氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化發(fā)展綜述

于婷 胡文廣

摘 要：隨著當(dāng)前我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)工程的全面發(fā)展及工程進(jìn)度的加快，以及電力系統(tǒng)越來(lái)越高的可靠性和自動(dòng)化的要求，推動(dòng)了氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)智能化的發(fā)展。本文分析了智能化氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)應(yīng)具備的功能，包括開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與診斷功能、開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能控制功能和開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能操作功能。簡(jiǎn)述了氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)智能化的關(guān)鍵技術(shù)，展望了氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備 ;智能化功能 ;關(guān)鍵技術(shù)

1 概述

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）在電力系統(tǒng)輸電、配電和變電領(lǐng)域都有著廣泛和重要應(yīng)用的電力設(shè)備，GIS是由斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、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(jiǎn)稱。隨著電力系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性要求的提高，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的性能要求也越來(lái)越高。與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)設(shè)備的控制方式也發(fā)生了變化。傳統(tǒng)上開(kāi)關(guān)設(shè)備僅監(jiān)控其分/合閘操作的控制方式正受到巨大的挑戰(zhàn)。用戶希望能更全面地監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況，為檢修和處理故障提供更可靠的依據(jù)，從而提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)隨著電力系統(tǒng)越來(lái)越高的可靠性及自動(dòng)化要求，無(wú)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。

2 智能化氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)的功能

新型的智能化GIS在具有傳統(tǒng)GIS的機(jī)械和電氣性能的同時(shí)，又具有傳統(tǒng)設(shè)備所不具有的集傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的智能化技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，智能化GIS的幾大智能化功能如下：

2.1開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與診斷功能。

在線監(jiān)測(cè)功能應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)電性能、磁性能、溫度、開(kāi)關(guān)機(jī)械和機(jī)構(gòu)動(dòng)作情況進(jìn)行在線監(jiān)視，以滿足狀態(tài)檢修、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及狀態(tài)評(píng)估的需要，并據(jù)此提出檢修計(jì)劃，安排實(shí)施。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須具有高穩(wěn)定度、高可信度和高可靠性。高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)由信號(hào)變送系統(tǒng)、據(jù)采集系統(tǒng)以及處理和診斷系統(tǒng)構(gòu)成。高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容可歸納為絕緣性監(jiān)測(cè)、機(jī)械性能監(jiān)測(cè)和電氣性能監(jiān)測(cè)三部分，具體包括：通過(guò)檢測(cè)開(kāi)斷電流和燃弧時(shí)間這兩個(gè)影響觸頭磨損量的主要參數(shù)來(lái)判斷觸頭的電壽命，通過(guò)檢測(cè)關(guān)鍵部件的機(jī)械振動(dòng)、合/分閘線圈電流和電壓的波形變化、控制回路通斷狀態(tài)以及操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能完成狀態(tài)等信號(hào)來(lái)判斷開(kāi)關(guān)的機(jī)械故障。這些監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢修及智能化控制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能控制功能。

智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能控制功能應(yīng)能實(shí)現(xiàn)在最佳狀態(tài)進(jìn)行開(kāi)斷，并實(shí)現(xiàn)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(kāi)關(guān)設(shè)備的智能控制功能是通過(guò)智能控制單元得以實(shí)現(xiàn)的。智能控制單元的基本功能主要有：

1）自動(dòng)識(shí)別開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)。開(kāi)關(guān)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)于超高壓開(kāi)關(guān)而言，其任務(wù)主要有分?jǐn)喽搪冯娏鳌⒇?fù)載電流、過(guò)載電流、小容性電流和小感性電流等。

2）自動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)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)別開(kāi)關(guān)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。

3）記錄并顯示開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)。由于開(kāi)關(guān)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)是應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)不斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)它還應(yīng)記錄開(kāi)關(guān)每次開(kāi)斷情況，包括開(kāi)斷電流的大小、開(kāi)斷類型及是否發(fā)生據(jù)分或據(jù)合等信息。短路時(shí)還應(yīng)記錄短路電流的變化過(guò)程，以便于電力部門進(jìn)行事故分析及開(kāi)關(guān)的維護(hù)。同時(shí)，也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)累計(jì)開(kāi)斷電流的大小來(lái)表示開(kāi)關(guān)觸頭的燒蝕情況。

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，將開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷記錄及其他數(shù)據(jù)經(jīng)信息傳輸接口上網(wǎng)傳輸至上位機(jī)，并通過(guò)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(guò)來(lái)。

2.3開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能操動(dòng)功能。

為實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)的電子操動(dòng)需要將機(jī)械儲(chǔ)能變?yōu)殡娙輧?chǔ)能;將機(jī)械傳動(dòng)變?yōu)樽冾l器通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)電子操動(dòng)后，開(kāi)關(guān)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件減少到一個(gè)，即開(kāi)關(guān)分合閘動(dòng)作，這樣其機(jī)械系統(tǒng)的可靠性提高。隨著伺服電機(jī)，電力電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制斷路器相關(guān)技術(shù)得到廣泛關(guān)注;使用伺服電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘操作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1傳感技術(shù)

局部放電、高壓導(dǎo)體測(cè)溫技術(shù)、真空度監(jiān)測(cè)等均需難度大的傳感器，日前已投入使用的光學(xué)電流互感器由于測(cè)量范寬、絕緣簡(jiǎn)單可靠、無(wú)磁飽和、無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)、抗磁干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕、安裝運(yùn)輸方便、易于同微機(jī)保護(hù)接口等優(yōu)點(diǎn)，已在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中得到應(yīng)用。

3.2微機(jī)技術(shù)

開(kāi)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，主程是核心程序。它是集測(cè)量、運(yùn)算、決策、控制、保護(hù)及遙控于一體的綜合化智能體系，可以安裝于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部，直接面向一次設(shè)備或設(shè)備組合，能完成各自對(duì)象的繼電保護(hù)、實(shí)時(shí)電量監(jiān)控、狀態(tài)信息記錄及歷史記錄等功能;微機(jī)處理技術(shù)還可作為計(jì)算機(jī)分層網(wǎng)絡(luò)的終端，具有多種可選的通用網(wǎng)絡(luò)接口，便于事故分析和狀態(tài)監(jiān)視;形成微機(jī)防誤操作和安全保障系統(tǒng)，適應(yīng)變電站自動(dòng)化的需要。

3.3抗電磁干擾技術(shù)

傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作控制一般由各種繼電器來(lái)完成，智能化開(kāi)關(guān)則一般由計(jì)算機(jī)/無(wú)觸點(diǎn)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件組成的控制指令系統(tǒng)來(lái)完成。指令系統(tǒng)要可靠，需要格外考慮電磁兼容的問(wèn)題。智能化GIS使用的很多電子器件都工作在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)苛刻環(huán)境中，受到不同強(qiáng)度各種通訊干擾和強(qiáng)電電磁干擾，這些干擾通過(guò)電磁波輻射（近場(chǎng)中表現(xiàn)為電容和電感耦），影響傳感器并從信號(hào)線、控制線、電源線、地線及儀器外殼傳入監(jiān)測(cè)裝置，輕者影響正確信號(hào)的采集，重者會(huì)損壞元件。

4 現(xiàn)狀和展望

智能化GIS目前正處于發(fā)展階段，有些技術(shù)還不很成熟。從目前市場(chǎng)上已經(jīng)推出的66kV～252kV智能化高壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，均是在傳統(tǒng)的GIS制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入計(jì)算機(jī)技術(shù)、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(shù)使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝整體提升，生產(chǎn)出集智能控制、保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)視、顯示、通訊等功能于一身的高新GIS技術(shù)產(chǎn)品。總的來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)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)方面，需要更多的投入和開(kāi)發(fā)。

“智能化”拉動(dòng)二次設(shè)備占比提升，高性能高壓開(kāi)關(guān)市場(chǎng)在此過(guò)程中也將取得較大規(guī)模發(fā)展。特高壓、智能電網(wǎng)建設(shè)的加速，將給高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)開(kāi)辟?gòu)V闊市場(chǎng)，在此期間，高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)應(yīng)以全面建設(shè)智能電網(wǎng)為契機(jī)，以特高壓交、直流輸電工程為依托，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變。

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（1.新東北電氣集團(tuán)高壓開(kāi)關(guān)有限公司沈陽(yáng)分公司;2.英特仿真科技（沈陽(yáng)）有限公司， 遼寧 沈陽(yáng)110000）