智能高壓開關設備的在線監測技術探討

閆站正，程麗華，張煜烽

（河南省高壓電器研究所有限公司，河南 平頂山 467000）

0 引 言

高壓開關的在線監測可以實時不間斷監測開關設備的主要參數，不僅可以顯示設備目前的實際運行狀態，而且可以全面分析所有關鍵參數的實際變化情況，準確判斷存在發生故障的可能性。這樣電力設備不再是定期維修而是狀態維修，使得設備有相當長的維修周期，減少了維修費用，確保了設備穩定運行，保證了供電質量，對促進社會和國家經濟發展具有重要意義。

1 智能高壓開關設備的特點

通常，智能高壓開關設備的特點主要體現在以下三個方面。第一，狀態可視化。在智能高壓開關設備運行中往往利用有關的檢測設備達到智能組件狀態可視化，以促進信息之間的互動，提高智能電網運行水平。第二，控制網絡化。相對于傳統的高壓開關來說，這種高壓開關設備有著相當高的網絡控制水平，利用有關的監視系統和操作系統完成信息分布采集，

利用驅動執行器實現控制功能，以實現網絡化的功能控制。第三，數字化測量。在智能高壓開關設備的有關參數和部件實際運行中，經常使用可測量設備24 h監測高壓設備的運行情況，如設備的電壓信號、操作壓力等，是該類型高壓開關設備的顯著特點。正是因為智能高壓開關設備具有以上特點，才可以為智能電網安全穩定運行提供有力的保障。

2 智能高壓開關設備的在線監測技術分析

2.1 中置抽出柜柜中、斷路器手車觸頭位置溫升監視

2.1.1 異常溫升的原因

溫度是一種物理量。許多設備發生故障的關鍵原因在于異常溫升。在日常運行中，高壓電器導電回路長期將工作電流產生的能量轉化成熱能，導致電器材料溫度升高。一般來講，比規定范圍低。但是，若導電回路的接觸電阻偏高，就有可能造成電器材料溫度上升速度偏快，影響電器材料的多個方面，如機械強度、物理性能等。因此，有些規定明確了不同類型電器材料的適合長期工作溫度。

動觸頭與靜觸頭在高壓斷路器的手車結構中是基本元件。當這兩個觸頭發生接觸時，相互之間有一個接觸電阻。若此接觸電阻偏大，溫度上升會比規定值高，易導致兩個接觸部位迅速氧化，而氧化會增加接觸電阻，必定使發熱速度更快，不僅提高溫度，而且很有可能直接燒毀電弧。中置抽出式高壓開關柜有顯著的特征，如便于安裝、體積較小以及結構相當緊湊等，最近幾年得到了普遍應用。由于工藝不適合、彈簧材料質量不達標等原因，斷路器手車觸頭處比正常范圍大，造成異常溫升而燒毀高壓斷路器手車動和靜觸頭，進而導致電力系統斷電，造成重大的經濟損失。

2.1.2 CG2061型高壓斷路器觸頭溫升在線測量裝置原理

CG2061型高壓斷路器觸頭溫升在線測量裝置通過將熱敏電阻傳感器埋置在動觸頭位置測量該位置溫升，并通過射頻技術向低電位端無線傳輸高電位端收集的地址信號和溫度。此裝置也可以測量抽出柜柜中濕度和溫度。裝置主要是由兩部分組成：一是處在高電位位置的高端模塊，二是處在低電位位置的低端模塊。

2.1.3 測量裝置測溫的原理

處在高電位觸頭端的模塊一主要是由信號發射部件、熱敏電阻以及接收部件等構成，安裝于觸頭周圍[3]。因為高壓端發熱點周圍安裝高壓端發熱點，當觸壁異常溫升時，說明該模塊所處的區域是高溫條件，這時高壓端的傳感器模塊要選用軍用級標準器件，工作溫度能夠超過125 ℃。如果高電位母線通過高于50 A電流，它的輸出會提供信號發射和信號處理，出現在觸頭附近的熱敏電阻將該位置發出的溫度模擬量信號傳送給信號處理部件，使用適宜的微處理機芯片實現溫度模擬量信號變成脈沖數字信號，然后通過發射部件來發射。通常，模塊一的接收部件是以接收低端模塊的地址命令和接收命令為主。

在開關柜上邊的儀表室中安裝低端模塊二。它由多個部分構成，如報警輸出等。由接收部件接收高端模塊一發射的載波信號，通過科學處理和解調，在低端模塊二的面板上顯示被測位置的傳感器地址號和溫度值；通過微處理機芯片正確辨別是否高出提前設定的溫度門限，若被測位置的溫度值高于溫度門限，迅速發送報警觸點信號；利用RS485串行接口，低端模塊二接收的信息經光纖及時傳送給數據采集終端。低電位端模塊二的監控芯片選用8位高速單片機W77E58芯片。該芯片的8位I/O外設接口有4個，能夠便于顯示、采集以及控制現場數據，且能夠控制數據傳輸。

2.2 永磁操動機構斷路器遠方監視

2.2.1 斷路器驅動電流與位移曲線拐點時間相一致的特征

就永磁操動機構真空斷路器來講，這是一種新型的真空斷路器。因為永磁機構輸出特性與真空開關負荷特性相同，所以操作機構與開關之間可以直接連接。通過永磁鐵的磁力使斷路器保持在分與合部分，但分閘操作和合閘操作通過電磁力完成，省去損耗較大的零件，可以減少很多零件，避免機械在運行中出現振動情況。日本三菱企業開發出能夠模擬斷路器的暫態電磁場和運動有機結合的解析方式，而且在驅動作用下完成解析演算。這種方式通過三維靜電磁場來闡述。斷路器驅動過程中的線圈位移波形和電流波形如圖1所示。

圖1 斷路器驅動時的線圈電流波形與位移波形圖

由圖1可以發現，斷路器驅動期間，位移波形與電流波形中發生拐點的時間相同。最初通電時，永久磁鐵的電磁力較大，動鐵心保持不變；若線圈中有較大的電流，動鐵心會逐漸與合閘端面分開，移動到分閘端面。在動鐵心位置最初移動時，線圈電流是峰值，接著因為受到鐵心移動產生的電動勢影響而越來越小，最后動鐵心與絕緣桿和動觸頭形成一體移動。所以，在一段時間后可移動部分的重量也會有所改變，且動鐵心移動速度自然也會發生變化。在某個時刻，線圈電流拐點和位移波形拐點相對應。

2.2.2 以驅動機構為依托的電流分析監視技術

初期斷路器線圈電流波形和機構可動件位移波形出現拐點時間相同。在拐點時間方面，觸頭已電弧燒損的斷路器線圈電流波形和機構可動位移波形一樣[5]。因此，通過電流波形的拐點時間變化檢查機構操動特性異常，僅僅是對線圈電力報信進行24 h監測，不僅可以提取電流波形改變的電流值，而且可以提取電流波形改變的時間，能夠實時分析真空斷路器性能，無需測量位移特性。通過對VCB永磁操動線圈電流波形進行24 h監視，必定可以及時發現VCB故障出現的種種跡象。這樣就從以前的定期維護向狀態維護轉變，也就是變成“按狀態”維護方法。這種維護方法能夠省略設備壽命前的停電作業和維護檢查作業，以明顯減少壽命周期費用。

3 智能高壓開關設備的在線監測功能

3.1 SF6狀態監測功能

使用SF6密度繼電器隨時采集SF6氣體的各項狀態信息如溫度、密度等，實現在線監測。即便無人值守，也可以及時掌握設備的運行情況，了解設備是否正常運行。如果運行異常，系統會自動報警，以免造成重大的損失。此方法不僅可以在新建變電站的氣體狀態監測中運用，而且便于改造已運行的變電站。僅僅需要將以前的機械表變成SF6密度繼電器，更換中不需要將本體放氣，也無需將三通閥塊更換，簡單方便。

3.2 局放監測功能

局部放電監測系統能夠及時找到GIS中的絕緣缺陷，實現事先預防、定點檢修，確保設備正常運行。結合每種工程方案推薦不同的模式，一種是內置局放傳感器，另一種是外置局放傳感器。就新建變電站來講，可以運用內置傳感器的方法，事先在本體中預埋傳感器。在改造已運行變電站中，可以采用這兩種模式。內置式局放傳感器具有較強的抗干擾能力和較高的測量精度，但必須要將本體打開來安裝，停電時間相當長[6]。外置局放傳感器便于安裝，不需要將本體打開，停電時間相當短，然而與內置式局放傳感器相比，測量精度較低。就監測模式來講，主要有在線監測和離線監測兩種。前者能夠實時監測GIS內部絕緣缺陷，做到實現預防、定期檢修，確保設備安全運行。然而，必須要安裝局放在線監測IED，所以成本較高。后者只可以實時監測GIS內部絕緣缺陷，實時性較差，成本低，便于后期改造成在線監測，僅僅安裝一套局放監測IED節課。因此，應該將局放傳感器預埋內置在新建的電站中。

3.3 避雷器狀態監測功能

使用遠傳避雷器能夠通過監測經過避雷器的動作次數、泄露電流等，科學分析其有功損耗和阻性電流，充分反映避雷器的實際絕緣狀態，且及時向后臺系統上傳測量結果[7]。此方法便于實施已運行變電站與新建變電站。對已經投入運行的變電站，僅僅需要將以前的避雷器計數器變成避雷器在線監測器，更換中不需要將本體放氣，安裝方法相同。

4 結 論

供用電的可靠性不僅要求開關設備具有較強的性能，而且要求技術人員改變維護思想，即將定期維護轉變成按狀態維護。隨著微電子技術、傳感器技術等的日益發展，中央控制單元可以快速獲取現場情況，便于在中央站實時監測現場運行過程中的開關柜，“按狀態”維護高壓電器設備。以往維護方法向“按狀態”維護方法轉變，離不開電器制造企業和電力部門的共同努力。電器制造企業將在線監測技術作為統一制造和設計的一部分，能夠減少電器產品制造后又補裝在線監測設備的安裝成本，省去了諸多麻煩。