金屬封閉高壓開關柜的智能化技術

 

另外，計算機技術及電磁兼容性（EMC）水平提高（即能抗強電磁干擾），信息傳感技術、微電子技術、通信及數據處理技術的普遍應用和發展，也促進了成套中壓開關設備智能化進程。

智能化中壓開關設備主要由硬件與軟件組成：（1）可控操作的高可靠開關設備；（2）測控保護裝置具有保護、測量、監視、控制及通信等功能；（3）在線檢測裝置可對SF6斷路器、油斷路器、其它電器設備及環境等進行實時監測；（4）*的傳感器可實現各種信號可靠轉換；（5）中壓開關柜的結

 

2．1　智能化測控保護裝置的功能

智能化測控裝置的核心器件是微處理機，裝置充分利用數字技術和軟件技術，將保護、監視、控制、測量與通信集于一身，在相同的硬件環境下，可實現多種功能。

（１） 基本保護功能：　有方向或無方向的過流和接地故障保護；低周減載保護；自動重合閘功能（后加速）；零序電壓、過電壓和低電壓保護；斷路器失靈保護；電流速斷、*速斷及反時限過流保護。

（２） 控制功能：　保護跳閘、合閘，遠方、就地控制，各種信號控制及控制對象的顯示等。

（３） 測量電量功能：　可測量相電流、相間和相對地電壓、零序電壓和電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數和電能等。

（４） 通信功能：　可完成與ＰＣ機就地通信或通過變電站通信系統與遠方通信，裝置一般可支持modbus協議和標準通信規約ＩＥＣ８７０—５—101（１０３）、DNP3.0、TCP/IP等；串行標準接口ＲＳ２３２、ＲＳ４８５，工業現場總線CANBUS、Lonworks等，以太網接口；支持多種通信介質如雙絞線、光纖及無線等。

（５） 監視功能：　斷路器狀態監視、跳、合閘回路監視和本機運行自檢。

故障記錄和錄波功能： 可記錄故障類型、發生時間及故障量zui大/zui小值，也可對故障波形進行記錄。

2．2　智能化測控保護裝置構成的二次接線

一臺具有計量、控制、保護及通信等全部功能的智能化測控保護裝置安裝于開關柜上時，二次接線工作十分簡潔，智能化測控保護裝置與外部單元接線見圖1。用戶僅需將電壓、電流信號，斷路器狀態位置信號和出口控制信號等與開關柜內相應一次元件的端子相連即可。

智能化測控保護裝置通過采集電壓、電流信號，斷路器狀態信號及其它輸入的開關量信號，接地故障狀態，獨立完成數據處理，實現保護、控制及顯示故障紀錄功能，同時通過通信接口完成信息上傳。因此與傳統二次技術相比，智能化測控保護裝置不但功能更多、精度更高，而且二次接線更簡潔。

 

3　在線監測裝置

 

3．1　按狀態維護技術

由于高壓電器設備在電網中的重要性，一旦發生事故，將引起局部或較大地區的停電，會造成巨大的經濟損失和社會影響，因此這些設備運行一段時間后或運行中，必須進行必要的檢查和維護。迄今為止，電力部門一直采用傳統的維護方式：即定期維護技術，所謂定期維護是經過規定的一段時間（比如5年），對設備進行規定項目維護，這些項目是設備檢查、更換零部件、解體檢查等。應該說：這種定期維護技術對減少和防止設備的故障發生起到了良好的作用，但是這種定期維護方式存在不少缺陷，例如在設備解體檢查時，需要對斷路器及電器設備的一部分進行解體，不但作業時需要停電，而且視其項目還需要可觀費用，另外停電后設備狀態（如溫度、作用電壓等）和設備運行中的狀態不一致，會影響一些數據判定。

由于定期維護技術存在許多缺點，另一方面隨著科學技術發展，電子技術、光傳感技術、計算機技術、信號處理技術的發展，使傳統的定期維護技術向預見性維護方式，即按狀態維護方式過渡。

與傳統定期維護技術相比，按狀態維護技術具有如下優點：

（1）按狀態維護技術的基本點是對設備在運行狀態下實時監測及判斷，因此可避免定維護所造成的浪費及其它缺點；

（2）按狀態維護技術是以信息技術為基礎，采用自動管理技術來達到合理延長設備使用壽命，因此可降低設備運行的總費用。

圖2 是加拿大Winnipeg Manitoba附近的Dorsey 試驗站中高壓SF6斷路器的在線檢測系統。在試驗斷路器上安裝了各種類型的傳感器，實現了電能、機械、SF6氣體在線監測，且已得出了許多有價值的結果。3．2　在線監測項目

（1）斷路器機械、電器性能監測。如合、分閘線圈電流、操動機構特性、觸頭行程和速度、振動信號監測。

（2）中壓開關柜內母線聯結處溫升檢測。

3．3　斷路器機械故障的監測

3．3．1　斷路器合、分閘線圈電流的監測

如果高壓斷路器的操作機構是電磁操動機構，其合、分閘線圈一般由直流電源供電，見圖3。經驗表明：合、分閘線圈的電流可以作為診斷機械故障的信息，合、分閘線圈的電流訊號可由補償式霍爾電流傳感器給出，給出的合、分閘線圈的電流訊號也示於圖3。

圖中是起始時刻，是合、分過程計時起點，t1為線圈中電流、磁通上升到足于驅動鐵心運動，即鐵心開始移動的時刻；t2為鐵心已觸動（開始）操作機構負載，這也是開關觸頭開始運動的時刻；t3為開關輔助接點切斷電源，即電磁線圈回路斷開的時刻。利用比較電流波形的變化或差異可以診斷出操作機構的故障程度。3．3．2　行程、速度的監測

斷路器觸頭剛分速度對滅弧性能影響很大，適當提高剛分速度對減少電弧能量、減少零部件的燒損有很大作用，但過分增大剛分速度不一定能提高滅弧性能，反而會加重操動機構的負擔；同樣斷路器觸頭合閘速度對滅弧性能也有很大影響。因此，對斷路器觸頭的行程、速度特性的測量及在線監測是很重要的。為了完成正確測量，必須選取合適的位移傳感器。

可以選擇旋轉光編碼傳感器。利用增量式旋轉光編碼傳感器可以完成轉動角度及方向的測量，一般把旋轉光編碼傳感器安裝在斷路器操動機構的轉軸上，這種傳感器的結構原理示于圖4。

增量式旋轉光編碼一般有3個碼道（A道，B道，Z道），A道與B道相差90°，每周的碼條數可以根據測量分辨率選取，Z道每周一條，用來確定旋轉次數。當軸轉動時，編碼器輸出A道、B道兩路相差90°角的正交脈沖，輸入信號處理電路，從A道、B道兩信號的相對位置可確定轉軸的轉動方向，如果A道先于B道，為正旋轉，而B道先于A道，為反旋轉。再通過加、減計數器對A道、B道兩路信號計數，能得到轉動角度大小及方向，從而可以測出斷路器運動部分運動及反彈情況，可以計算出動觸頭行程；分合閘同期性；平均速度；超行程；剛分后或剛合*ms內速度（主要是平均速度，zui大速度）等。

3．4　中壓開關柜母線聯結處溫升在線檢測

3．4．1　母線聯結處異常溫升的原因

溫度是一個基本的物理量，許多設備的故障是由異常溫升而造成。在正常運行時，高壓電器導電回路長期通過工作電流產生的能量轉變為熱能，使電器材料溫度升高，一般不會超出規定范圍；但導電回路一旦發生接觸不可靠時，會使電器材料溫度升高超出規定范圍，而使電器材料的機械強度、物理性能等下降，因此在國家標準《GB 3906-91 3~35kV金屬封閉開關設備》、《GB/T 11022-1999 高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求 》中均規定了不同電器材料允許的長期工作溫度。

兩母線聯結處有一個接觸電阻，當電流流過時，由于接觸電阻的存在，要引起該處發熱，如果該處的溫度超過規定值，則會加該接觸處氧化，氧化結果又會導致接觸電阻上升，這樣又促使發熱加大，溫度增加，而造成故障，因此國家標準“GB 3906-91”、“GB/T 11022-1999”規定了對額定電壓3kV及以上、頻率50Hz長期工作的電器，如斷路器、隔離開關、封閉式組合電器、金屬封閉開關設備、負荷開關等產品，必須進行溫升試驗，以保證設備長期通過額定工作電流下，電氣聯接部位的溫度不超過標準允許的數值。

3．4.2　用石英溫度傳感器埋入母線溫升部位溫升實時監測

石英溫度傳感器是天然石英晶體經過特定方向的切割后，可發現振蕩頻率與溫度有一定關系，采取特殊的切割可以加強這一變化，因此可利用f— T特性進行測溫。

石英晶體有X、Y、Z三個結晶軸，如切片平面用X、Y描寫，則X軸Z軸的夾角為Φ，Y軸X軸的夾角為φ，則得到：

f1=f01+A（t-t0）+B（t-t0）2+C（t-t0）3

式中A、B、C分別為與切割角度有關的常數，與Φ，φ有關。f0是在t0溫度下的振蕩頻率。如果滿足Φ＝9.4°，φ＝11.6°，則在-80~250℃ 范圍內： A＝35×10-6/度，B＝C＝0。

所以上式變為： f1=f01+A（t-t0）， f1與t成正比。

設t0＝0°c時， f0=28.2MHz，代入A值，得到頻率靈敏度為987.3Hz/℃,即溫度變化1℃，頻率變化近1000Hz，分辨率為0.001℃，石英晶體溫度傳感器在-80~250℃范圍內的基本誤差在±（0.04~0.075） ℃，穩定性約±0.007°C/每月，故具有相當*的精度和穩定比，由于所測量的值是頻率，很容易和計算機配合。

ABB 公司開發的母線聯結處溫升在線檢測裝置 裝置見圖5，其特點如下：

（1）母線通過電流時，其交變電磁場提供了溫度傳感器探頭所需的工作電源。要求母線中通過電流40A（50Hz）時，傳感探頭就能正常工作，而短路故障所產生的短路電流不會損壞傳感器。

（2）因為在測量點處有強的電磁場，且處于高電位，所以采用紅外調制發射技術。紅外發光二極管把高電位處溫度值（脈沖值）發送到低電位處的紅外接收器上。可以把幾個傳感器的測量值送到同一接收器上。

（3）溫度傳感單元是由石英晶體、輔助電源及訊號輸出回路組成。可以方便地安裝在母線聯結處。石英晶體溫度傳感器特點是體積小、準確度高，耐老化性好。

1992年5月ABB提供的新型溫度監視系統，在一面中壓開關柜12個接點處（母線接觸處）的暴露部分安裝上這種尺寸極小的溫度傳感單元，其中三個傳感單元安裝在母線聯結處、三個裝在斷路器上端的連接線處，另三個在電纜終端。在一般情況下僅使用九個傳感器，因為斷路器下端接線與電纜終端的距離很近。

 

4　故障電弧保護裝置

 

4．1　內部故障電弧

金屬封閉高壓開關柜內，由于某種如小動物、過電壓、濕度等偶然因素，內部產生電弧，當然也有誤入帶電間隔、隔離開關誤操作等人為原因使內部產生電弧。大約15000~20000℃溫度電弧會直接加熱周圍的絕緣氣體，熱能迅速通過對流、傳導方式傳遞，引起開關柜隔室內超壓。當壓力超過允許的壓力極*，灼熱氣體將會沖出封閉柜體的壓力釋放裝置，灼熱氣體與瞬間壓力波可能會傷害配電室內的工作人員（例如傷害呼吸系統）；也可能會損壞電器設備和建筑物。

故障電弧的危害程度取決于電弧電流大小及切除時間。例如1985年天津變電所合閘送電時，開關柜發生弧光故障，zui后燒毀開關柜8臺；在2004年4月某公司配電系統中35kV鎧裝移開式開關柜產生弧光爆炸,造成開關柜電纜室爆炸變形、其后門、側板、側面加強筋炸扭曲，并且配電室木門受沖擊波而打開，一扇玻璃窗炸掉。

因此，對使用在重要場合的金屬封閉開關柜，應進行內部故障飛弧試驗及安置故障電弧保護裝置，故障電弧試驗規定可見GB3906 — 2005，IEC62271 — 200標準。

4．2　故障電弧防護裝置

ABB公司開發的故障電弧防護裝置早已應用于AX1開關柜；德國Moeller公司早已研制出Arcon故障電弧防護裝置。

一般電弧防護裝置由三部分組成：保護主單元；過流、弧光檢測輔助單元；電弧光傳感器。

4.2.1　電弧光傳感器

作為光感應元件，安裝在開關柜母線室的幾個位置，檢測發生故障時突然增加的光強。

4.2.2　過流、弧光檢測輔助單元

弧光檢測輔助單元收集來自電弧光傳感器的光信息，再傳送給主單元。過流檢測輔助單元提供過流動作信息，它是動作判據之一，可進一步保證電弧光保護系統的動作準確性、可靠性。

　保護主單元

它是電弧光保護系統的核心，它用于管理和控制整個電弧光保護系統。它接收檢測短路電流和來自電弧光傳感器的信息，對收集的數據處理、判斷，如果確認是電弧故障，則發出跳閘命令，使進線斷路器跳閘，即切斷進線電源。如進線斷路器不能跳閘（拒動），則啟動斷路器失靈保護邏輯，發跳閘命令給上一級斷路器來切斷電源。此外根據過流、弧光檢測輔助單元送來的信息，提供弧光故障點和報警信號。

這里還有一種方法：如果確認是電弧故障，則啟動快速短接開關，使它迅速合閘，將電弧故障轉化成三相短路電流，而使上游斷路器分閘，達到迅速熄滅電弧目的。

故障電弧光保護系統框圖示于圖6 。

 

 

 

（1）智能化成套開關設備是新一代電器產品，它溶合了計算機、信息、控制、傳感器與微子技術，將每臺智能化單元的通信接口與值班室計算機相連，就可構成變電站綜合自動化系統，可以就地及遠方實現保護，可以實現變電站廣域監測和診斷。

（2）計算機技術及電磁兼容性（EMC）水平提高，使智能化測控裝置比傳統的機電式測控產品更加可靠，多年來運行已證明了這一點。

（3）按狀態維護技術建立在線監測技術、信息技術的基礎上，在線監測項目可按實際需要決定。

（4）使用于重要場合的開關柜，應配置智能故障電弧防護裝置。