智能化變電站中斷路器相關(guān)問題的探討

隨著電力系統(tǒng)越來越高的可靠性及自動(dòng)化要求，無論是發(fā)電、輸電、配電還是用電，都提出了監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)等方面 的自動(dòng)化和智能化的要求。斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的控制元件，它的自動(dòng)化和智能化是電器設(shè)備智能化的基礎(chǔ)。 斷路器的智能化不是通常所想的，使用計(jì)算機(jī)就達(dá)到了智能化。它必須盡可能地應(yīng)用電弧自身的能量，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的 自診斷，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可控操動(dòng)，并且配置最新傳感器技術(shù)，微電子技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，智能化的概念才比較完整。

一般來說，智能化電器設(shè)備除滿足常規(guī)電器設(shè)備的原有功能外，其功能主要表現(xiàn)為:

1、應(yīng)具有靈敏準(zhǔn)確地獲取周圍大量信息的感知功能;

2、應(yīng)具有對(duì)獲取信息的處理能力;

3、應(yīng)具有對(duì)處理結(jié)果的思維判斷能力，對(duì)處理結(jié)果的再生信息的實(shí)施及有效操作的實(shí)施功能。

圖 1 概要說明了一種兼有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和傳感裝置的智能化斷路器工作原理。主要的傳感器可探明氣體密度，通過監(jiān)控 其運(yùn)動(dòng)和能量變化，反映操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)。氣體密度傳感器發(fā)出的信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，確定趨勢(shì)走向以及檢測(cè) 極限值，并能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)常規(guī)的 SF6 氣體的鎖定和報(bào)警功能。同樣，在運(yùn)動(dòng)傳感器和能量傳感器的幫助下，操作機(jī) 構(gòu)的狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。另外，這些傳感器的信號(hào)可同時(shí)用于常規(guī)的位置指示和電動(dòng)機(jī)控制功能上。

圖 1 斷路器智能化工作框圖

如果需要，還可在基本系統(tǒng)中增加傳感器。根據(jù)對(duì)周圍溫度的測(cè)試 結(jié)果，對(duì)狀態(tài)變化(以及反映出的趨勢(shì)信息)作出更準(zhǔn)確的評(píng)估。對(duì) 于沒有串行接口至更高一級(jí)層面的系統(tǒng)，進(jìn)行時(shí)間記錄十分有助于對(duì) 變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。附加的電流電壓傳感器實(shí)現(xiàn)斷路器設(shè)備功能最優(yōu)化 的基礎(chǔ)。

總的來看，可以歸納智能化斷路器的操作過程為: 智能控制單元不 斷從電力系統(tǒng)中采集某些特定信息，據(jù)此來判別斷路器當(dāng)前的工作狀 態(tài)，同時(shí)處于操作的準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)變電站的主控室因系統(tǒng)故障由繼電 保護(hù)裝置發(fā)出分閘信號(hào)或正常操作向斷路器發(fā)出操作命令后，控制單 元根據(jù)一定的算法求得與斷路器工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)定的最佳 狀態(tài)，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整至該狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作。顯然，智能控制單元是斷路器智能操作實(shí)現(xiàn)的核心 部件。

1、智能控制單元

智能控制單元是智能化斷路器的靈魂，它是以微處理機(jī)為核心部件，綜合應(yīng)用傳感技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字控制技 術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù)，以完成斷路器的智能操作，實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化。

智能控制單元的基本功能有：

1.1 自動(dòng)識(shí)別斷路器的工作狀態(tài)

斷路器的工作狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別是實(shí)現(xiàn)智能操作的前提。對(duì)于超高壓斷路器而言，其任務(wù)主要有分?jǐn)喽搪冯娏鳌⒇?fù)載電 流、過載電流、小容性電流和小電感性電流等。

1.2 自動(dòng)調(diào)整斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)

這是控制單元的核心功能。因此控制單元必須在識(shí)別斷路器工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定與之相對(duì)應(yīng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整量。

1.3 記錄并顯示斷路器的工作狀態(tài)

由于斷路器在大多數(shù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)是不動(dòng)作的，在此期間，本單元的任務(wù)是對(duì)斷路器的工作狀態(tài)不斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí) 它還記錄斷路器每次開斷情況，包括開斷電流的大小、開斷類型及是否發(fā)生拒分或拒合等信息。短路時(shí)還應(yīng)記錄短路電 流的變化過程，以便于電力部門進(jìn)行事故分析及斷路器的維護(hù)。同時(shí)，也可通過斷路器累積開斷電流的大小來表示斷路 器觸頭的燒蝕情況。

1.4 具有與遠(yuǎn)端主機(jī)進(jìn)行通信的功能

控制單元可以根據(jù)主機(jī)的要求將斷路器的開斷記錄及其他數(shù)據(jù)經(jīng)信息傳輸接口上網(wǎng)傳送至上位機(jī)，并通過上位機(jī)經(jīng)信 息傳輸網(wǎng)絡(luò)將操作命令及保護(hù)參數(shù)、保護(hù)及重合閘方式等配置要求傳送過來。

2、對(duì)斷路器工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷

監(jiān)測(cè)與診斷是智能化電器設(shè)備的重要環(huán)節(jié)，很難想象，智能化電器設(shè)備一旦失去了監(jiān)測(cè)與診斷的技術(shù)支持，會(huì)是個(gè)什 么樣子。計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)與微電子技術(shù)的進(jìn)步，使智能化斷路器的監(jiān)測(cè)與診斷的要求得以實(shí)現(xiàn)。它要求具有以下 功能：

2.1 滅弧室電壽命的監(jiān)測(cè)與診斷

動(dòng)作次數(shù): 記錄合分次數(shù)，逾限報(bào)警;

開斷電流加權(quán)累計(jì)，即統(tǒng)計(jì) ΣIα(α=1.5~2)值，逾限報(bào)警。

觸頭的電磨損主要取決于燃弧電流的大小及燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短。而燃弧時(shí)間，對(duì)實(shí)際使用中的斷路器是難于獲得的，且 燃弧時(shí)間從統(tǒng)計(jì)和累計(jì)的角度可不必考慮。因此，人們常將注意力集中在開斷電流上，研制累計(jì)開斷電流記錄儀。但是， 累計(jì)開斷電流與觸頭電器磨損之間并不是單值函數(shù)關(guān)系，同樣的累計(jì)開斷電流，如果單次開斷的電流小，其磨損量要比 單次開斷電流大時(shí)小得多，因此，正確的方法應(yīng)該是據(jù)每次開斷電流的大小換算成相應(yīng)的磨損量，而磨損總量應(yīng)根據(jù)斷 路器的額定開斷電流和額定開斷次數(shù)來確定，而不同開斷電流下的等效磨損量應(yīng)由試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)曲線確定。

對(duì)于真空斷路器來講，滅弧室除了電壽命外，還有真空度的監(jiān)測(cè)。大量的研究和實(shí)踐證明，12kV 真空斷路器目前型式 試驗(yàn)的短路開斷次數(shù)有的已做到了 50 次，在開斷 50 次以后，觸頭的燒損厚度僅為 0.6mm 左右，燒損甚微; 而真空滅弧 室產(chǎn)品允許觸頭燒損厚度為 3mm，說明真空斷路器在開斷方面的余量很大，更何況在實(shí)際運(yùn)行中，短路開斷的次數(shù)是不 會(huì)很多的。相應(yīng)之下，真空斷路器滅弧室的真空度下降的機(jī)率卻要高得多，從 1999 年的統(tǒng)計(jì)資料看，全國真空斷路器共 發(fā)生 45 次事故，其中因滅弧室真空度下降造成的就有 9 次，由此可見，對(duì)真空斷路器來講，滅弧室真空度的監(jiān)測(cè)是很重 要的。

2.2 斷路器機(jī)械故障的監(jiān)測(cè)與診斷

根據(jù)多年的大量統(tǒng)計(jì)資料表明， 事故的 70%~80%出在高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制回路。 斷路器的機(jī)械部分比較復(fù)雜， 且長(zhǎng)期不動(dòng)作，比目前已經(jīng)較為成熟的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的監(jiān)測(cè)技術(shù)更為困難，常需要采用多種技術(shù)綜合判斷，主要有以下幾項(xiàng)：

(1) 合分線圈電流波形監(jiān)測(cè)，非正常報(bào)警;

(2) 合分線圈回路斷路監(jiān)測(cè)，斷路報(bào)警;

(3) 監(jiān)測(cè)行程，過限報(bào)警;

(4) 監(jiān)測(cè)合分速度，過限報(bào)警;

(5) 機(jī)械振動(dòng)，非正常報(bào)警;

(6) 液壓機(jī)構(gòu)打壓次數(shù)、打壓時(shí)間、壓力;

(7) 彈簧機(jī)構(gòu)彈簧壓縮狀態(tài)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和鎖扣部分的工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間;

(8) 永磁機(jī)構(gòu): 線圈狀況、磁性的穩(wěn)定狀況和彈簧的壓縮狀態(tài)等;

(9) 關(guān)鍵部分的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。高壓斷路器合分動(dòng)作的機(jī)械振動(dòng)波形十分復(fù)雜，通常包含著多個(gè)子波，看起來雜亂無 章的波形實(shí)際上是多個(gè)子波的混疊，每個(gè)子波代表一個(gè)振動(dòng)事件。分析振動(dòng)波形，把各子波分離出來，可以得到事件的 個(gè)數(shù)及各事件發(fā)生的時(shí)間和事件的強(qiáng)度，可以獲取斷路器操作過程機(jī)械部分的多個(gè)信息。對(duì)波形分析的方法很多，如小 波分析、形狀比較、統(tǒng)計(jì)過程處理等等。測(cè)量所用的加速度傳感器應(yīng)據(jù)所監(jiān)測(cè)的目標(biāo)(電磁振動(dòng)、部件振動(dòng)、操作振動(dòng)、 微粒跳動(dòng)等等)的不同而合理選擇。振動(dòng)傳感器的安裝位置也應(yīng)精心布置;

(10) 合、分閘線圈電流和電壓波形的檢測(cè)。線圈電流波形中包含著許多操作系統(tǒng)的信息，如線圈是否接通，鐵芯是否 卡澀，脫扣是否有障礙等等;

(11) 合、分閘機(jī)械特性: 速度、過沖、彈跳、撞擊等，這些信息也可從振動(dòng)波形中有所反映;

(12) 控制回路通斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這對(duì)因輔助開關(guān)不到位或接觸不良造成的拒分、拒合故障有很好的監(jiān)視作用;

(13) 操作機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能完成狀況。

判斷上述所監(jiān)測(cè)信號(hào)是否正常的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)就是將其與正常狀態(tài)下的情況作比較。正常狀態(tài)是在某一范圍內(nèi)，只 有通過具體條件由試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)處理確定。通常是將一次操作的幾個(gè)波在時(shí)域、頻域、幅度上作橫向比較，與前幾次的操 作作縱向比較以得出診斷結(jié)論。

2.3 絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

氣體斷路器氣體壓力，越限報(bào)警，閉鎖。

監(jiān)測(cè)局部放電，用以預(yù)報(bào)絕緣事故，智能技術(shù)是把對(duì)信息的獲取和加工推理，從代數(shù)的簡(jiǎn)單數(shù)值計(jì)算，發(fā)展為模擬人 腦對(duì)不確定性的辨別、思考、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和決策。將智能技術(shù)引入到基于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的絕緣診斷系統(tǒng)，將診斷機(jī)制分 為四個(gè)層次，依次為在線數(shù)據(jù)的預(yù)處理、征兆集的提取、故障類型的確定以及決策，如圖 2 所示。

圖2 電力設(shè)備故障診斷的分層結(jié)構(gòu)

研究表明，由于在線監(jiān)測(cè)具有數(shù)據(jù)量大、影響因素復(fù)雜的特點(diǎn)，智能技術(shù)特別適 合絕緣在線診斷。

在線數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段，采用有關(guān)方法剔除虛假點(diǎn)，并通過分析在線數(shù)據(jù)與環(huán)境 因素的相關(guān)性，利用三次擬合曲線削弱環(huán)境對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。在征兆集的提取階 段，由于考慮到數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特性和隨機(jī)誤差的影響，將待檢數(shù)據(jù)與模型的殘差作為 故障的征兆之一，采用了相對(duì)比較法的時(shí)序分析法。研究證明這些方法是有效的。

對(duì)絕緣診斷的后兩個(gè)層次，即故障類型和決策層方面，尚需積累更多的在線監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)，以及對(duì)故障種類的模式、嚴(yán)重程度的在線數(shù)據(jù)特征進(jìn)行深入的研究，專家知 識(shí)的積累和診斷方法的完善也將是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。

2.4 載流導(dǎo)體及接觸部位溫度的監(jiān)測(cè)

載流導(dǎo)體和母線聯(lián)接處， 接頭處等接觸部位的接觸受振動(dòng)力矩的作用而發(fā)生變化。 導(dǎo)致接觸電阻增加，接觸部位的溫度增加，故需要對(duì)這些部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

這通常是利用紅外光的幅射強(qiáng)度或?qū)⒏袦卦b在導(dǎo)體上，轉(zhuǎn)換成信號(hào)傳到低電 位再還原成溫度信號(hào)，其難點(diǎn)是高電位導(dǎo)體上低壓工作電源的獲得方法，也有利用 受熱發(fā)聲器件將異常過熱信息傳到低電位接受裝置的。近來，有直接在低電位處將紅外光照到載流導(dǎo)體上就能從發(fā)射方 獲取被測(cè)體溫度的非接觸方法。還有利用光微薄硅溫度傳感器的無源測(cè)量方法如圖 3 所示。

圖 3 光微薄硅溫度傳感器的溫度探頭原理圖

圖 3 是采用對(duì)溫度敏感的 Fabry-perot 槽研制出的一種溫度探頭， Fabry-perot 槽溫度探頭原理圖如圖 3 所示。 裝置由一薄硅片構(gòu)成， 在 它中段的頂部和底部蝕刻出矩形槽，然后在薄硅片頂粘貼上一層玻 璃，該玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅片的熱膨脹系數(shù)不同。當(dāng)該處溫度變 化時(shí)，因 2 種材料不同的熱膨脹系數(shù)，在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng) 力改變槽的深度。用光纖將多色光送入 Fabry-perot 槽，反射出的調(diào) 制光也經(jīng)光纖送出，調(diào)制的輸出信號(hào)是用光學(xué)干涉測(cè)量方法測(cè)量的。 由 Fabry-perot 槽構(gòu)成的光纖傳感系統(tǒng)其組成元件耐腐蝕、小巧、測(cè) 量靈敏度高，而且不受電磁干擾影響，在智能化高壓電器的溫度在 線監(jiān)測(cè)方面有廣闊的市場(chǎng)。

2.5 監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的總體框圖 一

個(gè)智能化的斷路器設(shè)備或斷路器設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)其總體方框圖大致如圖 4。 信號(hào)傳輸部分若是扁平電纜， 則距離甚短，多為并行數(shù)據(jù)信號(hào); 若距離較長(zhǎng)多為串行信號(hào)，僅需兩根電纜，且信號(hào)獲取單元可有多個(gè)，每增一個(gè)僅多一 地址編碼。由于對(duì)異常程度及故障部位的診斷難度較大，計(jì)算機(jī)決策有時(shí)比較困難，很多裝置還借助于人腦對(duì)信息作綜 合分析，以便作出最后決斷，計(jì)算機(jī)只對(duì)那些確認(rèn)無疑的 越限值給出告警信號(hào)。

圖 4 診斷系統(tǒng)總體框圖

傳感器要獲取的信號(hào)并不只局限于前面敘述的那些，一個(gè)智能程度較高的斷路器除電氣、機(jī)械、絕緣各方面的劣化或 變異需自行監(jiān)測(cè)外，諸如氣體密封狀態(tài)、真空滅弧室的真空度、液壓機(jī)構(gòu)的液壓、組合電器中避雷器的特性劣化等也應(yīng) 有相應(yīng)的自檢措施。

3、斷路器的智能操作

斷路器的智能操作是智能化斷路器最典型的應(yīng)用，它是將智能化技術(shù)引入到斷路器的電氣性能中去，它使斷路器能更 好地完成開斷任務(wù)和提高開斷的可靠性，提高斷路器的綜合技術(shù)性能，無論是生產(chǎn)運(yùn)行還是對(duì)研究制造都具有十分重要 的作用和價(jià)值。目前認(rèn)為，它至少應(yīng)包括以下兩方面：

一是要求斷路器的操作性能可根據(jù)電網(wǎng)中發(fā)出的不同工況自動(dòng)選擇和調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)或者滅弧室合理的預(yù)定工作條件。 例如：對(duì)于自能式斷路器的分?jǐn)嗖僮?，小?fù)載時(shí)觸頭以較低的速度分?jǐn)啵瓤杀ＷC所需的滅弧能量又可減少機(jī)械損耗， 而在接到短路信號(hào)時(shí)則以全速分?jǐn)?，獲得電氣和機(jī)械性能上的最佳開斷效果。目前，此類專家系統(tǒng)的開發(fā)已在進(jìn)行，變 速操作打破了傳統(tǒng)斷路器單一分閘特性的概念，實(shí)際上是上述執(zhí)行功能的智能化，是對(duì)高電壓等級(jí)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的改 造十分有益的嘗試。

再是要求斷路器在零電壓下關(guān)合，在零電流下分?jǐn)啵@與斷路器的同步分?jǐn)嗯c選相合閘的工況是完全一致的，同步分 斷可以大大提高斷路器的分析能力，一臺(tái)低成本的小容量開關(guān)可分?jǐn)?10 倍以上容量的電流;選相合閘可以避免系統(tǒng)的不 穩(wěn)定，克服容性負(fù)載的合閘涌流與過電壓。在電力電子領(lǐng)域，近年來流行一種軟開關(guān)技術(shù)，使半導(dǎo)體開關(guān)器件在零電壓 下關(guān)合，在零電流下分?jǐn)啵梢哉J(rèn)為，電子操動(dòng)正是實(shí)現(xiàn)斷路器的軟開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵。目前比較迫切的應(yīng)用是在：

并聯(lián)電抗器操作、電容器組操作、變壓器操作、輸電線路操作。

每一種應(yīng)用對(duì)斷路器和控制裝置的性能提出某些要求，能從根本上解決過壓?jiǎn)栴}。這對(duì)推廣無功補(bǔ)償、穩(wěn)定電力系統(tǒng) 意義極大。應(yīng)用真空觸發(fā)開關(guān)和一般電磁機(jī)構(gòu)真空開關(guān)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種選相合閘的并聯(lián)電容器組的投切，進(jìn)一步的工作 將用有永磁機(jī)構(gòu)的智能化斷路器直接實(shí)現(xiàn)選相合閘。

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)大大提高了機(jī)構(gòu)的可控性，由原來毫秒級(jí)的機(jī)構(gòu)控制時(shí)間分散性進(jìn)步到微秒級(jí)的電信號(hào)控制，由機(jī)械儲(chǔ) 能、機(jī)械脫扣進(jìn)步到電儲(chǔ)能、電信號(hào)直接觸發(fā)動(dòng)作(電子脫扣) 。真空斷路器新的操動(dòng)理論應(yīng)包括兩部分: 控制精度分析 與可靠性設(shè)計(jì)，高可靠性控制電路的設(shè)計(jì)以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析與優(yōu)化。

斷路器的同步分?jǐn)嗯c選相合閘的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代傳感器技術(shù)使交流零點(diǎn)信號(hào)的拾取變得非?？煽亢头奖恪Ｍ瑯?，我們也可以方便地取到交流電壓或電流變化率的 零點(diǎn)(對(duì)應(yīng)正弦信號(hào)的峰值)信號(hào)。剩下的問題是控制信號(hào)在電壓或電流零點(diǎn)以前或它們的變化率零點(diǎn)以后什么時(shí)刻發(fā) 出。

目前同步斷路器的發(fā)展還需進(jìn)一步的可靠性論證和設(shè)計(jì)，它的連帶意義是斷路器的完全可控，其發(fā)展可能成為最典型 的新概念開關(guān)電器。

20 世紀(jì) 90 年代 ABB 公司推出了 CAT(即具有人工智能技術(shù)的斷路器，Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology):CAT 是專為 ELF 型 SF6 斷路器(敝開式)和 ELK 型封閉式組合電器(GIS)而開發(fā)和試驗(yàn)的，見圖 5。

圖 5 CAT 接線示意圖

CAT 為一模塊式電子，它由三個(gè)獨(dú)立的分相模塊所組成，可使斷路 器在最佳投切時(shí)刻進(jìn)行每相的獨(dú)立操作。其效果為：減輕投切時(shí)的瞬 時(shí)過電壓;減輕電流對(duì)設(shè)備的應(yīng)力。

對(duì)常常要使用分合閘電阻的高壓斷路器來說，CAT 是一種可供選擇 的可靠技術(shù)替代方案。CAT 安裝在斷路器的控制回路中，具有處理來 自電壓或電流互感器輸入的信息的功能，并在最佳操作條件的時(shí)刻發(fā) 出斷路器操作脈沖。例如：視電網(wǎng)參數(shù)不同而異，CAT 能有效地將電 容器組投入時(shí)的沖擊電流減低到其原有值的 30%。對(duì)于有并聯(lián)補(bǔ)償線路的自動(dòng)重合閘，即使對(duì)長(zhǎng)線路而言，操作過電壓 值也能保持在 2 倍(標(biāo)么值)以下，在切除并聯(lián)電抗器的情況下，CAT 能消除在斷路器內(nèi)有害的電弧重燃，因而防止了 電抗器絕緣的劣化。

可以看出，CAT 在一起程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器的受控操作，具有智能操作的一些特點(diǎn)。

實(shí)際上，國外十幾年前已開始相當(dāng)普遍地實(shí)際應(yīng)用相位控制高壓斷路器技術(shù)，下表簡(jiǎn)要說明相位控制高壓斷路器的作 用。

4、智能型高壓電器有關(guān)問題的探討

斷路器智能技術(shù)不僅是概念上的轉(zhuǎn)變和理論上的發(fā)展，而且是在眾多領(lǐng)域中技術(shù)上的突破，它的實(shí)現(xiàn)必然會(huì)應(yīng)用一些 新技術(shù)、新材料、新工藝，不斷提高產(chǎn)品的檔次和技術(shù)含量，但是在這個(gè)過程中，核心的問題是信息的采樣傳輸與控制 系統(tǒng)，這些領(lǐng)域中，有的技術(shù)相對(duì) 成熟，有的尚處于開發(fā)研制與試運(yùn) 行階段，需要一個(gè)不斷總結(jié)提高和 完善的階段，具體有下列面：

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

(1)傳感技術(shù)。局部放電、高壓 導(dǎo)體測(cè)溫、高壓側(cè)電流和電壓的測(cè) 量技術(shù)，特別是目前正在開發(fā)研制 的光電流、電壓傳感技術(shù)等難度較 大的傳感技術(shù);

(2)微機(jī)技術(shù)。開發(fā)出成功的智 能化軟件是微機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵。而軟 件系統(tǒng)中，主程序則是核心程序。

主程序首先完成單片機(jī)和外圍接 口芯片的初始化; 之后， 主程序不斷 檢測(cè)并顯示斷路器的工作狀態(tài)，隨 時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)上位機(jī)的要求與之通信， 傳遞有關(guān)的控制和狀態(tài)信息。

(3)抗電磁干擾技術(shù)

研究表明，系統(tǒng)中常態(tài)噪聲是工 頻 50Hz 及其高次諧波， 一次回路中 發(fā)生的任何形式的暫態(tài)過程(如各 種過電壓和各種短路故障)以及載 波通訊信號(hào)，都會(huì)通過不同的途徑 耦合到二次系統(tǒng)。此外，高電場(chǎng)引 起的電暈及污閃也要產(chǎn)生電磁輻射，二次控制回路的開關(guān)電源由于其浪涌噪聲也會(huì)對(duì)電量傳輸帶來擾動(dòng)。大功率電磁鐵 動(dòng)作時(shí)引起空間磁場(chǎng)的變化，還會(huì)在附近的導(dǎo)電回路中感應(yīng)出電流，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的控制電路帶來考驗(yàn)。解決電磁兼容 問題就要針對(duì)各干擾源，嚴(yán)格屏蔽、隔離與接地措施，信號(hào)的數(shù)字化傳輸可以大大緩解干擾的影響程度，引入光電轉(zhuǎn)換 不但可以進(jìn)行電氣隔離，還可以保證信號(hào)傳輸過程不受電磁場(chǎng)的干擾。

由于智能化斷路器的信號(hào)傳輸與控制系統(tǒng)的工作電壓和信號(hào)傳遞電平低，耐壓水平低，外界電磁場(chǎng)干擾很容易使其失 效或損壞，而這種情況對(duì)于傳統(tǒng)電器調(diào)和的影響是不大的。因此，電磁兼容是斷路器智能化的新課題。

(4)信號(hào)處理技術(shù)。對(duì)有些技術(shù)來說，獲得監(jiān)測(cè)信號(hào)只是第一步，必須進(jìn)行故障診斷才能作出判斷、決策。如局部放 電監(jiān)測(cè)所得復(fù)雜信號(hào)需要進(jìn)行故障診斷才能實(shí)現(xiàn)故障分類、故障定位、預(yù)期壽命估計(jì)等;用機(jī)械振動(dòng)法監(jiān)測(cè)斷路器機(jī)械 狀態(tài)也需對(duì)獲取信號(hào)作處理才能正確辨識(shí);目前對(duì)于斷路器電弧狀態(tài)的研究，也是從電弧電壓入手，通過軟件的處理實(shí) 現(xiàn)對(duì)電弧狀態(tài)的診斷。

4.2 壽命問題

一般來說，電子設(shè)備的使用壽命遠(yuǎn)低于高壓電器設(shè)備本身的壽命，這是一個(gè)矛盾。解決的辦法有： 提高電子設(shè)備的可靠性，這可以從設(shè)計(jì)、制造及適當(dāng)改善運(yùn)行條件幾方面著手;

應(yīng)有自檢功能;

采用綜合判斷;

對(duì)于相同功能的部件，采用模塊化設(shè)計(jì)，以降低成本增加備用量，達(dá)到總體上提高電子設(shè)備的可靠性。

4.3 經(jīng)濟(jì)問題

當(dāng)前在計(jì)算機(jī)等設(shè)備不斷降價(jià)的情況下，監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格也不斷降低。這種趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)下去。但無論如何，仍要相當(dāng) 經(jīng)費(fèi)。如日本三菱公司在’97 國際電力設(shè)備及技術(shù)展覽會(huì)上顯示的 GIS 監(jiān)測(cè)設(shè)備包括局部放電等約 10 項(xiàng)內(nèi)容的裝置，價(jià) 格不超過 GIS 本身的 1/10。這比幾年前聽到的 1/3 要便宜不少。如采用國產(chǎn)設(shè)備還會(huì)便宜得多。

國外也十分關(guān)心監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)問題，并作出了不少經(jīng)濟(jì)分析。如有用下列公式作為采用監(jiān)測(cè)設(shè)備的條件： C

式中：C——檢測(cè)裝置每年平均投資

B——采用監(jiān)測(cè)裝置后，因減少維修次數(shù)而每年平均節(jié)約的維修經(jīng)費(fèi) D——采用監(jiān)測(cè)裝置后，因減少一次事故而每個(gè)平均節(jié)約的維修費(fèi) E——年事故率

在不考慮 D?E 一項(xiàng)時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)備的合理投資為高壓開關(guān)設(shè)備投資 1%-2.7%，后者指頻繁操作的高壓開關(guān)。以上當(dāng)然未 考慮因出現(xiàn)事故所造成的各種間接經(jīng)濟(jì)損失。非經(jīng)濟(jì)損失更難于計(jì)算。

美國紐約電管局和加拿大魁北克水電局自 1993 年裝置 MONITEC 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)到 1996 年因監(jiān)測(cè)出包括機(jī)構(gòu)卡滯、動(dòng)作不 到位和軸銷斷裂等 5 次重大事故征兆，保證了供電可靠性，估計(jì)節(jié)約經(jīng)費(fèi)超過 100 萬美元，降低了成本，提高了市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)力。

目前，對(duì)高壓斷路器智能化經(jīng)濟(jì)問題的考慮，總是偏重對(duì)智能化需要而購置的設(shè)備的價(jià)格;其次，再包括減少維修次 數(shù)節(jié)約的經(jīng)費(fèi)和減少一次事故所節(jié)約的費(fèi)用。按理說，這是很不夠的。比如，由于實(shí)現(xiàn)了斷路器的受控操作，斷路器的 開斷容量可以減少，是否能選擇開斷容量小一些的斷路器?操作過電壓的倍數(shù)下降了，設(shè)備的絕緣水平能否下降?再者， 由于智能化斷路器科技含量高、技術(shù)先進(jìn)、可靠性高而受到用戶的青睞，在競(jìng)爭(zhēng)中中標(biāo)而獲利，這些潛在的經(jīng)濟(jì)效益能 不能考慮。總的來看，無論是研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、制造廠商還是使用單位，把目標(biāo)瞄準(zhǔn)智能化斷路器不失為明智之舉。

5、智能化斷路器的現(xiàn)狀

近年來已有很多智能化斷路器面市，高壓領(lǐng)域典型的有東芝公司的 C-GIS 和 ABB 公司的 EXK 型智能化 GIS，它們的 特點(diǎn)都是采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和微計(jì)算機(jī)處理技術(shù)， 使整個(gè)組合電器的在線監(jiān)測(cè)與二次系統(tǒng)在一個(gè)計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)上。 在中壓領(lǐng)域較典型的有九十年代初的富士公司的智能式真空斷路器及 ABB 公司近年來推出的 VM1 型真空斷路器。前者 包括三種功能: 自動(dòng)保護(hù)功能、 早期維護(hù)功能和信息傳遞功能。 其中保護(hù)功能指標(biāo)斷路器本體可對(duì)過電流和短路故障進(jìn)行 檢測(cè)與判斷并發(fā)出指令， 使斷路器可靠分閘; 早期維護(hù)功能指斷路器在真空度降低、 電接觸部位溫升異常以及脫扣線圈斷 線時(shí)均能發(fā)出報(bào)警， 提示操作人員把斷路器退出運(yùn)行進(jìn)行維修; 信息傳遞功能則指除正常外加入的控制信號(hào)外斷路器狀態(tài) 的信號(hào)輸出。

VM1 型真空開關(guān)是 ABB 公司的最新產(chǎn)品，除了新穎的一體化絕緣結(jié)構(gòu)，最顯著的特色是采用了除永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)外， 就是它的二次控制無觸點(diǎn)化和采用新型傳感器。開關(guān)的位置傳感器和輔助接點(diǎn)均為無觸點(diǎn)的臨近開關(guān)或光開關(guān)，新型號(hào) 電量傳感器信號(hào)可以直接變換成數(shù)字信號(hào)，取代了傳統(tǒng)的電磁式電壓和電流互感器。

當(dāng)前，世界上先進(jìn)的工業(yè)國家都看好在電力系統(tǒng)中高壓領(lǐng)域智能化高壓電器的發(fā)展前景和潛在的效益，加大了研究的 投入和開發(fā)的力度，比較典型的有 ABB 公司推出的 CAT，具有人工智能技術(shù)的斷路器，如前面所討論的，在一定程度上 實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器的受控操作; ABB 公司推出的光電式電流傳感器和電壓傳感器在高壓領(lǐng)域中替代了傳統(tǒng)的電磁式電流互 感器和電壓互感器，解決了智能化高壓電器設(shè)備中傳感技術(shù)的難題。目前，已經(jīng)大量應(yīng)用的信號(hào)數(shù)字化傳輸技術(shù)大大緩 解了信號(hào)傳播中干擾的影響程度等，這些高新技術(shù)的應(yīng)用都為智能化斷路器技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。

斷路器智能化是一項(xiàng)更新?lián)Q代的工作，它涉及到很多領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展，如傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī) 技術(shù)、信息技術(shù)以及斷路器本身及操動(dòng)機(jī)構(gòu)等方面，需要更多的投入和開發(fā)。但是，可以展望，隨著智能化進(jìn)程上的難 題一個(gè)一個(gè)地被破解，性能優(yōu)越的智能化斷路器終將會(huì)在不久的將來登堂入室，為人們所熟悉和喜愛。