新型HGIS智能化開關的應用

徐元興+++包紅旗+++汪彥++程華明

摘 要：隨著電力系統的發展，研制適合我國電力系統規范的HGIS系統是我們面臨的任務。文章介紹了HGIS智能化開關的概念、設計思想和HGIS開關智能綜合控制器的主要功能及其市場應用前景。HGIS智能化開關是在開關微機保護的基礎上進一步的發展而成，實現了調度自動化、微機保護以及設備狀態監測“三合一”。文章結合實例論述了HGIS智能化開關系統的特征，它的應用促進了緊湊型模塊化變電站的發展。

關鍵詞：HGIS開關；狀態監測；模塊化變電站

隨著社會科技的發展，人們對環境保護越來越重視，有著國家工業“血液”之稱的電力行業也作出了相應的規劃，具有占地少、自動化程度高、維護量小、對環境影響小的緊湊型變電站也就應運而生，并得到了廣泛地使用。這就要求作為變電主要設備之一的高壓開關設備也要更加緊湊。HGIS作為這類開關的典型設備，迎合了新型變電站發展的要求。中電新源（北京）高壓電力設備有限公司推出的HGIS系統以結構緊湊、安裝方便、穩定可靠、智能化等特點得到了用戶的青睞。文章將以他們的HGIS系統為例，對HGIS智能化開關進行闡述。

1 概述

隨著人們生活對電話電力輸求的不斷增加，變電站變得越來越多，越來復雜，點地面積也相應增大，不利在城市中建設，，接線的復雜化也不利于系統的穩定性。HGIS系統正是為了適應這些需求而得以誕生發展，目前HGIS已向智能化方向發展。如圖1，它將單間隔的斷路器，刀閘，控制器等集于一體，結構緊湊，大大地簡化了接線。

圖1 智能化HGIS系統圖

HGIS智能化主要是在兩層面上得到了發展，一個是間隔層上采用了現代先進小型化的傳感器嵌入到HGIS開關各個部件的內部，與開關本身融為一體。能夠方便，精確地采集到開關運行的各種電氣物理量和影響開關壽命的環境工況信息。這些信息就地數字化上送到就地智能綜合控制器上的處理單元，進行分析和狀態評估，然后得出相應優化的操作方案。另一個在站控層上甚至是在站間的智能化，主要是對HGIS開關的運作狀態進行記錄，對比分析，給出專家分析建議，提高變電站二次系統自動化程度。

2 HGIS智能化設計思想

HGIS智能化開關是在微機保護的基礎上，在過去保測裝置的基礎上增加了開關狀態監測裝置，連閉鎖裝置。實現了調度自動化、微機保護以及設備狀態監測“三合一”。HGIS開關智能化，可以大大減少定期檢查次數，實現有目的的檢修，減免因檢查而停電造成的損失和對開關設備的人為傷害；可以節省保護和遙控設備所需的場地空間和大量的控制電纜，不但減少了成本，而且使繼電保護更加安全可靠；可以使變電站控制室從日常的“繁忙事務”中解脫出來， “集中精力”從事系統、網絡管理。

將HGIS開關裝置、采集開關狀態物理量的傳感器和智能綜合控制器組合起來，采用屏蔽電纜或者光纖聯接，實現HGIS開關智能化。

2.1 采用監控傳感器

HGIS智能化開關采用的傳感器有：氣體密度測量傳感器；測量電壓電流的傳感器；用于斷路器、隔離開關、接地開關的傳感器；反映物理現象的傳感器（如：電弧放電、溫度、濕度等）。這些傳感器必須滿足高可靠性和壽命要求。

以中電新源智能電網科技有限公司推出的HGIS系統為例，其斷路器部分的主要傳感器見圖2。每組由一個FMU-B單元構成。含A、B、C三相電流傳感器三個、分合閘線圈電流傳感器兩個，加速度傳感器一個。這些傳感器監測的主要參數及其范圍見表1。

2.2 HGIS開關智能綜合控制器

HGIS開關智能綜合控制器，就是把開關、隔離開關的一切在線監測功能；本間隔內所有綜合自動化要求的保護、測控、五防、通信功能；以及設置顯示人機界面功能集中在一個具有雙層結構的密封金屬箱體內見圖3，通過互為熱備用的雙光纖以太網接口，與變電站的上一級監控系統連接，完成數據交換和控制功能。箱體內的各個功能部分由獨立的智能模塊各自完成，并通過通信有機連成一體。

3 HGIS開關智能綜合控制器主要功能

HGIS開關智能綜合控制器對監測量進行在線監測和實時記錄，并經過計算和邏輯判斷發出指令或報警。該系統具有參數設定（根據有關的規程、開關設計參數設置判斷的閥值）、實時監測、圖形顯示、數據顯示、系統校驗、操作控制（手動、自動）、信息通訊等功能。其監測的參數以及與之用來實現的功能分述如下。

3.1 斷路器電壽命評估

斷路器的標稱電壽命一般為（KA）2次計算，測控柜通過采集每次保護跳閘時拉斷的故障電流進行累計，并將累計值傳送到后臺監控軟件或調度系統進行顯示，用戶可以根據此累加值對開關的電壽命進行科學評估，合理安排檢修工作。

已經損失的電壽命=■I2

I：斷路器拉斷的故障電流

T：斷路器動作次數

3.2 SF6狀態監視

開關氣室內SF6氣體狀態會直接影響到斷路器內部的絕緣狀況，當氣壓過低時將引起設備對操作的閉鎖，因此對SF6氣體進行監視十分重要。SF6在不同條件下的介質強度曲線如圖4所示：

SF6的溫度——壓力特性如圖5所示：

在不新增氣體分析設備的前提下，測控柜可以根據氣壓表輸出電流測得開關的氣壓，經過溫度補償計算后，將初次測得的氣壓值記入存儲器，并實時計算當前為止的氣壓變化百分比傳到后臺軟件（取值精度受氣壓表制約，要求用戶使用高精度的氣壓表），用戶可以根據此值對壓力變化異常的開關及時檢修。

3.3 開關儲能機構運行狀況監視

通過采集電機的運行電流，開關儲能系統運行狀況的監視系統就能得到電機的運行時間。電機的運行電流曲線如圖6所示：

在電機啟動的瞬間有一次大電流沖擊，隨著電機的啟動電流迅速減小，但是隨著儲能彈簧的儲能狀態變化，電機電流逐漸加大，當彈簧儲能完成后，接點斷開電機電源回路，電機電流消失。endprint

電流變化百分比=■×100%

I：當前電機電流

In：出廠實驗記錄電流值

時間變化百分比=■×100%

T：當前電機運行時間

Tn：出廠實驗記錄運行時間

測控柜采集的電機電流為電機負荷最小時的運行電流值，該值通過計算相鄰兩點電流采樣值的變化比來判斷，再通過與正常的電機電流及運行時間的進行對比，我們就能夠對儲能系統的電機空轉、卡轉等情況進行判斷。

3.4 刀閘操作機構狀況監視

在對刀閘進行操作時，流過刀閘電機的電流與儲能電機的電流波形類似，僅存在電流幅值和維持時間的不同，故對此波形采用和儲能電機電流相同的處理方法，提取出電機電流的運行值和維持時間，和開關出廠時聯調試驗中所存儲的標準值進行比較，得到操作電流和時間變化比例，用戶根據此比例判斷開關的刀閘機構是否需要檢修。

4 前景展望

智能化開關電器是將計算機、信息技術與傳統開關電器組合，而具有智能功能的開關電器，是國際上最近才興起的一種產品，由于有明顯技術優勢，發展速度比較快。目前國內在高檔開關柜中（組裝柜），智能化率已達到50%以上，今后隨著智能化技術更成熟，智能化單元、傳感器等價格降低，會逐步在整個開關柜中普及。

參考文獻

[1]包紅旗.HGIS與數字化變電站[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]岳保良，包紅旗.電氣運行[M].北京：中國水利電力出版社，1998.

[3]汪彥，包紅旗.GIS與HGIS在智能變電站中的應用分析[M].北京：中國高興技術企業，2014.

作者簡介：徐元興（1955，6-），漢族，工程師，專科學歷，上海電力專科學校，發電廠及電力系統專業，從事電力工程專業工作。

包紅旗（1958，6-），漢族，高級工程師，本科學歷，合肥工業大學，電氣工程系，電力系統自動化專業，從事高電壓專業工作。

汪彥（1975，8-），漢族，工程師，本科學歷，南京大學電子工程系，電子科學與技術專業，從事電力系統自動化專業工作。

程華明（1976，1-），漢族，工程師，本科學歷，華東船舶工業學院，焊接材料系，焊接工藝及設備專業，從事電力設備生產制造專業工作。endprint

電流變化百分比=■×100%

I：當前電機電流

In：出廠實驗記錄電流值

時間變化百分比=■×100%

T：當前電機運行時間

Tn：出廠實驗記錄運行時間

測控柜采集的電機電流為電機負荷最小時的運行電流值，該值通過計算相鄰兩點電流采樣值的變化比來判斷，再通過與正常的電機電流及運行時間的進行對比，我們就能夠對儲能系統的電機空轉、卡轉等情況進行判斷。

3.4 刀閘操作機構狀況監視

在對刀閘進行操作時，流過刀閘電機的電流與儲能電機的電流波形類似，僅存在電流幅值和維持時間的不同，故對此波形采用和儲能電機電流相同的處理方法，提取出電機電流的運行值和維持時間，和開關出廠時聯調試驗中所存儲的標準值進行比較，得到操作電流和時間變化比例，用戶根據此比例判斷開關的刀閘機構是否需要檢修。

4 前景展望

智能化開關電器是將計算機、信息技術與傳統開關電器組合，而具有智能功能的開關電器，是國際上最近才興起的一種產品，由于有明顯技術優勢，發展速度比較快。目前國內在高檔開關柜中（組裝柜），智能化率已達到50%以上，今后隨著智能化技術更成熟，智能化單元、傳感器等價格降低，會逐步在整個開關柜中普及。

參考文獻

[1]包紅旗.HGIS與數字化變電站[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]岳保良，包紅旗.電氣運行[M].北京：中國水利電力出版社，1998.

[3]汪彥，包紅旗.GIS與HGIS在智能變電站中的應用分析[M].北京：中國高興技術企業，2014.

作者簡介：徐元興（1955，6-），漢族，工程師，專科學歷，上海電力專科學校，發電廠及電力系統專業，從事電力工程專業工作。

包紅旗（1958，6-），漢族，高級工程師，本科學歷，合肥工業大學，電氣工程系，電力系統自動化專業，從事高電壓專業工作。

汪彥（1975，8-），漢族，工程師，本科學歷，南京大學電子工程系，電子科學與技術專業，從事電力系統自動化專業工作。

程華明（1976，1-），漢族，工程師，本科學歷，華東船舶工業學院，焊接材料系，焊接工藝及設備專業，從事電力設備生產制造專業工作。endprint

電流變化百分比=■×100%

I：當前電機電流

In：出廠實驗記錄電流值

時間變化百分比=■×100%

T：當前電機運行時間

Tn：出廠實驗記錄運行時間

測控柜采集的電機電流為電機負荷最小時的運行電流值，該值通過計算相鄰兩點電流采樣值的變化比來判斷，再通過與正常的電機電流及運行時間的進行對比，我們就能夠對儲能系統的電機空轉、卡轉等情況進行判斷。

3.4 刀閘操作機構狀況監視

在對刀閘進行操作時，流過刀閘電機的電流與儲能電機的電流波形類似，僅存在電流幅值和維持時間的不同，故對此波形采用和儲能電機電流相同的處理方法，提取出電機電流的運行值和維持時間，和開關出廠時聯調試驗中所存儲的標準值進行比較，得到操作電流和時間變化比例，用戶根據此比例判斷開關的刀閘機構是否需要檢修。

4 前景展望

智能化開關電器是將計算機、信息技術與傳統開關電器組合，而具有智能功能的開關電器，是國際上最近才興起的一種產品，由于有明顯技術優勢，發展速度比較快。目前國內在高檔開關柜中（組裝柜），智能化率已達到50%以上，今后隨著智能化技術更成熟，智能化單元、傳感器等價格降低，會逐步在整個開關柜中普及。

參考文獻

[1]包紅旗.HGIS與數字化變電站[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]岳保良，包紅旗.電氣運行[M].北京：中國水利電力出版社，1998.

[3]汪彥，包紅旗.GIS與HGIS在智能變電站中的應用分析[M].北京：中國高興技術企業，2014.

作者簡介：徐元興（1955，6-），漢族，工程師，專科學歷，上海電力專科學校，發電廠及電力系統專業，從事電力工程專業工作。

包紅旗（1958，6-），漢族，高級工程師，本科學歷，合肥工業大學，電氣工程系，電力系統自動化專業，從事高電壓專業工作。

汪彥（1975，8-），漢族，工程師，本科學歷，南京大學電子工程系，電子科學與技術專業，從事電力系統自動化專業工作。

程華明（1976，1-），漢族，工程師，本科學歷，華東船舶工業學院，焊接材料系，焊接工藝及設備專業，從事電力設備生產制造專業工作。endprint