探討了智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān) 鍵 詞】智能化；高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備；GIS；高壓斷路器；高壓熔斷器

【中圖分類(lèi)號(hào)】 V242.3+1【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0254-01

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注和重視。作為智能電網(wǎng)的重要輸配電設(shè)備，智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠和安全運(yùn)行對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，因此本文就智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行探討，以期為促進(jìn)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供一些有益的參考。

1. 智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的概述

1.1 智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的定義

智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備是“十一五”時(shí)期裝備工業(yè)集傳統(tǒng)的機(jī)械裝置和電子產(chǎn)品、電子技術(shù)于一身的機(jī)電一體化新一代產(chǎn)品。到目前為止，智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備只是一個(gè)泛指，相關(guān)專(zhuān)業(yè)還沒(méi)有規(guī)范的術(shù)語(yǔ)和定義。對(duì)于一個(gè)元件而言，可以理解為按照智能化的要求植入一個(gè)或多個(gè)元素或功能，如通信接口、傳感器等；對(duì)于開(kāi)關(guān)成套設(shè)備，如開(kāi)關(guān)柜、配電設(shè)備等，可以理解為對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的綜合要求，諸如自動(dòng)化、在線監(jiān)測(cè)、互動(dòng)化等。

1.2 智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)

智能設(shè)備是含傳感器的一次設(shè)備與智能組件的結(jié)合體，智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的組成包括以下部分：高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、傳感器/執(zhí)行器、智能組件，其中智能組件通過(guò)傳感器/執(zhí)行器與高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備形成有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)與宿主設(shè)備相關(guān)的測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、計(jì)量和保護(hù)等功能。

智能組件（Intelligent component）是面向單一一次設(shè)備的綜合測(cè)控集，由若干智能電子裝置（IED）集合組成，在滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，還能夠承擔(dān)保護(hù)、計(jì)量等功能，強(qiáng)調(diào)功能實(shí)現(xiàn)的一體化。智能組件包括過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信和站控層網(wǎng)絡(luò)通信，遵循IEC 61850通信協(xié)議；組件內(nèi)可有不同的交換機(jī)配置方案，應(yīng)該采用優(yōu)先設(shè)置、流量控制、VLAN劃分等技術(shù)優(yōu)化過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信。

2. 智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的特征

（1）控制網(wǎng)絡(luò)化。智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備不僅能夠完成繼電保護(hù)控制命令，還能夠根據(jù)IEC 61850規(guī)約通信，CB/DS/ES/FES能夠正確執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)遙控命令。

（2）測(cè)量數(shù)字化。根據(jù)IEC 61850規(guī)約通信，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備控制器、光電壓互感器、光電流互感器和合成單元，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)數(shù)字化測(cè)量和檢測(cè)信息，分別在就地和遠(yuǎn)方顯示一次主設(shè)備接線形式、狀態(tài)信息、報(bào)警信號(hào)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

（3）功能一體化。智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的功能是高度集成的，具體說(shuō)來(lái)：相關(guān)測(cè)量、控制和監(jiān)測(cè)的融合設(shè)計(jì)，傳感器植入技術(shù)和光互感器的一體化設(shè)計(jì)，各監(jiān)測(cè)IED的集成設(shè)計(jì)。

（4）操作程序化。智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備能夠接受程序化操作命令，自動(dòng)按照規(guī)定的時(shí)間和邏輯閉鎖要求逐一完成各指令所規(guī)定的操作。

（5）信息互動(dòng)化。智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備包括過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通信和站控層網(wǎng)絡(luò)通信，遵循IEC 61850規(guī)約通信協(xié)議。智能組件內(nèi)所有IED都接入過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，需要與站控層網(wǎng)絡(luò)有信息交互需要的IED，還要接入站控層網(wǎng)絡(luò)，如測(cè)控裝置等。

（6）狀態(tài)可視化。各監(jiān)測(cè)IED的監(jiān)測(cè)結(jié)果，按照“唯一性標(biāo)識(shí)、故障部位、故障類(lèi)型、風(fēng)險(xiǎn)程度”的報(bào)文格式，通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)向主IED報(bào)告自評(píng)估結(jié)果。

（7）監(jiān)控診斷遠(yuǎn)程化。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信可以實(shí)現(xiàn)與智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的信息交互，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷功能。

3. 智能化高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）的智能化

GIS的智能化是一個(gè)跨學(xué)科的綜合課題，其是具有眾多功能和豐富通信接口的系統(tǒng)。在GIS智能化的實(shí)施中，關(guān)鍵問(wèn)題主要包括：

（1） 智能操控回路。傳統(tǒng)變電站中，GIS機(jī)構(gòu)操作回路和操作箱的控制回路分別由一次、二次回路廠家設(shè)計(jì)，這容易造成寄生回路和成本上升。而智能變電站中，開(kāi)關(guān)智能終端的就地化使得操控回路的一體化設(shè)計(jì)成為可能，并帶來(lái)如下益處：智能GIS設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在開(kāi)關(guān)智能終端的防跳回路基礎(chǔ)上增加機(jī)械故障防跳機(jī)制，防跳回路在印制板上實(shí)現(xiàn)，能夠提高一次設(shè)備的集成化和智能化程度，同時(shí)占用空間更小；在智能GIS中，由開(kāi)關(guān)智能終端統(tǒng)一采集位置結(jié)點(diǎn)信息并通過(guò)GOOSE服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給各二次設(shè)備，可以大大減少輔助結(jié)點(diǎn)的數(shù)量；斷路器總位置信號(hào)、三相不一致信號(hào)可以在開(kāi)關(guān)智能終端內(nèi)通過(guò)軟件邏輯實(shí)現(xiàn)，不需要額外的繼電器串、并聯(lián)合成回路；取消電氣聯(lián)閉鎖的硬件回路，減少對(duì)廠家的依賴(lài)。

（2） 在線監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)GIS的故障率較高，主要運(yùn)行問(wèn)題集中在內(nèi)絕緣、氣密性和操作機(jī)構(gòu)等幾個(gè)方面，在線監(jiān)測(cè)需要重點(diǎn)開(kāi)展GIS局部放電監(jiān)測(cè)、斷路器機(jī)械故障在線監(jiān)測(cè)、電壽命監(jiān)測(cè)等方面的工作。

（3） 電子式互感器的應(yīng)用。近年來(lái)電子式互感器在我國(guó)的應(yīng)用日益增多，取得了一定的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但同時(shí)也暴露出如下問(wèn)題：常規(guī)二次設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)不能完全滿(mǎn)足要求，需要對(duì)試驗(yàn)手段進(jìn)行完善；與繼電保護(hù)裝置的分工和配合問(wèn)題；相關(guān)計(jì)量規(guī)程的修訂和合并單元的定位。

（4） 匯控柜方案。GIS的智能化伴隨著電子設(shè)備的就地化，這意味著傳統(tǒng)的匯控柜已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：完備的信息交互、全環(huán)境適應(yīng)性、溫濕度控制系統(tǒng)可靠性的提高。

3.2 高壓斷路器的智能化

目前世界上先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家，都十分看好智能化高壓斷路器的發(fā)展前景，加大了研究的投入和開(kāi)發(fā)的力度。在高壓斷路器智能化實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，還有很多需要解決的技術(shù)和問(wèn)題：（1）關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。智能化高壓斷路器需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題包括微機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、抗電磁干擾技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)。（2）壽命問(wèn)題。由于電子設(shè)備的使用壽命要低于高壓電氣設(shè)備本身的壽命，要解決這一矛盾必須從設(shè)計(jì)、制造和改善運(yùn)行條件等幾個(gè)方面著手，采用模塊化設(shè)計(jì)，以提高設(shè)備的使用壽命。（3）經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。智能高壓斷路器的價(jià)格較傳統(tǒng)斷路器高，但在電子設(shè)備不斷降價(jià)的情況下，監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格也在不斷降低。

3.3 高壓開(kāi)關(guān)柜的智能化

智能化高壓開(kāi)關(guān)柜集保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制與故障診斷為一體，具備數(shù)字顯示、高壓開(kāi)關(guān)顯示和對(duì)外的雙向數(shù)據(jù)通信等通過(guò)。智能化高壓開(kāi)關(guān)柜是用新的傳感器采集信息，用計(jì)算機(jī)處理信息，用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息和用數(shù)字與波形顯示信息，并對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的重要參數(shù)進(jìn)行連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)，不僅可以提供設(shè)備現(xiàn)有的狀態(tài)，而且還能分析各種重要參數(shù)的變化趨勢(shì)，識(shí)別存在的故障，為設(shè)備的狀態(tài)維修提供依據(jù)，從而增大設(shè)備的維修保養(yǎng)周期，提高設(shè)備的利用率，減少維修保養(yǎng)的費(fèi)用。

3.4 高壓熔斷器的智能化

現(xiàn)有的高壓熔斷器存在以下缺點(diǎn)：一是往往都是針對(duì)大過(guò)載電流的情況，即在大電流過(guò)載情況下，通過(guò)熔體自行熔斷實(shí)現(xiàn)分?jǐn)啾Ｗo(hù)；而在低過(guò)載電流情況下，老式的噴逐式熔斷器在分段較小的短路電流時(shí)可能出現(xiàn)不能滅弧，甚至爆炸等問(wèn)題。二是熔斷器的時(shí)間——電流特性（安秒特性）的穩(wěn)定性和運(yùn)行性相對(duì)較差，并且適應(yīng)性單一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外推出了智能化熔斷器，美國(guó)通用電氣公司研究的“智能化高壓限流熔斷器”已經(jīng)可以達(dá)到外形尺寸小、額定電流大和高分?jǐn)嗄芰Φ囊?，并且可以從外?lái)控制熔斷器動(dòng)作。

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