中壓開關(guān)柜智能化解決方案的分析與研究

侯明情

(福州加百安電子有限公司 福建 福州 350000)

一、前言

在電力系統(tǒng)中，開關(guān)柜地位至關(guān)重要，傳統(tǒng)的檢維護(hù)方法成本較高、智能化不足，且會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命，存在諸多弊端。本文針對(duì)開關(guān)柜的現(xiàn)狀，提出中壓開關(guān)柜的智能化解決方案，既能實(shí)現(xiàn)從故障、定期維護(hù)到狀態(tài)維護(hù)檢修的跨越，又能滿足我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，為相關(guān)研究提供重要的理論基礎(chǔ)。

二、概述

中壓開關(guān)柜指的是3.6～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，裝有以斷路器為主要開關(guān)元件的成套開關(guān)設(shè)備，在配電系統(tǒng)中主要功能是接受和分配電能。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，全球每年因不可靠的電力系統(tǒng)造成的經(jīng)濟(jì)損失約為800億美元。開關(guān)柜是輸配電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其正常工作與否直接影響電力系統(tǒng)的可靠性，所以使用單位十分重視開關(guān)柜的維護(hù)。什么時(shí)候維護(hù)以及如何做到智能、精準(zhǔn)維護(hù)的問題一直困擾著用戶和運(yùn)維人員，也影響到智能電網(wǎng)的發(fā)展。

三、傳統(tǒng)開關(guān)柜維護(hù)方法不足與系統(tǒng)解決方案

(一)傳統(tǒng)開關(guān)柜維護(hù)方法及存在的不足

目前，在行業(yè)內(nèi)開關(guān)柜普遍的維護(hù)方法有故障維護(hù)、定期維護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)維護(hù)。故障維修是檢測(cè)到異常后進(jìn)行的維護(hù)，其目的是使設(shè)備恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。該維護(hù)的基本原則是：故障停機(jī)及維修成本低于維護(hù)方案；定期維護(hù)是按照既定的時(shí)間間隔進(jìn)行維護(hù)，旨在降低設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)或性能退化。該維護(hù)對(duì)停機(jī)設(shè)備執(zhí)行定期檢查，包括目視檢查、設(shè)備清洗、機(jī)械部件潤(rùn)滑、磨損部件更換及例行測(cè)試。根據(jù)停機(jī)設(shè)備的需求來制定維護(hù)周期計(jì)劃，可降低運(yùn)行故障的發(fā)生率；風(fēng)險(xiǎn)檢修是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定期維護(hù)，通過整合分析報(bào)告、測(cè)量數(shù)據(jù)及定期測(cè)試活動(dòng)而執(zhí)行的維護(hù)。結(jié)合設(shè)備在系統(tǒng)中的環(huán)境、運(yùn)行及工藝條件，審查收集的信息。目的在于執(zhí)行設(shè)備狀況及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并確定適當(dāng)?shù)木S護(hù)方案。所有顯示異常值的設(shè)備都得到維修或更換，以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，并確保供電的高效、可靠。

上述三種維護(hù)方法雖能在一定程度上解決開關(guān)柜穩(wěn)定性問題，但依然存在針對(duì)性不足、智能化不夠和過度維護(hù)等問題，既帶來高昂維護(hù)費(fèi)用支出，也降低了設(shè)備的使用壽命。

(二)中壓開關(guān)柜智能化解決方案

傳統(tǒng)維護(hù)方法存在困境，皆因無法直觀、智能感知設(shè)備在各個(gè)階段所處的狀態(tài)。若能構(gòu)建一套智能系統(tǒng)，讓維護(hù)人員直觀感知設(shè)備所處的狀態(tài)，則能真正意義上實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修。狀態(tài)檢修是根據(jù)設(shè)備性能監(jiān)測(cè)并據(jù)此采取糾正措施而執(zhí)行的智能維護(hù)。通過在線檢測(cè)工作設(shè)備的重要參數(shù)，并將其與平均值和平均性能自動(dòng)比對(duì)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備實(shí)際狀況進(jìn)行智能評(píng)估。當(dāng)某些指標(biāo)顯示設(shè)備正在退化且失效概率正在上升時(shí)立刻發(fā)出實(shí)施維護(hù)或指令信息。

如圖1所示，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，狀態(tài)檢修能夠大幅減少維護(hù)成本，最大限度減少重大事故的發(fā)生，并優(yōu)化現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)資源管理。

(三)中壓開關(guān)柜智能化系統(tǒng)的構(gòu)建

中壓開關(guān)柜智能化系統(tǒng)是以常規(guī)開關(guān)柜為基礎(chǔ)，在主回路關(guān)鍵位置集成先進(jìn)傳感器和智能化在線監(jiān)測(cè)裝置，利用無線射頻組網(wǎng)等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)，通過智能監(jiān)控裝置這個(gè)“大腦”進(jìn)行建模分析設(shè)備狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的可視化感知。

智能監(jiān)控裝置能實(shí)時(shí)分析開關(guān)柜的健康狀況發(fā)出預(yù)警，并指導(dǎo)運(yùn)維人員進(jìn)行相應(yīng)的檢修和維護(hù)工作，使得設(shè)備自身的使用效率和安全性也得到提高。通過搭建移動(dòng)通信平臺(tái)和先進(jìn)的人機(jī)交互技術(shù)，無論是本地還是遠(yuǎn)程，運(yùn)維人員都可隨時(shí)隨地了解開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而在事故發(fā)生前或在其發(fā)展成重大缺陷前對(duì)其進(jìn)行糾正。開關(guān)柜由斷路器和柜體組成，所以智能化系統(tǒng)主要體現(xiàn)在斷路器智能化和柜體智能化：斷路器智能化改造方案是通過對(duì)斷路器觸臂、線圈、儲(chǔ)能電機(jī)和手動(dòng)手車等部件進(jìn)行全部或定制升級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器一次側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)溫度、二次元件狀態(tài)及機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)和手車程序化操作；柜體智能化改造方案是在斷路器智能化改造方案的基礎(chǔ)上，通過對(duì)柜體上分支母線、電纜搭接部位和手動(dòng)地刀等部件進(jìn)行全部或定制升級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)柜體內(nèi)一次側(cè)關(guān)鍵點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)和地刀程序化操作。具體包括構(gòu)建溫升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單元、斷路器二次元件及機(jī)械特性監(jiān)測(cè)單元、斷路器手車電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元和開關(guān)柜接地刀電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元四大單元。

(1) 溫升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單元。溫升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單元是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜內(nèi)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)而開發(fā)的無線數(shù)據(jù)采集器，包括斷路器觸頭溫升監(jiān)控子單元，柜體分支母線溫升監(jiān)控子單元、電纜溫升監(jiān)控子單元，采用先進(jìn)的無線方式連接，可實(shí)時(shí)獲取觸頭系統(tǒng)及銅排搭接等位置的溫度值。多個(gè)溫升監(jiān)控子單元組成一個(gè)低成本、低功耗、短延時(shí)、高容量、高安全的近距離無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)握手、多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)路由等功能。利用可靠的無線射頻技術(shù)，輕松的使高低壓側(cè)數(shù)據(jù)交換進(jìn)行了徹底的電氣隔離，使開關(guān)設(shè)備主回路溫升監(jiān)測(cè)成為可能。

(2) 斷路器二次元件及機(jī)械特性監(jiān)測(cè)單元。斷路器二次元件及機(jī)械特性監(jiān)測(cè)單元是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器內(nèi)儲(chǔ)能電機(jī)、分閘線圈、合閘線圈的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)而開發(fā)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。其內(nèi)部采用先進(jìn)的霍爾元件來感應(yīng)儲(chǔ)能電機(jī)、分閘線圈、合閘線圈等執(zhí)行設(shè)備導(dǎo)致周圍的磁場(chǎng)變化，從而實(shí)現(xiàn)非介入式電壓電流測(cè)量。斷路器二次元件及機(jī)械特性監(jiān)測(cè)單元與斷路器儲(chǔ)能電機(jī)、分閘線圈和合閘線圈相連接，在執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作時(shí)，對(duì)其電壓、電流進(jìn)行記錄分析。在分合閘的同時(shí)，配合一對(duì)輔助開關(guān)可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器分合閘時(shí)間的檢測(cè)以及斷路器合分閘速度的計(jì)算。通過對(duì)斷路器二次元件的電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)維人員可通過對(duì)故障波形的分析，前后數(shù)據(jù)的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次元件潛在故障的快速診斷。

(3) 斷路器手車電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。斷路器手車電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元是為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)手車功能開發(fā)的多功能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其與智能化斷路器電動(dòng)手車相連接，可根據(jù)指令控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)斷路器手車的電動(dòng)搖進(jìn)、搖出。同時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷電機(jī)是否工作正常。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行受阻達(dá)到保護(hù)條件時(shí)，立即對(duì)電機(jī)制動(dòng)，隨后逆向驅(qū)動(dòng)電機(jī)解除卡死，以便順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)向手動(dòng)切換。

(4) 開關(guān)柜接地刀電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。開關(guān)柜接地刀電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元是為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)地刀功能開發(fā)的多功能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其與電動(dòng)地刀相連接，可根據(jù)指令控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)地刀電動(dòng)關(guān)合、斷開。通過借鑒斷路器手車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，效避免由地刀機(jī)構(gòu)遇到障礙或卡阻所導(dǎo)致的電機(jī)堵轉(zhuǎn)甚至燒毀情況的發(fā)生。中壓開關(guān)柜智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能包括：溫度監(jiān)測(cè)、真空度監(jiān)測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)及狀態(tài)顯示等(圖2)。

在智能化系統(tǒng)中，開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估和故障診斷是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維護(hù)的關(guān)鍵。設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估和故障診斷是一個(gè)復(fù)雜的分析過程，在具體實(shí)踐過程中，仍可以采用系統(tǒng)和人工相結(jié)合的決策方式，使判斷更加敏銳、及時(shí)和準(zhǔn)確。

(四)結(jié)語

綜上，本文提出的中壓開關(guān)柜智能化解決方案能智能感知設(shè)備的各種狀態(tài)，提醒運(yùn)維人員進(jìn)行針對(duì)性維護(hù)，避免出現(xiàn)過度維護(hù)現(xiàn)象，減少用戶維護(hù)成本支出，使得狀態(tài)檢修成為可能，并能滿足我國(guó)現(xiàn)階段電網(wǎng)智能化發(fā)展的各種需要，具有較好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。