中壓開關柜智能化解決方案的分析與研究

侯明情

(福州加百安電子有限公司 福建 福州 350000)

一、前言

在電力系統(tǒng)中，開關柜地位至關重要，傳統(tǒng)的檢維護方法成本較高、智能化不足，且會縮短設備的使用壽命，存在諸多弊端。本文針對開關柜的現(xiàn)狀，提出中壓開關柜的智能化解決方案，既能實現(xiàn)從故障、定期維護到狀態(tài)維護檢修的跨越，又能滿足我國智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，為相關研究提供重要的理論基礎。

二、概述

中壓開關柜指的是3.6～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備，裝有以斷路器為主要開關元件的成套開關設備，在配電系統(tǒng)中主要功能是接受和分配電能。據(jù)相關資料統(tǒng)計，全球每年因不可靠的電力系統(tǒng)造成的經(jīng)濟損失約為800億美元。開關柜是輸配電系統(tǒng)的關鍵部分，其正常工作與否直接影響電力系統(tǒng)的可靠性，所以使用單位十分重視開關柜的維護。什么時候維護以及如何做到智能、精準維護的問題一直困擾著用戶和運維人員，也影響到智能電網(wǎng)的發(fā)展。

三、傳統(tǒng)開關柜維護方法不足與系統(tǒng)解決方案

(一)傳統(tǒng)開關柜維護方法及存在的不足

目前，在行業(yè)內開關柜普遍的維護方法有故障維護、定期維護和風險維護。故障維修是檢測到異常后進行的維護，其目的是使設備恢復到正常運行狀態(tài)。該維護的基本原則是：故障停機及維修成本低于維護方案；定期維護是按照既定的時間間隔進行維護，旨在降低設備的故障風險或性能退化。該維護對停機設備執(zhí)行定期檢查，包括目視檢查、設備清洗、機械部件潤滑、磨損部件更換及例行測試。根據(jù)停機設備的需求來制定維護周期計劃，可降低運行故障的發(fā)生率；風險檢修是根據(jù)標準定期維護，通過整合分析報告、測量數(shù)據(jù)及定期測試活動而執(zhí)行的維護。結合設備在系統(tǒng)中的環(huán)境、運行及工藝條件，審查收集的信息。目的在于執(zhí)行設備狀況及風險評估，并確定適當?shù)木S護方案。所有顯示異常值的設備都得到維修或更換，以延長設備使用壽命，并確保供電的高效、可靠。

上述三種維護方法雖能在一定程度上解決開關柜穩(wěn)定性問題，但依然存在針對性不足、智能化不夠和過度維護等問題，既帶來高昂維護費用支出，也降低了設備的使用壽命。

(二)中壓開關柜智能化解決方案

傳統(tǒng)維護方法存在困境，皆因無法直觀、智能感知設備在各個階段所處的狀態(tài)。若能構建一套智能系統(tǒng)，讓維護人員直觀感知設備所處的狀態(tài)，則能真正意義上實現(xiàn)設備的狀態(tài)檢修。狀態(tài)檢修是根據(jù)設備性能監(jiān)測并據(jù)此采取糾正措施而執(zhí)行的智能維護。通過在線檢測工作設備的重要參數(shù)，并將其與平均值和平均性能自動比對，進而對設備實際狀況進行智能評估。當某些指標顯示設備正在退化且失效概率正在上升時立刻發(fā)出實施維護或指令信息。

如圖1所示，從長遠來看，狀態(tài)檢修能夠大幅減少維護成本，最大限度減少重大事故的發(fā)生，并優(yōu)化現(xiàn)有經(jīng)濟資源管理。

(三)中壓開關柜智能化系統(tǒng)的構建

中壓開關柜智能化系統(tǒng)是以常規(guī)開關柜為基礎，在主回路關鍵位置集成先進傳感器和智能化在線監(jiān)測裝置，利用無線射頻組網(wǎng)等信息技術，實現(xiàn)各節(jié)點的物聯(lián)，通過智能監(jiān)控裝置這個“大腦”進行建模分析設備狀態(tài)，從而實現(xiàn)設備狀態(tài)的可視化感知。

智能監(jiān)控裝置能實時分析開關柜的健康狀況發(fā)出預警，并指導運維人員進行相應的檢修和維護工作，使得設備自身的使用效率和安全性也得到提高。通過搭建移動通信平臺和先進的人機交互技術，無論是本地還是遠程，運維人員都可隨時隨地了解開關設備的運行狀態(tài)，進而在事故發(fā)生前或在其發(fā)展成重大缺陷前對其進行糾正。開關柜由斷路器和柜體組成，所以智能化系統(tǒng)主要體現(xiàn)在斷路器智能化和柜體智能化：斷路器智能化改造方案是通過對斷路器觸臂、線圈、儲能電機和手動手車等部件進行全部或定制升級，從而實現(xiàn)對斷路器一次側關鍵點溫度、二次元件狀態(tài)及機械特性的監(jiān)測和手車程序化操作；柜體智能化改造方案是在斷路器智能化改造方案的基礎上，通過對柜體上分支母線、電纜搭接部位和手動地刀等部件進行全部或定制升級，進而實現(xiàn)對柜體內一次側關鍵點溫度監(jiān)測和地刀程序化操作。具體包括構建溫升實時監(jiān)測單元、斷路器二次元件及機械特性監(jiān)測單元、斷路器手車電機驅動單元和開關柜接地刀電機驅動單元四大單元。

(1) 溫升實時監(jiān)測單元。溫升實時監(jiān)測單元是為了實現(xiàn)對開關柜內關鍵節(jié)點溫度監(jiān)測而開發(fā)的無線數(shù)據(jù)采集器，包括斷路器觸頭溫升監(jiān)控子單元，柜體分支母線溫升監(jiān)控子單元、電纜溫升監(jiān)控子單元，采用先進的無線方式連接，可實時獲取觸頭系統(tǒng)及銅排搭接等位置的溫度值。多個溫升監(jiān)控子單元組成一個低成本、低功耗、短延時、高容量、高安全的近距離無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)節(jié)點握手、多節(jié)點組網(wǎng)、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)路由等功能。利用可靠的無線射頻技術，輕松的使高低壓側數(shù)據(jù)交換進行了徹底的電氣隔離，使開關設備主回路溫升監(jiān)測成為可能。

(2) 斷路器二次元件及機械特性監(jiān)測單元。斷路器二次元件及機械特性監(jiān)測單元是為了實現(xiàn)對斷路器內儲能電機、分閘線圈、合閘線圈的狀態(tài)進行監(jiān)測而開發(fā)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。其內部采用先進的霍爾元件來感應儲能電機、分閘線圈、合閘線圈等執(zhí)行設備導致周圍的磁場變化，從而實現(xiàn)非介入式電壓電流測量。斷路器二次元件及機械特性監(jiān)測單元與斷路器儲能電機、分閘線圈和合閘線圈相連接，在執(zhí)行設備動作時，對其電壓、電流進行記錄分析。在分合閘的同時，配合一對輔助開關可實現(xiàn)對斷路器分合閘時間的檢測以及斷路器合分閘速度的計算。通過對斷路器二次元件的電壓電流進行實時監(jiān)測，運維人員可通過對故障波形的分析，前后數(shù)據(jù)的對比，實現(xiàn)對二次元件潛在故障的快速診斷。

(3) 斷路器手車電機驅動單元。斷路器手車電機驅動單元是為了實現(xiàn)電動手車功能開發(fā)的多功能電機驅動器，其與智能化斷路器電動手車相連接，可根據(jù)指令控制電機實現(xiàn)斷路器手車的電動搖進、搖出。同時，系統(tǒng)可實時監(jiān)測并判斷電機是否工作正常。當電機運行受阻達到保護條件時，立即對電機制動，隨后逆向驅動電機解除卡死，以便順利實現(xiàn)電動向手動切換。

(4) 開關柜接地刀電機驅動單元。開關柜接地刀電機驅動單元是為實現(xiàn)電動地刀功能開發(fā)的多功能電機驅動器，其與電動地刀相連接，可根據(jù)指令控制電機實現(xiàn)地刀電動關合、斷開。通過借鑒斷路器手車電機驅動系統(tǒng)的經(jīng)驗，效避免由地刀機構遇到障礙或卡阻所導致的電機堵轉甚至燒毀情況的發(fā)生。中壓開關柜智能化系統(tǒng)實現(xiàn)功能包括：溫度監(jiān)測、真空度監(jiān)測、執(zhí)行機構監(jiān)測及狀態(tài)顯示等(圖2)。

在智能化系統(tǒng)中，開關設備的狀態(tài)評估和故障診斷是實現(xiàn)狀態(tài)維護的關鍵。設備的狀態(tài)評估和故障診斷是一個復雜的分析過程，在具體實踐過程中，仍可以采用系統(tǒng)和人工相結合的決策方式，使判斷更加敏銳、及時和準確。

(四)結語

綜上，本文提出的中壓開關柜智能化解決方案能智能感知設備的各種狀態(tài)，提醒運維人員進行針對性維護，避免出現(xiàn)過度維護現(xiàn)象，減少用戶維護成本支出，使得狀態(tài)檢修成為可能，并能滿足我國現(xiàn)階段電網(wǎng)智能化發(fā)展的各種需要，具有較好的發(fā)展前景和應用價值。