樹(shù)干式高壓開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

季明里

【摘要】本文闡述了某型高壓開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)問(wèn)題，明確了高壓開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)控的目的和意義，歸納了作者對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的操作經(jīng)驗(yàn)和故障識(shí)別經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)該類型高壓開(kāi)關(guān)柜的在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

1. 引言

當(dāng)代高壓開(kāi)關(guān)柜的操作邏輯都具備五防聯(lián)鎖機(jī)制，但是，高壓開(kāi)關(guān)柜的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的展示不夠全面，不論是在高壓開(kāi)關(guān)柜本地更不能夠遠(yuǎn)端狀態(tài)展示。近年來(lái)隨著我國(guó)信息技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備“上云上平臺(tái)”的技術(shù)浪潮，也推動(dòng)了電力系統(tǒng)的配網(wǎng)自動(dòng)化過(guò)程。不同的一次結(jié)構(gòu)的高壓開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行監(jiān)控的目的和意義也不同，但是，共性的功能特點(diǎn)可以歸納為：

（1） 監(jiān)控系統(tǒng)能夠生動(dòng)直觀的展示關(guān)鍵一次元件的狀態(tài);

（2） 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該能夠具有一定的故障診斷的能力和故障定位的能力;

（3） 監(jiān)控系統(tǒng)具有本地指示和遠(yuǎn)端接入指示的功能;

（4） 監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)充分考慮配網(wǎng)自動(dòng)化的行業(yè)技術(shù)趨勢(shì);

2. 基于運(yùn)行和控制的測(cè)量和功能

2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層功能和結(jié)構(gòu);

（1）系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件在設(shè)備端是包括一個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備相應(yīng)的傳感器元件;

（2）系統(tǒng)在數(shù)據(jù)鏈路層包括，加密、數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)、斷點(diǎn)續(xù)傳等功能結(jié)構(gòu);

（3）系統(tǒng)在云端結(jié)構(gòu)上需要一個(gè)完備的API接口，以接入上一級(jí)的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng);

（4）本文研究的對(duì)象系統(tǒng)是，企業(yè)專用的高壓配電線路，操作控制不影響企業(yè)以外的其它用戶;

2.2系統(tǒng)設(shè)備層功能和結(jié)構(gòu);

（1）斷路器機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)

高壓開(kāi)關(guān)柜里面的一個(gè)主要器件就是斷路器，而斷路器的故障大多數(shù)是發(fā)生在它的機(jī)械機(jī)構(gòu)，所以對(duì)于斷路器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常重要，也是為了很好地保障開(kāi)關(guān)柜的正常穩(wěn)定地工作。斷路器的機(jī)械特性一般有動(dòng)作時(shí)的速度、反應(yīng)的時(shí)間、運(yùn)行的過(guò)程。這些特性可以通過(guò)一條曲線來(lái)分析，亦即是行程-時(shí)間曲線，亦即是當(dāng)斷路器接收到分閘或者是合閘的信號(hào)時(shí)，完成這個(gè)信號(hào)相應(yīng)的動(dòng)作與其所需要的時(shí)間之間的關(guān)系曲線。而斷路器的一個(gè)重要作用是滅弧，如果斷路器的動(dòng)作過(guò)慢，就會(huì)延誤滅弧的時(shí)間使得開(kāi)關(guān)不能及時(shí)斷開(kāi)。如果斷路器動(dòng)作過(guò)快，會(huì)產(chǎn)生較大的沖力，長(zhǎng)時(shí)間加大接觸點(diǎn)的磨損，導(dǎo)致使用壽命變短。對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)柜要使用的測(cè)量柜內(nèi)斷路器機(jī)械特性的傳感器的要求比較高，一方面測(cè)量的時(shí)候不能夠影響到斷路器的正常工作和對(duì)其性能產(chǎn)生損壞，而且對(duì)于斷路器分、合閘時(shí)那一瞬間的時(shí)間點(diǎn)要及時(shí)測(cè)量反映出來(lái)，所以對(duì)于這樣的準(zhǔn)確性較高。另一方面測(cè)量的器件要適合在高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)這種惡劣的環(huán)境之下盡可能地長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作，所以在體積和性能方面也有較高的要求。

斷路器機(jī)械特性測(cè)量一般采用光柵位移傳感器，光柵式傳感器是運(yùn)用了光柵條紋的原理來(lái)測(cè)量位移的傳感器。光柵指的是一塊條形狀的光學(xué)玻璃上面分布著密集的相等距離的平行的刻線。這些光柵形成的疊柵條紋有光學(xué)放大作用和將誤差平均化的作用，這兩個(gè)作用可以幫助提高測(cè)量的精準(zhǔn)程度。當(dāng)標(biāo)尺的光柵相對(duì)于指示光柵而有移動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)形成大致呈現(xiàn)正弦分布的明暗相互間隔的疊柵條紋。這些條紋會(huì)以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，并且直接照射在光電元件上，然后會(huì)輸出一段脈沖，通過(guò)處理后會(huì)得到數(shù)字信號(hào)，這樣就能轉(zhuǎn)換成為位移的信息顯示出來(lái)。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可用的測(cè)量范圍大和精確程度高?？梢詼y(cè)量靜、動(dòng)態(tài)的直線運(yùn)動(dòng)的位移和整圓運(yùn)動(dòng)的角位移。常常運(yùn)用到機(jī)械動(dòng)作的測(cè)量、物體變形的測(cè)量等領(lǐng)域。

（2）基于光學(xué)原理的局部放電測(cè)量

紅外線溫度傳感器屬于不直接接觸測(cè)量溫度的點(diǎn)的器件，它是通過(guò)測(cè)量紅外線光也就是光的波長(zhǎng)在紅光以外的光線來(lái)測(cè)量溫度。這里面的原理是當(dāng)物體的溫度超過(guò)了絕對(duì)零度，物體就會(huì)向外輻射出紅外線。這種輻射的物理性質(zhì)是熱輻射，即是物體有高于絕對(duì)零度的溫度時(shí)輻射出電磁波。當(dāng)溫度越高輻射出的紅外線就會(huì)越多，而這種溫度傳感器會(huì)接收這物體輻射出來(lái)的紅外線然后發(fā)生變化，通過(guò)觀察這項(xiàng)變化的參數(shù)就可以知道溫度的變化。

這種傳感器價(jià)錢便宜，測(cè)量的時(shí)間短，不需要直接接觸測(cè)量點(diǎn)，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的工作影響小。但是這種傳感器只能夠測(cè)量物體表面的溫度，不能測(cè)量里面的溫度，不容易確認(rèn)到柜里面接觸點(diǎn)的發(fā)熱情況，而且如果是測(cè)量的是比較光亮或者是拋光的金屬表面，會(huì)因?yàn)楣饩€會(huì)有反射而使到所得的數(shù)值不準(zhǔn)確，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)并不算是能夠?qū)崟r(shí)接收到。再加上使用這種傳感器還要注意使用的環(huán)境條件，如果傳感器和測(cè)量物體之間有蒸汽、灰塵、煙霧等，這些大顆粒物體會(huì)阻擋到傳感器的系統(tǒng)而影響到測(cè)量溫度的準(zhǔn)確度。并且這種傳感器需要有人定時(shí)過(guò)來(lái)巡邏，查看它的測(cè)量工作是否受到其他因素的影響。

基于光學(xué)攝影機(jī)的測(cè)量，除了測(cè)量溫度還能夠測(cè)量到局部放電等故障先兆信息。

3. 基于故障診斷的測(cè)量和功能

3.1絕緣材料的放電故障

這類型的故障一般是由于開(kāi)關(guān)柜里面的一些絕緣器件、絕緣物體的絕緣能力抵擋不住外面加進(jìn)來(lái)的電壓的強(qiáng)度，從而發(fā)生放電現(xiàn)象，強(qiáng)度更大的話還可能會(huì)發(fā)生擊穿的故障事故。 而且這個(gè)過(guò)程可能會(huì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，所以會(huì)造成長(zhǎng)期性的不良影響。開(kāi)關(guān)柜放電的一種原因是產(chǎn)生了過(guò)電壓，常見(jiàn)的比如有諧振過(guò)電壓、雷擊造成的過(guò)電壓等會(huì)造成絕緣材料在電場(chǎng)的作用下未發(fā)生結(jié)構(gòu)的擊穿時(shí)，它的表面或者是與接觸的空氣中發(fā)生的發(fā)電現(xiàn)象，叫做絕緣閃絡(luò)，最后誘發(fā)相間或弧光短路事故和單相對(duì)地弧光接地事故。第二種放電的原因是由于開(kāi)關(guān)柜是一種封閉式的結(jié)構(gòu)，里面的通風(fēng)條件比較差，當(dāng)潮濕造成柜內(nèi)濕度上升，會(huì)使得絕緣的性能變差引起發(fā)電。還有一種原因是母線和元器件的制作存在棱角、毛刺，導(dǎo)致絕緣表面電場(chǎng)分布不均勻，尖端的電荷比較密集引起尖端電暈放電。最后還有的原因是開(kāi)關(guān)三相觸頭之間、三相線之間的間距偏少，沒(méi)有達(dá)到安全間隔距離。開(kāi)關(guān)柜里面母線與套管之間形成大小不相同的間隙，這樣使到這間隙里面的場(chǎng)強(qiáng)不夠均勻，而造成電位差較大使得間隙擊穿。

3.2柜內(nèi)的過(guò)熱故障

開(kāi)關(guān)柜一般比較容易過(guò)熱的地方是手車的觸頭、電流互感器、母線的連接點(diǎn)，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)有過(guò)大的電流或者里面的器件因?yàn)殚L(zhǎng)期工作使得電阻增大而發(fā)熱，而且開(kāi)關(guān)柜的密封式結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下是不能夠開(kāi)柜來(lái)檢測(cè)的，因此經(jīng)常會(huì)有不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)熱故障而造成很大的影響。具體來(lái)講一般柜內(nèi)過(guò)熱的原因有工作人員在安裝、測(cè)試、檢查維修和操作使用的時(shí)候沒(méi)有按照規(guī)章來(lái)進(jìn)行?；蛘呤且?yàn)槎搪返仍蚴沟霉駜?nèi)電流過(guò)大，使得柜內(nèi)的一些抵抗大電流能力比較薄弱的地方開(kāi)始損壞，未能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞變形的地方并且進(jìn)行維修導(dǎo)致不斷惡化。還有的原因是開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)時(shí)間工作，沒(méi)能夠及時(shí)跟換過(guò)舊的開(kāi)關(guān)柜，由于長(zhǎng)期服役導(dǎo)致容易出現(xiàn)發(fā)熱故障。

3.3斷開(kāi)與閉合故障

故障一般是由于斷路器的故障所造成的，開(kāi)關(guān)柜使用的其中一種是真空斷路器，這種斷路器的滅弧介質(zhì)和滅弧之后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是真空，而真空斷路器故障一般是因?yàn)闇缁∈乙约安y管漏氣、真空的程度降低陶瓷管破裂等。使得斷開(kāi)閉合的能力下降和出現(xiàn)電弧，當(dāng)開(kāi)關(guān)的觸頭以及觸頭附近的介質(zhì)有較多的游離的電子，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)候如果有較大的電壓通過(guò)，電壓達(dá)到一定強(qiáng)度會(huì)使到游離的電子形成電弧，就會(huì)使到原本斷開(kāi)的電路重新接通，造成危害。

3.4拒動(dòng)、誤動(dòng)故障

這故障一般是斷路器在分閘、合閘的過(guò)程中當(dāng)需要它工作的時(shí)候沒(méi)有發(fā)生動(dòng)作，而需要它保持狀態(tài)，不進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，它卻在沒(méi)有指令的情況下有動(dòng)作。一般這種故障的原因是由兩類型造成，原因之一是因?yàn)椴賱?dòng)機(jī)構(gòu)亦即是使斷路器的觸頭按照指定的順序和方式來(lái)進(jìn)行接通與斷開(kāi)的機(jī)構(gòu)，還有傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械故障造成，具體的狀況是機(jī)構(gòu)工作時(shí)的卡澀，里面的部件出現(xiàn)變形、位置的偏移或者損壞等。另一類是因?yàn)殡姎饪刂坪洼o助回路造成，具體的狀況是二次接線接觸不良、接線錯(cuò)誤，作為分合閘功能的線圈因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的卡澀或者是轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的損壞而導(dǎo)致燒損等故障。

4. 結(jié)論

（1） 高壓開(kāi)關(guān)柜的功能設(shè)計(jì)從兩個(gè)方面考慮，第一是基于運(yùn)行和控制的功能方向，第二是基于故障診斷的功能方向;

（2） 系統(tǒng)功能的具體設(shè)置需要結(jié)合用電特點(diǎn)和用電區(qū)域的具體情況來(lái)設(shè)置;

（3） 本文對(duì)于基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)自建配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的創(chuàng)建具有參考意義;

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