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智能化斷路器的發展前景

          

          


          

          
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 智能化斷路器診斷系統總體框圖
          圖4 診斷系統總體框圖 
          　　傳感器要獲取的信號并不只局限于前面敘述的那些，一個智能程度較高的斷路器除電氣、機械、絕緣各方面的劣化或變異需自行監測外，諸如氣體密封狀態、真空滅弧室的真空度、液壓機構的液壓、組合電器中避雷器的特性劣化等也應有相應的自檢措施。 
          3 斷路器的智能操作 
          　　斷路器的智能操作是智能化斷路器最典型的應用，它是將智能化技術引入到斷路器的電氣性能中去，它使斷路器能更好地完成開斷任務和提高開斷的可靠性，提高斷路器的綜合技術性能，無論是生產運行還是對研究制造都具有十分重要的作用和價值。目前認為，它至少應包括以下兩方面; 
          　　一是要求斷路器的操作性能可根據電網中發出的不同工況自動選擇和調整操動機構或者滅弧室合理的預定工作條件。例如: 對于自能式斷路器的分斷操作，小負載時觸頭以較低的速度分斷，既可保證所需的滅弧能量又可減少機械損耗，而在接到短路信號時則以全速分斷，獲得電氣和機械性能上的最佳開斷效果。目前，此類專家系統的開發已在進行，變速操作打破了傳統斷路器單一分閘特性的概念，實際上是上述執行功能的智能化，是對高電壓等級斷路器操動機構的改造十分有益的嘗試。 
          　　再是要求斷路器在零電壓下關合，在零電流下分斷，這與斷路器的同步分斷與選相合閘的工況是完全一致的，同步分斷可以大大提高斷路器的分析能力，一臺低成本的小容量開關可分斷10倍以上容量的電流; 選相合閘可以避免系統的不穩定，克服容性負載的合閘涌流與過電壓。在電力電子領域，近年來流行一種軟開關技術，使半導體開關器件在零電壓下關合，在零電流下分斷，可以認為: 電子操動正是實現斷路器的軟開關技術的關鍵。目前比較迫切的應用是在: 
          　　(1) 并聯電抗器操作 
          　　(2) 電容器組操作 
          　　(3) 變壓器操作 
          　　(4) 輸電線路操作 
          　　每一種應用對斷路器和控制裝置的性能提出某些要求，能從根本上解決過壓問題。這對推廣無功補償、穩定電力系統意義極大。應用真空觸發開關和一般電磁機構真空開關已經實現了這種選相合閘的并聯電容器組的投切，進一步的工作將用有永磁機構的智能化斷路器直接實現選相合閘。 
          　　永磁操動機構大大提高了機構的可控性，由原來毫秒級的機構控制時間分散性進步到微秒級的電信號控制，由機械儲能、機械脫扣進步到電儲能、電信號直接觸發動作（電子脫扣）。真空斷路器新的操動理論應包括兩部分: 控制精度分析與可靠性設計，高可靠性控制電路的設計以及機構運動特性分析與優化。 

          斷路器的同步分斷與選相合閘的實現 
          　　現代傳感器技術使交流零點信號的拾取變得非常可靠和方便。同樣，我們也可以方便地取到交流電壓或電流變化率的零點（對應正弦信號的峰值）信號。剩下的問題是控制信號在電壓或電流零點以前或它們的變化率零點以后什么時刻發出。 
          　　目前同步斷路器的發展還需進一步的可靠性論證和設計，它的連帶意義是斷路器的完全可控，其發展可能成為最典型的新概念開關電器。 
          　　20世紀90年代ABB公司推出了CAT（即具有人工智能技術的斷路器，Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology）:CAT是專為ELF型SF6斷路器（敝開式）和ELK型封閉式組合電器（GIS）而開發和試驗的，見圖5。 
          　　CAT為一模塊式電子，它由三個獨立的分相模塊所組成，可使斷路器在最佳投切時刻進行每相的獨立操作。其效果為:減輕投切時的瞬時過電壓;減輕電流對設備的應力。 
          　　對常常要使用分合閘電阻的高壓斷路器來說，CAT是一種可供選擇的可靠技術替代方案。CAT安裝在斷路器的控制回路中，具有處理來自電壓或電流互感器輸入的信息的功能，并在最佳操作條件的時刻發出斷路器操作脈沖。例如: 視電網參數不同而異，CAT能有效地將電容器組投入時的沖擊電流減低到其原有值的30%。對于有并聯補償線路的自動重合閘，即使對長線路而言，操作過電壓值也能保持在2倍（標么值）以下，在切除并聯電抗器的情況下，CAT能消除在斷路器內有害的電弧重燃，因而防止了電抗器絕緣的劣化。  
                                    CAT接線示意圖
          圖5 CAT接線示意圖 
          　　可以看出，CAT在一起程度上實現了對斷路器的受控操作，具有智能操作的一些特點。 
          　　實際上，國外十幾年前已開始相當普遍地實際應用相位控制高壓斷路器技術，下表簡要說明相位控制高壓斷路器的作用。 
          工 況適用目的動作準確度*最佳開合時刻優 點 
          空載變壓器投入關合涌流抑制 電壓變動抑制±2ms中性點接地: 各相電壓峰值 中性點不接地: 首相電壓峰值，后二相相間電壓峰值不需合閘電阻，防止繼電器誤動，提高電壓穩定性 
          電抗器投入過電壓抑制 
          （2P.u.以下）±2ms 
          同上 
          延長斷路器檢修周期 
          電容器投入過電壓抑制 合閘涌流抑制±1.5ms中懷點接地:  
          各斷口間電壓為零 
          中性點不接地: 
          首二相相間電壓為零第三相極間電壓為零延長斷路器檢修周期 不用串聯電抗器 
          空載線路投入過電壓抑制 
          (1.3-1.7p.u.) 
          ±1.5-2.0ms 不用合閘電阻或電路避雷器，電壓穩定性提高 
          快速自動重合閘過電壓抑制 同電容器投入  
          電抗器開斷防止復燃燃弧時間:  
          0.5周波以下 降低設備絕緣水平 
          電容器開斷防止復燃及重擊穿燃弧時間:  
          0.5周波以下 降低成本設備絕緣水平 
          *±30以內  

          4 智能型高壓電器有關問題的探討 
          　　斷路器智能技術不僅是概念上的轉變和理論上的發展，而且是在眾多領域中技術上的突破，它的實現必然會應用一些新技術、新材料、新工藝，不斷提高產品的檔次和技術含量，但是在這個過程中，核心的問題是信息的采樣傳輸與控制系統，這些領域中，有的技術相對成熟，有的尚處于開發研制與試運行階段，需要一個不斷總結提高和完善的階段，具體有下列方面:  
          4.1 關鍵技術 
          　　4.1.1 傳感技術。局部放電、高壓導體測溫、高壓側電流和電壓的測量技術，特別是目前正在開發研制的光電流、電壓傳感技術等難度較大的傳感技術; 
          　　4.1.2 微機技術。開發出成功的智能化軟件是微機技術的關鍵。而軟件系統中，主程序則是核心程序。 
          　　　　主程序首先完成單片機和外圍接口芯片的初始化; 之后，主程序不斷檢測并顯示斷路器的工作狀態，隨時準備應上位機的要求與之通信，傳遞有關的控制和狀態信息。 
          　　4.1.3 抗電磁干擾技術 
          　　　　研究表明，系統中常態噪聲是工頻50Hz及其高次諧波，一次回路中發生的任何形式的暫態過程（如各種過電壓和各種短路故障）以及載波通訊信號，都會通過不同的途徑耦合到二次系統。此外，高電場引起的電暈及污閃也要產生電磁輻射，二次控制回路的開關電源由于其浪涌噪聲也會對電量傳輸帶來擾動。大功率電磁鐵動作時引起空間磁場的變化，還會在附近的導電回路中感應出電流，對操動機構中的控制電路帶來考驗。解決電磁兼容問題就要針對各干擾源，嚴格屏蔽、隔離與接地措施，信號的數字化傳輸可以大大緩解干擾的影響程度，引入光電轉換不但可以進行電氣隔離，還可以保證信號傳輸過程不受電磁場的干擾。 
          　　由于智能化斷路器的信號傳輸與控制系統的工作電壓和信號傳遞電平低，耐壓水平低，外界電磁場干擾很容易使其失效或損壞，而這種情況對于傳統電器調和的影響是不大的。因此，電磁兼容是斷路器智能化的新課題。 
          　　4.1.4 信號處理技術。對有些技術來說，獲得監測信號只是第一步，必須進行故障診斷才能作出判斷、決策。如局部放電監測所得復雜信號需要進行故障診斷才能實現故障分類、故障定位、預期壽命估計等; 用機械振動法監測斷路器機械狀態也需對獲取信號作處理才能正確辨識; 目前對于斷路器電弧狀態的研究，也是從電弧電壓入手，通過軟件的處理實現對電弧狀態的診斷。 
          4.2壽命問題 
          　　一般來說，電子設備的使用壽命遠低于高壓電器設備本身的壽命，這是一個矛盾。解決的辦法有: 
          　　4.2.1提高電子設備的可靠性，這可以從設計、制造及適當改善運行條件幾方面著手; 
          　　4.2.2應有自檢功能; 
          　　4.2.3采用綜合判斷; 
          　　4.2.4對于相同功能的部件，采用模塊化設計，以降低成本增加備用量，達到總體上提高電子設備的可靠性。 
          4.3經濟問題 
          　　當前在計算機等設備不斷降價的情況下，監測設備價格也不斷降低。這種趨勢還會繼續下去。但無論如何，仍要相當經費。如日本三菱公司在’97國際電力設備及技術展覽會上顯示的GIS監測設備包括局部放電等約10項內容的裝置，價格不超過GIS本身的1/10。這比幾年前聽到的1/3要便宜不少。如采用國產設備還會便宜得多。 
          國外也十分關心監測技術的經濟問題，并作出了不少經濟分析。如有用下列公式作為采用監測設備的條件:            		

          

          

          
  
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出處：徐州供電公司 作者：方可行 

          

          


          

          
 

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