氣體絕緣金屬封閉開關設備智能化發展綜述

于婷 胡文廣

摘 要：隨著當前我國智能電網建設工程的全面發展及工程進度的加快，以及電力系統越來越高的可靠性和自動化的要求，推動了氣體絕緣金屬封閉開關智能化的發展。本文分析了智能化氣體絕緣金屬封閉開關應具備的功能，包括開關工作狀態的在線監測與診斷功能、開關設備的智能控制功能和開關設備的智能操作功能。簡述了氣體絕緣金屬封閉開關智能化的關鍵技術，展望了氣體絕緣金屬封閉開關設備智能化的發展趨勢。

關鍵詞：智能電網;氣體絕緣金屬封閉開關設備 ;智能化功能 ;關鍵技術

1 概述

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）在電力系統輸電、配電和變電領域都有著廣泛和重要應用的電力設備，GIS是由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成的組合電器的簡稱。隨著電力系統對配電系統的質量和可靠性要求的提高，對高壓開關設備的性能要求也越來越高。與此同時，開關設備的控制方式也發生了變化。傳統上開關設備僅監控其分/合閘操作的控制方式正受到巨大的挑戰。用戶希望能更全面地監測開關設備的運行狀況，為檢修和處理故障提供更可靠的依據，從而提高設備的運行可靠性和經濟性。同時隨著電力系統越來越高的可靠性及自動化要求，無論是發電、輸電、配電還是用電，都提出了監測、控制、保護等方面的自動化和智能化的要求。

2 智能化氣體絕緣金屬封閉開關的功能

新型的智能化GIS在具有傳統GIS的機械和電氣性能的同時，又具有傳統設備所不具有的集傳感技術、電力電子技術和計算機技術于一體的智能化技術。一般來說，智能化GIS的幾大智能化功能如下：

2.1開關工作狀態的在線監測與診斷功能。

在線監測功能應能實現對設備的各項電性能、磁性能、溫度、開關機械和機構動作情況進行在線監視，以滿足狀態檢修、狀態監測以及狀態評估的需要，并據此提出檢修計劃，安排實施。監測系統必須具有高穩定度、高可信度和高可靠性。高壓開關設備在線監測與故障診斷系統由信號變送系統、據采集系統以及處理和診斷系統構成。高壓開關設備常見的監測內容可歸納為絕緣性監測、機械性能監測和電氣性能監測三部分，具體包括：通過檢測開斷電流和燃弧時間這兩個影響觸頭磨損量的主要參數來判斷觸頭的電壽命，通過檢測關鍵部件的機械振動、合/分閘線圈電流和電壓的波形變化、控制回路通斷狀態以及操動機構儲能完成狀態等信號來判斷開關的機械故障。這些監測與診斷技術的實際應用為實現高壓開關設備的狀態檢修及智能化控制提供了技術基礎。

2.2開關設備的智能控制功能。

智能開關設備的智能控制功能應能實現在最佳狀態進行開斷，并實現定相位合閘、定相位分閘，合、分閘能按照指定的程序順序控制，具有智能化。智能開關設備的智能控制功能是通過智能控制單元得以實現的。智能控制單元的基本功能主要有：

1）自動識別開關的工作狀態。開關的工作狀態的準確識別是實現智能操作的前提。對于超高壓開關而言，其任務主要有分斷短路電流、負載電流、過載電流、小容性電流和小感性電流等。

2）自動調整開關的操動機構。這是控制單元的核心功能。因此控制單元必須在識別開關工作狀態的基礎上確定與之相對應的操動機構的調整量。

3）記錄并顯示開關的工作狀態。由于開關在大多數運行時間內是不動作的，在此期間，本單元的任務是應對開關的工作狀態不斷地進行監測，同時它還應記錄開關每次開斷情況，包括開斷電流的大小、開斷類型及是否發生據分或據合等信息。短路時還應記錄短路電流的變化過程，以便于電力部門進行事故分析及開關的維護。同時，也可以通過開關累計開斷電流的大小來表示開關觸頭的燒蝕情況。

4）具有與遠端主機進行通信的功能?？刂茊卧梢愿鶕鳈C的要求，將開關的開斷記錄及其他數據經信息傳輸接口上網傳輸至上位機，并通過上位機經信息傳輸網絡將操作命令及保護參數、保護及重合閘方式等配置要求傳送過來。

2.3開關設備的智能操動功能。

為實現智能開關的電子操動需要將機械儲能變為電容儲能;將機械傳動變為變頻器通過電機直接驅動。實現電子操動后，開關的機械運動部件減少到一個，即開關分合閘動作，這樣其機械系統的可靠性提高。隨著伺服電機，電力電子技術的發展，數字控制斷路器相關技術得到廣泛關注;使用伺服電機的雙閉環控制系統，實現斷路器的分合閘操作。

3 關鍵技術

3.1傳感技術

局部放電、高壓導體測溫技術、真空度監測等均需難度大的傳感器，日前已投入使用的光學電流互感器由于測量范寬、絕緣簡單可靠、無磁飽和、無二次開路危險、抗磁干擾能力強、體積小、重量輕、安裝運輸方便、易于同微機保護接口等優點，已在高壓開關設備中得到應用。

3.2微機技術

開發出成功的智能化軟件是微機技術的關鍵。而軟件系統中，主程是核心程序。它是集測量、運算、決策、控制、保護及遙控于一體的綜合化智能體系，可以安裝于高壓開關設備內部，直接面向一次設備或設備組合，能完成各自對象的繼電保護、實時電量監控、狀態信息記錄及歷史記錄等功能;微機處理技術還可作為計算機分層網絡的終端，具有多種可選的通用網絡接口，便于事故分析和狀態監視;形成微機防誤操作和安全保障系統，適應變電站自動化的需要。

3.3抗電磁干擾技術

傳統開關的動作控制一般由各種繼電器來完成，智能化開關則一般由計算機/無觸點半導體開關元件組成的控制指令系統來完成。指令系統要可靠，需要格外考慮電磁兼容的問題。智能化GIS使用的很多電子器件都工作在運行現場苛刻環境中，受到不同強度各種通訊干擾和強電電磁干擾，這些干擾通過電磁波輻射（近場中表現為電容和電感耦），影響傳感器并從信號線、控制線、電源線、地線及儀器外殼傳入監測裝置，輕者影響正確信號的采集，重者會損壞元件。

4 現狀和展望

智能化GIS目前正處于發展階段，有些技術還不很成熟。從目前市場上已經推出的66kV～252kV智能化高壓開關產品來說，均是在傳統的GIS制造技術的基礎上，引入計算機技術、電流/電壓傳感器、位置傳感器、密度傳感器等新型傳感器技術使產品結構、工藝整體提升，生產出集智能控制、保護、測量、監視、顯示、通訊等功能于一身的高新GIS技術產品?？偟膩碚f，開關智能化是一項更新換代的工作，它涉及到很多領域的技術進步和創新發展，如傳感技術、微電子技術、計算機技術、信息技術以及斷路器本身及操動機構方面，需要更多的投入和開發。

“智能化”拉動二次設備占比提升，高性能高壓開關市場在此過程中也將取得較大規模發展。特高壓、智能電網建設的加速，將給高壓開關行業開辟廣闊市場，在此期間，高壓開關行業應以全面建設智能電網為契機，以特高壓交、直流輸電工程為依托，增強自主創新能力，實現高壓開關行業由大到強的轉變。

參考文獻：

[1]全文軍，劉衛東，錢家驪.高壓開關設備智能化發展綜述[J].電網技術，2002：

[2]鄒積巖，王毅.開關智能化的概念與相關的理論問題[J].高壓電器，2000：

[3]錢家驪等.智能化高壓電氣的開發與應用[J].華通技術，1998：

[4]劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010：

[5] DL/T 1411—2015智能高壓設備技術導則[S].北京：中國電力出版社，2015，

（1.新東北電氣集團高壓開關有限公司沈陽分公司;2.英特仿真科技（沈陽）有限公司， 遼寧 沈陽110000）