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智能化斷路器的發展前景

          

          


          

          
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 隨著電力系統越來越高的可靠性及自動化要求，無論是發電、輸電、配電還是用電，都提出了監測、控制、保護等方面的自動化和智能化的要求。斷路器作為電力系統中最重要的控制元件，它的自動化和智能化是電器設備智能化的基礎。斷路器的智能化不是通常所想的，使用計算機就達到了智能化。它必須盡可能地應用電弧自身的能量，實現運行狀態的自診斷，操動機構的可控操動，并且配置最新傳感器技術，微電子技術和信息傳輸技術，智能化的概念才比較完整。 

          　　 一般來說，智能化電器設備除滿足常規電器設備的原有功能外，其功能主要表現為: 
          　　1、應具有靈敏準確地獲取周圍大量信息的感知功能; 
          　　2、應具有對獲取信息的處理能力; 
          　　3、 應具有對處理結果的思維判斷能力，對處理結果的再生信息的實施及有效操作的實施功能。  
                                    斷路器智能化工作框圖
          圖1 斷路器智能化工作框圖 
          　　圖1概要說明了一種兼有計算機系統和傳感裝置的智能化斷路器工作原理。主要的傳感器可探明氣體密度，通過監控其運動和能量變化，反映操作機構狀態。氣體密度傳感器發出的信號能夠實現連續的狀態監測，確定趨勢走向以及檢測極限值，并能在此基礎上實現常規的SF6氣體的鎖定和報警功能。同樣，在運動傳感器和能量傳感器的幫助下，操作機構的狀態可實現監控。另外，這些傳感器的信號可同時用于常規的位置指示和電動機控制功能上。 
          　　如果需要，還可在基本系統中增加傳感器。根據對周圍溫度的測試結果，對狀態變化（以及反映出的趨勢信息）作出更準確的評估。對于沒有串行接口至更高一級層面的系統，進行時間記錄十分有助于對變化趨勢的預測。附加的電流電壓傳感器實現斷路器設備功能最優化的基礎。 
          　　總的來看，可以歸納智能化斷路器的操作過程為: 智能控制單元不斷從電力系統中采集某些特定信息，據此來判別斷路器當前的工作狀態，同時處于操作的準備狀態。當變電站的主控室因系統故障由繼電保護裝置發出分閘信號或正常操作向斷路器發出操作命令后，控制單元根據一定的算法求得與斷路器工作狀態對應的操動機構預定的最佳狀態，并驅動執行機構操動機構調整至該狀態，從而實現最優操作。顯然，智能控制單元是斷路器智能操作實現的核心部件。 
          1 智能控制單元 
          　　智能控制單元是智能化斷路器的靈魂，它是以微處理機為核心部件，綜合應用傳感技術、光電轉換技術、數字控制技術、微電子技術和信息技術等多種現代技術，以完成斷路器的智能操作，實現斷路器的智能化。 

          智能控制單元的基本功能有: 
          1.1自動識別斷路器的工作狀態 
          　　斷路器的工作狀態的準確識別是實現智能操作的前提。對于超高壓斷路器而言，其任務主要有分斷短路電流、負載電流、過載電流、小容性電流和小電感性電流等。 
          1.2自動調整斷路器的操動機構 
          　　這是控制單元的核心功能。因此控制單元必須在識別斷路器工作狀態的基礎上確定與之相對應的操動機構的調整量。 
          1.3記錄并顯示斷路器的工作狀態 
          　　由于斷路器在大多數運行時間內是不動作的，在此期間，本單元的任務是對斷路器的工作狀態不斷地進行監測，同時它還記錄斷路器每次開斷情況，包括開斷電流的大小、開斷類型及是否發生拒分或拒合等信息。短路時還應記錄短路電流的變化過程，以便于電力部門進行事故分析及斷路器的維護。同時，也可通過斷路器累積開斷電流的大小來表示斷路器觸頭的燒蝕情況。 
          1.4具有與遠端主機進行通信的功能 
          　　控制單元可以根據主機的要求將斷路器的開斷記錄及其他數據經信息傳輸接口上網傳送至上位機，并通過上位機經信息傳輸網絡將操作命令及保護參數、保護及重合閘方式等配置要求傳送過來。 
          2 對斷路器工作狀態的監測與診斷 
          　　 監測與診斷是智能化電器設備的重要環節，很難想象，智能化電器設備一旦失去了監測與診斷的技術支持，會是個什么樣子。計算機技術、傳感技術與微電子技術的進步，使智能化斷路器的監測與診斷的要求得以實現。它要求具有以下功能: 
          2.1滅弧室電壽命的監測與診斷 
          動作次數: 記錄合分次數，逾限報警; 
          開斷電流加權累計，即統計ΣIα（α=1.5~2）值，逾限報警。 
          　　觸頭的電磨損主要取決于燃弧電流的大小及燃弧時間的長短。而燃弧時間，對實際使用中的斷路器是難于獲得的，且燃弧時間從統計和累計的角度可不必考慮。因此，人們常將注意力集中在開斷電流上，研制累計開斷電流記錄儀。但是，累計開斷電流與觸頭電器磨損之間并不是單值函數關系，同樣的累計開斷電流，如果單次開斷的電流小，其磨損量要比單次開斷電流大時小得多，因此，正確的方法應該是據每次開斷電流的大小換算成相應的磨損量，而磨損總量應根據斷路器的額定開斷電流和額定開斷次數來確定，而不同開斷電流下的等效磨損量應由試驗所得的經驗曲線確定。 
          　　對于真空斷路器來講，滅弧室除了電壽命外，還有真空度的監測。大量的研究和實踐證明，12kV真空斷路器目前型式試驗的短路開斷次數有的已做到了50次，在開斷50次以后，觸頭的燒損厚度僅為0.6mm左右，燒損甚微; 而真空滅弧室產品允許觸頭燒損厚度為3mm，說明真空斷路器在開斷方面的余量很大，更何況在實際運行中，短路開斷的次數是不會很多的。相應之下，真空斷路器滅弧室的真空度下降的機率卻要高得多，從1999年的統計資料看，全國真空斷路器共發生45次事故，其中因滅弧室真空度下降造成的就有9次，由此可見，對真空斷路器來講，滅弧室真空度的監測是很重要的。 
          2.2斷路器機械故障的監測與診斷 
          　　根據多年的大量統計資料表明，事故的70%~80%出在高壓斷路器的操動機構和控制回路。斷路器的機械部分比較復雜，且長期不動作，比目前已經較為成熟的旋轉機械的監測技術更為困難，常需要采用多種技術綜合判斷，主要有以下幾項:  
          　　(1)合分線圈電流波形監測，非正常報警; 
          　　(2)合分線圈回路斷路監測，斷路報警; 
          　　(3)監測行程，過限報警; 
          　　(4)監測合分速度，過限報警; 
          　　(5)機械振動，非正常報警; 
          　　(6)液壓機構打壓次數、打壓時間、壓力; 
          　　(7)彈簧機構彈簧壓縮狀態，傳動機構和鎖扣部分的工作狀態，電動機工作時間; 
          　　(8)永磁機構: 線圈狀況、磁性的穩定狀況和彈簧的壓縮狀態等; 
          　　(9)關鍵部分的機械振動信號。高壓斷路器合分動作的機械振動波形十分復雜，通常包含著多個子波，看起來雜亂無章的波形實際上是多個子波的混疊，每個子波代表一個振動事件。分析振動波形，把各子波分離出來，可以得到事件的個數及各事件發生的時間和事件的強度，可以獲取斷路器操作過程機械部分的多個信息。對波形分析的方法很多，如小波分析、形狀比較、統計過程處理等等。測量所用的加速度傳感器應據所監測的目標（電磁振動、部件振動、操作振動、微粒跳動等等）的不同而合理選擇。振動傳感器的安裝位置也應精心布置; 
          　　(10)合、分閘線圈電流和電壓波形的檢測。線圈電流波形中包含著許多操作系統的信息，如線圈是否接通，鐵芯是否卡澀，脫扣是否有障礙等等; 
          　　(11)合、分閘機械特性: 速度、過沖、彈跳、撞擊等，這些信息也可從振動波形中有所反映; 
          　　(12)控制回路通斷狀態監測。這對因輔助開關不到位或接觸不良造成的拒分、拒合故障有很好的監視作用; 
          　　(13)操作機構儲能完成狀況。 
          　　判斷上述所監測信號是否正常的一個基本出發點就是將其與正常狀態下的情況作比較。正常狀態是在某一范圍內，只有通過具體條件由試驗和統計處理確定。通常是將一次操作的幾個波在時域、頻域、幅度上作橫向比較，與前幾次的操作作縱向比較以得出診斷結論。 
          2.3絕緣狀態的監測 
          　　氣體斷路器氣體壓力，越限報警，閉鎖;  
                     電力設備故障診斷的分層結構
          圖2 電力設備故障診斷的分層結構 
          　　監測局部放電，用以預報絕緣事故，智能技術是把對信息的獲取和加工推理，從代數的簡單數值計算，發展為模擬人腦對不確定性的辨別、思考、預測、優化和決策。將智能技術引入到基于在線監測數據的絕緣診斷系統，將診斷機制分為四個層次，依次為在線數據的預處理、征兆集的提取、故障類型的確定以及決策，如圖2所示。 
          　　研究表明，由于在線監測具有數據量大、影響因素復雜的特點，智能技術特別適合絕緣在線診斷。 
          　　在線數據的預處理階段，采用有關方法剔除虛假點，并通過分析在線數據與環境因素的相關性，利用三次擬合曲線削弱環境對測量數據的影響。在征兆集的提取階段，由于考慮到數據的動態特性和隨機誤差的影響，將待檢數據與模型的殘差作為故障的征兆之一，采用了相對比較法的時序分析法。研究證明這些方法是有效的。 
          　　對絕緣診斷的后兩個層次，即故障類型和決策層方面，尚需積累更多的在線監測數據，以及對故障種類的模式、嚴重程度的在線數據特征進行深入的研究，專家知識的積累和診斷方法的完善也將是一個長期的過程。 
          2.4載流導體及接觸部位溫度的監測 
          　　載流導體和母線聯接處，接頭處等接觸部位的接觸受振動力矩的作用而發生變化。導致接觸電阻增加，接觸部位的溫度增加，故需要對這些部位的溫度進行監測。 
          　　這通常是利用紅外光的幅射強度或將感溫元件裝在導體上，轉換成信號傳到低電位再還原成溫度信號，其難點是高電位導體上低壓工作電源的獲得方法，也有利用受熱發聲器件將異常過熱信息傳到低電位接受裝置的。近來，有直接在低電位處將紅外光照到載流導體上就能從發射方獲取被測體溫度的非接觸方法。還有利用光微薄硅溫度傳感器的無源測量方法如圖3所示。 
                          光微薄硅溫度傳感器的溫度探頭原理圖
          圖3 光微薄硅溫度傳感器的溫度探頭原理圖 
          　　圖3是采用對溫度敏感的Fabry-perot槽研制出的一種溫度探頭，Fabry-perot槽溫度探頭原理圖如圖3所示。裝置由一薄硅片構成，在它中段的頂部和底部蝕刻出矩形槽，然后在薄硅片頂粘貼上一層玻璃，該玻璃的熱膨脹系數與硅片的熱膨脹系數不同。當該處溫度變化時，因2種材料不同的熱膨脹系數，在其內部產生內應力，內應力改變槽的深度。用光纖將多色光送入Fabry-perot槽，反射出的調制光也經光纖送出，調制的輸出信號是用光學干涉測量方法測量的。 
          　　由Fabry-perot槽構成的光纖傳感系統其組成元件耐腐蝕、小巧、測量靈敏度高，而且不受電磁干擾影響，在智能化高壓電器的溫度在線監測方面有廣闊的市場。 
          2.5監測診斷系統的總體框圖 
          　　一個智能化的斷路器設備或斷路器設備的智能監測與診斷系統其總體方框圖大致如圖4。信號傳輸部分若是扁平電纜，則距離甚短，多為并行數據信號; 若距離較長多為串行信號，僅需兩根電纜，且信號獲取單元可有多個，每增一個僅多一地址編碼。由于對異常程度及故障部位的診斷難度較大，計算機決策有時比較困難，很多裝置還借助于人腦對信息作綜合分析，以便作出最后決斷，計算機只對那些確認無疑的越限值給出告警信號。 
                          
                     		

          

          

          
  
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出處：徐州供電公司 作者：方可行 

          

          


          

          
 

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