智能型氣體絕緣封閉式高壓開關柜研究

沈陽高壓成套開關股份有限公司 李萬健

隨著新科技新技術的不斷發展與落地，綠色能源、智能電網等概念的提出，高壓開關柜的智能化發展已是必然趨勢。綜合繼電保護裝置的出現已使高壓開關柜的智能化得到了較大的發展，但高壓開關柜的智能化水平仍需不斷提高，本文從六氟化硫氣體絕緣封閉式開關柜的運行狀態監測、運行溫度監測、局部放電超聲波監測、斷路器主要技術參數的監測、三工位開關位置監測、六氟化硫氣體狀態監測、故障記錄與故障分析等方面對智能型氣體絕緣封閉式高壓開關柜進行了研究探討，提出了高壓開關柜智能化的可行性方案。

1 開關柜運行狀態監測

目前，高壓開關柜的繼電保護普遍完成了從繼電器保護回路向集成微機綜合保護裝置的升級，隔離開關分合閘狀態、接地開關分合閘狀態、斷路器分合閘狀態、電壓值、電流值、功率、功率因數、低氣壓報警、高氣壓報警、繼電保護動作等狀態值及參數均可集成到綜合保護裝置，保護邏輯的實現、保護定值的設定、遠程控制、數據傳輸也均可通過綜合保護裝置實現，開關柜的智能化正在快速發展。

雖然開關柜的主要狀態量已集成至綜合保護裝置，通過綜合保護裝置可以實現遠方查看狀態量、異常報警、遠程操控，綜合保護也可依據保護邏輯與定值實現繼電保護動作，但是高壓電的主要電能參數通過互感器提供，精確度受互感器精度影響，而狀態量多是通過輔助開關或限位開關模擬真實的一次電氣狀態。輔助開關與限位開關通過一系列機械聯動結構與一次電氣元件連接，對于防護等級嚴格的氣體絕緣高壓開關柜，一次元件全部密封于高壓氣室內，且無法觀測，輔助開關與限位開關需要經過多個連接件方能與一次元器件形成聯鎖，對斷路器與隔離開關，輔助開關多與操作機構連接，需通過操作機構與一次元件形成聯鎖，結構更加復雜，因此存在輔助開關狀態與一次電氣狀態不符的可能，且輔助開關與限位開關只能提供“0、1”狀態，無法提供較為精確的位置。

為了解決輔助開關與限位開關只能提供“0、1”狀態，無法提供較為精確的位置的問題，可以使用傳感器技術。傳感器技術已在各行各業中廣泛應用，技術穩定，但需要注意高電壓環境下的電場與磁場對傳感器的影響，為提供更高的穩定性與可靠性，使用傳感器的同時，不應放棄機械的輔助開關與限位開關。

2 運行溫度監測

開關柜主回路的運行溫度是開關柜穩定安全運行的重要指標，溫升過高會導致銅排導電性能降低，也會使絕緣件加速老化，機械性能與絕緣性能降低。主回路的溫升突然升高預示著故障隱患的發生概率的提高，須及時排除問題，否則可能造成嚴重事故，因此時刻觀察主回路的溫度十分有必要，尤其是母線搭接面、滅弧室觸頭、螺栓連接處等位置。對于GIS 柜可在氣箱開密封孔，安裝紅外測溫探頭或可視化紅外測溫攝像頭，通過紅外測溫探頭或可視化紅外測溫攝像頭監測主要位置的溫度變化。

3 局部放電超聲波監測

40.5kV 氣體絕緣封閉式開關柜的局部放電指標一般是小于等于10pc，對局部放電的要求較高，當局部放電增高時會導致絕緣件加速老化絕緣性能降低，長期存在較高的局部放電值將對電氣元件與絕緣件造成嚴重且不可逆的損壞，會降低開關柜的使用壽命，嚴重時可能引起一次絕緣故障。因此，對開關柜進行局部放電檢測十分有必要。局部放電試驗屬于預防性試驗，以往局部放電的試驗條件需要在停電檢修時進行，無法實現帶電監測。隨著局部放電超聲波技術的發展，使帶電監測局部放電指標成為可能。當然目前的超聲波技術還無法準確測量局部放電值，但可以監測局部放電量的變化，通過數據收集對比，可以判斷局部放電指標是否因故障造成放電量的急劇增高，有助于及時發現故障、排查故障，防止故障擴大化。不同原因引起的局部放電在超聲波監測下的波形各有不同，具體特點見表1[1]。

表1 典型放電原因在超聲波監測下的特點概述

4 斷路器主要技術參數的監測

氣體絕緣封閉式開關柜的斷路器密封于六氟化硫氣室內，斷路器的機械特性試驗需要在氣室開放狀態下進行。對于已經送電運行的GIS 開關柜，如需進行觸頭開距的測量，需要將開關柜停電退出運行狀態并完成維護接地，之后回收氣室內六氟化硫氣體，打開氣室，方可進行測量。測量完成后，還需對氣室抽真空充六氟化硫氣體，因此作業周期長，且耗費的六氟化硫氣體較多，成本較大，對于維修停電時間較短或者不可輕易停電的項目很難進行此項測量。開關柜在帶電運行過程中，想測量每一次斷路器動作的觸頭開距更是無法實現。而觸頭開距可以有效檢測斷路器的機械性能與電氣性能，對于開關柜的穩定運行具有較大意義。

斷路器觸頭開距的測量可以考慮應用位移傳感器來實現，這樣在開關柜送電運行過程中，可監測斷路器每一次動作的觸頭開距。在斷路器真空滅弧室動觸頭下端處安裝位移傳感器，斷路器每一次動作時，位移傳感器將測量真空滅弧室動觸頭的位移量。位移傳感器測量的數值，通過線纜經密封接線法蘭從氣室傳送到儀表門的數字顯示屏，通過數字顯示屏的通訊傳至后臺智能裝置上。運營人員可直觀看到斷路器每次動作的觸頭開距數值，并根據定值范圍判定斷路器是否存在異常。需要注意的是，位移傳感器位于高壓氣室內，需充分考慮絕緣距離、局部放電與電磁干擾，數據線需選用屏蔽線，屏蔽層可靠接地，傳感器置于“鐘罩型”屏蔽罩內，屏蔽罩不得與傳動機構干涉，同時需發揮電磁屏蔽與均勻電場的作用。

斷路器機構分合閘動作時帶動真空滅弧室動觸頭，真空滅弧室動觸頭拉桿垂直上下運動，合閘時垂直向上運動，分閘時垂直向下運動。動觸頭拉桿的運動會通過連接銷與“U”型連接架帶動位移傳感器的萬向接頭拉桿，測量運動距離，拉桿由合閘狀態轉為分閘狀態的位移差（或由分閘狀態轉為合閘狀態的位移差）即為斷路器的觸頭開距。分合閘轉換完成后，比對位位移量是否在定值范圍內，可判斷斷路器是否合閘到位或者是否分閘到位。

斷路器的合閘時間、分閘時間、三相同期目前還無法實時測量，只能在停電狀態下測量，對氣體絕緣封閉式開關柜，可在氣室后部增加驗電孔，通過驗電孔測量斷路器的機械特性，這樣不用開啟氣室，可以減少測試時間與測試成本。通過驗電孔也可測量分閘速度與合閘速度，將氣室內位移傳感器的數據線連接到機械特性測試儀上便可測量分閘速度與合閘速度。

斷路器的觸頭開距，合、分閘時間，三相同期，合、分閘速度是開關柜的重要技術參數，也是智能開關柜需要監測與定期記錄統計的重要數據，對開關柜具有重要意義。

5 三工位開關位置的監測

氣體絕緣封閉式開關柜的三工位開關的一次動靜觸頭均內置于密閉的氣室內，從外部無法觀測。三工位開關的動作是旋轉電機驅動齒輪、凸輪、鏈條，由鏈條驅動三工位開關主軸實現三工位開關的母線連接、接地狀態、隔離狀態。三工位開關的位置狀態由輔助開關提供，旋轉電機到位停止由操作機構箱內的行程開關發出，這兩種開關均位于操作機構箱，一次動靜觸頭與母線位于封閉氣室內通過三工位主軸與外部聯動，而操作機構箱與三工位開關主軸通過鏈條連接，因此，并不能精確顯示三工位開關的位置狀態，輔助開關只能提供閉點、開點兩種狀態，不能提供一次觸頭精確的旋轉角度，同時如鏈條拉斷，輔助開關將于三工位主軸失去聯鎖，輔助開關位置與三工位開關位置不符，傳遞的位置信號將失真。

在三工位開關主軸上安裝動態傾角儀，在儀表門上安裝數字顯示屏，三工位開關轉動時，通過動態傾角儀的測量角度，測量三工位開關主軸與水平線的夾角，反映三工位開關的實時狀態，測量的傾角角度通過R485通信線傳至數字顯示屏，也可傳送至智能控制器與綜合保護裝置，運營人員可根據角度范圍定值判定三工位開關是否到達母線連接、接地狀態、隔離狀態三個位置，具體的角度范圍見表2。

表2 三工位開關位置狀態與測量角度對照

模擬母線與三工位輔助開關可以指示三工位開關的位置狀態，但這兩者均安裝在三工位機構上，需通過欄桿、三工位機構主軸、傳動鏈條、齒輪等部件與三工位主軸聯動，一旦其中一個部件損壞，其指示將與三工位開關的實際位置不符，存在安全隱患。而傾角測試儀的安裝板焊接在三工位開關主軸的齒輪盤上，傾角測試儀隨三工位開關主軸轉動，測量不同位置的傾角角度，可精確指示三工位開關的位置狀態，測量的傾角角度通過R485通信線傳至數字顯示屏，運行人員可以將角度值與模擬母線和電氣位置信號（三工位輔助開關位置）進行比對，并核對角度值是否在定值范圍內，判斷三工位開關是否切換到位。如發現異常，可以及時維修整改，避免發生事故。測量的角度值也可傳送至智能控制器或后臺保護裝置，為保護邏輯提供必要的精確數據。另外，此方案可以縮短故障處理時間，故障處理者可以通過精確的角度測量值與額定值的比對，判斷三工位開關的實際位置與觸頭搭接情況，在氣室外部調節三工位開關主軸使其角度值與額定值匹配，便可在不打開氣室的情況下快速處理故障，可極大地縮短故障處理時間，減少故障處理成本。

6 氣體狀態監測

高壓開關柜使用的六氟化硫氣體純度一般在99.99%以上，但隨著高壓開關柜的送電運行，柜內發生放電會導致六氟化硫純度的降低，柜內的故障放電與電弧放電會產生硫化物、氟化物、碳化物，六氟化硫氣體各個成分的含量可分析發生放電的種類，初步判斷柜內的運行狀態，定期檢測六氟化硫氣的純度與成分含量對預防事故的發生有重要意義[2]。

7 故障記錄與故障分析

當供電系統發生故障時，故障錄波裝置會記錄發生故障時的各種參數，包括故障時的三相電壓與電流的波形幅值相位、零序電壓與電流的波形幅值相位、故障持續時間、保護動作時間、保護返回時間、斷路器跳閘時間等，專業人員通過現場的故障情況與各種參數相結合來分析得出故障原因，還無法通過智能化軟件直接分析故障，這需要在后續的發展中逐步創新發展。

8 結語

智能型氣體絕緣封閉式開關設備需要將開關柜的各個技術參數與運行參數集成于一體，并通過計算機技術完成各個參數可遠程實時查閱觀看、開關柜動作智能化，故障診斷智能化，開關柜遠程控制與監測等。智能型氣體絕緣開關柜在運行狀態監測、運行溫度監測、局部放電超聲波監測、斷路器主要技術參數的監測、三工位開關位置監測、六氟化硫氣體狀態監測、繼電保護工作原理的實現等方面已經有了較大的發展，但很多參數仍無法實時監控，保護邏輯的實現仍需更加完善，智能元器件傳感器元件在高壓電與磁場中的穩定性與精確性也需不斷提高，相信通過不斷探索與創新，氣體絕緣封閉式高壓開關柜智能化的發展將取得階段性的成果。