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摘要：隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，我們面臨的任務(wù)是研制適合我國電網(wǎng)特點(diǎn)的、規(guī)范的“國產(chǎn)pass系統(tǒng)”。本文主要介紹了pass開關(guān)智能化的概念、設(shè)計思想和pass開關(guān)智能綜合控制器的主要功能，具有很好的市場前景。pass開關(guān)智能化是在微機(jī)保護(hù)的基礎(chǔ)上，增加了許多功能，實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動化、微機(jī)保護(hù)以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控“三合一”的功能。
關(guān)鍵詞：智能化開關(guān)；低功率電流互感器；傳感器；監(jiān)測
隨著社會科技的發(fā)展，人們對環(huán)境保護(hù)越來越重視，有著國家工業(yè)“血液”之稱的電力行業(yè)也作出了相應(yīng)的規(guī)劃，具有占地少、自動化程度高、維護(hù)量小對環(huán)境影響小的緊湊型變電站也就應(yīng)運(yùn)而生，并得到了廣泛地使用。abb公司推出的pass系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、穩(wěn)定可靠、智能化等特點(diǎn)得到了用戶的青睞。但abb公司生產(chǎn)的pass產(chǎn)品自身的繼電保護(hù)接口和有關(guān)協(xié)議與我國現(xiàn)有設(shè)備之間存在差異，而這些問題一時無法解決。為了在我國實(shí)際應(yīng)用pass系統(tǒng)，只能將其智能系統(tǒng)放棄掉，用傳統(tǒng)的設(shè)備來代替，這樣大大消減了pass的特有優(yōu)勢。如何盡快解決這些問題，使得我們在引進(jìn)吸收的基礎(chǔ)上，提高我國電力系統(tǒng)和電力設(shè)備的整體水平，為此研制能夠適合我國電力系統(tǒng)規(guī)范的“國產(chǎn)pass系統(tǒng)”就擺在我們面前。
國電博納（北京）電氣技術(shù)有限責(zé)任公司在長期從事實(shí)際工作的基礎(chǔ)上，針對這些問題提出了完整的系列方案，簡要說明如下。
一、概述
隨著輸變電站技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了的變電站，這些變電站特點(diǎn)是：接線越來越簡化，自動化程度越來越高，占地面積越來越小，土建工作量越來越少，安裝過程越來越容易,設(shè)備的運(yùn)行越來越可靠，設(shè)備日常維護(hù)越來越簡便。這些要求就促使組成變電站的一次開關(guān)設(shè)備在結(jié)構(gòu)上更加緊湊、在操作和維護(hù)上更加智能化。pass作為這類開關(guān)的典型設(shè)備，迎合了變電站發(fā)展的要求。
從總體上來講，pass開關(guān)智能化有兩方面的內(nèi)容：開關(guān)間隔層的智能化和變電站層的智能化。開關(guān)間隔層方面就是對本間隔的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行信息的采集、處理和通訊，這一部分智能化的工作包括監(jiān)控選點(diǎn)、傳感器應(yīng)用、判斷處理、通訊功能等，在開關(guān)間隔層安裝自動化單元、保護(hù)單元和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控單元組成的“三合一”系統(tǒng)，可為一次開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化操作及設(shè)備狀態(tài)評估提供一個技術(shù)平臺，主要靠硬件器件來實(shí)現(xiàn)；變電站方面是對間隔自身和間隔之間的信息收集記錄以及遠(yuǎn)方遙控等，這一部分智能化的主要工作是實(shí)現(xiàn)記錄和通訊功能，主要靠軟件來實(shí)現(xiàn)。
pass開關(guān)智能化的難點(diǎn)集中在開關(guān)間隔上。這部分工作涉及到設(shè)備和傳感器的研制及使用，如用小功率電流互感器代替常規(guī)電流互感器來實(shí)現(xiàn)電流的采樣、用數(shù)字sf6密度表替代機(jī)械sf6密度表來監(jiān)視sf6氣體密度變化等。pass開關(guān)智能化包括互感器、開關(guān)操作系統(tǒng)、系統(tǒng)控制和綜合網(wǎng)絡(luò)控制等諸多方面，除信息（物理量）采集所使用的手段外，其它每個單元都屬于變電站二次設(shè)備自動控制中的輔助工藝過程，可以歸屬于變電站二次系統(tǒng)自動化的技術(shù)范疇。
pass開關(guān)智能化是在微機(jī)保護(hù)的基礎(chǔ)上，除了過去的微機(jī)保護(hù)設(shè)備和遠(yuǎn)動裝置外，又增加了開關(guān)的防誤操作連鎖裝置、運(yùn)行環(huán)境檢測、開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)跟蹤、故障分析及定位、開關(guān)壽命分析等多方面的自動裝置，把這些具有二次系統(tǒng)自動化功能的裝置都綜合于就地開關(guān)控制柜中，以便實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動化、微機(jī)保護(hù)以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控“三合一”的功能。pass開關(guān)智能化，可以大大減少定期檢查次數(shù)，實(shí)現(xiàn)有目的的檢修，減免因檢查而停電造成的損失和對開關(guān)設(shè)備的人為傷害；可以節(jié)省保護(hù)和遙控設(shè)備所需的場地空間和大量的控制電纜，不但減少了成本，而且使繼電保護(hù)更加安全可靠；可以使變電站控制室從日常的“繁忙事務(wù)”中解脫出來，“集中精力”從事系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理。
pass智能系統(tǒng)組成的變電站，主要有以下幾部分組成：
1）pass開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)信息采集系統(tǒng)；
2）pass開關(guān)就地控制和保護(hù)單元；
3）pass開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)分析系統(tǒng)；
4）光纖通訊系統(tǒng)；
5）信息記錄，故障分析和定位單元。
圖1智能化pass系統(tǒng)圖
二、pass智能化設(shè)計思想
采用帶鐵心線圈的低功率電流互感器來代替常規(guī)的電流互感器，將常規(guī)的保護(hù)、測控單元直接就地安裝，將pass開關(guān)裝置、采集開關(guān)狀態(tài)物理量的傳感器和智能綜合控制器組合起來，采用屏蔽電纜或者光纖聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)pass開關(guān)智能化。智能化pass開關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2。
1．采用帶鐵心的低功率電流互感器（lpct）
pass開關(guān)上使用的常規(guī)電流互感器是一種無奈的選擇，原因是原設(shè)計的光電組合傳感器的規(guī)約和檢測標(biāo)準(zhǔn)還未制定出來，不具備推廣的條件。笨重的干式套管ct使設(shè)備總重量提高了1/3~1/4，制造成本較高，也不便于設(shè)備的整體運(yùn)輸和安裝。采用帶鐵心線圈的低功率電流互感器（lpct）是常規(guī)感應(yīng)式電流互感器的發(fā)展。由于現(xiàn)代電子設(shè)備要求的輸入功率很低，lpct可以為此實(shí)現(xiàn)體積很小但測量范圍卻很廣的設(shè)計，如下圖3所示為低功率鐵心線圈交換器。
圖3低功率鐵心線圈交換器
lpct包含一次繞組、較小的鐵心和損耗小的二次繞組，后者連接分流電阻rsh.二次電流is在分流電阻上產(chǎn)生的電壓us，在幅值和相位上正比于一次電流。分流電阻集成于lpct中，rsh選取得使其對互感器的功耗近于零。因而地擴(kuò)大了測量范圍，電流互感器在（或偏移）一次電流下會飽和的特性將得到改善，測量和保護(hù)也可能使用同一互感器。
低功耗電流互感器的選擇范圍很大絕大多數(shù)的互感器即可以并入斷路器也可以并入套管絕緣子上與這些互感器連接的控制設(shè)備目前可在市場上買到僅需要很低能源的模擬信號保護(hù)設(shè)備市場已有銷售。我們擬使用的典型二次參數(shù)額定電流保護(hù)為0.2,計量為0.4a,額定電壓660v,額定電壓3千伏；重量為傳統(tǒng)互感器的1/10.這種低功耗電流互感器在國外已經(jīng)得到大量推廣。典型參數(shù)如下:
2．采用監(jiān)控傳感器
采用的傳感器有：氣體密度測量傳感器；測量電壓電流的傳感器；用于斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的傳感器；反映物理現(xiàn)象的傳感器(如：電弧放電、溫度、濕度等)。
這些傳感器必須滿足高可靠性和壽命要求。
3．pass開關(guān)智能綜合控制器
pass開關(guān)智能綜合控制器，就是把開關(guān)、隔離開關(guān)的一切在線監(jiān)測功能；本間隔內(nèi)綜合自動化要求的保護(hù)、測控、五防、通信功能；以及設(shè)置顯示人機(jī)界面功能集中在一個具有雙層結(jié)構(gòu)的密封金屬箱體內(nèi)，通過互為熱備用的雙光纖以太網(wǎng)接口，與變電站的上一級監(jiān)控系統(tǒng)連接，完成數(shù)據(jù)交換和控制功能。箱體內(nèi)的各個功能部分由獨(dú)立的智能模塊各自完成，并通過通信有機(jī)連成一體。
pass開關(guān)智能綜合控制器安裝在室外，運(yùn)行環(huán)境要比室內(nèi)條件惡劣，在其結(jié)構(gòu)、工藝上經(jīng)過處理，采用雙層隔熱防水結(jié)構(gòu)，里層實(shí)行全封閉，達(dá)到防塵防潮的目的。
4.有關(guān)pass開關(guān)控制柜的工藝要求的說明：
（1）體采用雙層隔熱防水結(jié)構(gòu)，里層實(shí)行全封閉，達(dá)到防塵防潮的目的。在設(shè)計上，還考慮到充分利用雙層之間的空氣流動，有效的散發(fā)里層柜體的部分熱量。
（2）柜體采用成熟的熱噴鋅工藝：箱體經(jīng)過鈍化處理，噴鋅時鋅材料可以滲進(jìn)箱體0.2-0.3mm，可金屬表層15年內(nèi)不發(fā)生銹蝕問題。
（3）在全封閉的里層機(jī)柜內(nèi)設(shè)有透氣孔，通過選擇合適的部件保證達(dá)到既驅(qū)潮透氣又不能進(jìn)水的目的。
（4）pcb板主部做“三防”處理。
（5）加裝有溫度、濕度自動控制系統(tǒng)，可以根據(jù)現(xiàn)場的外部環(huán)境進(jìn)行自動加溫和除濕。
（6）采用德國的多接插件，該接插件具有良好的密封特性，接線采取冷壓插針，可以很好的解決端子松動和端子的銹蝕問題。（就端子的選用，專門赴外地考察了有關(guān)用戶單位。對戶外運(yùn)行多年的設(shè)備抗銹蝕，做了詳細(xì)調(diào)研。）
（7）保護(hù)單元和測控裝置的接線采取鳳凰插接的壓接端子，可以很好的解決保護(hù)單元和測控裝置端子的銹蝕問題。
三、pass開關(guān)智能綜合控制器主要功能
對監(jiān)測量進(jìn)行在線監(jiān)測和實(shí)時記錄，并經(jīng)過計算和邏輯判斷發(fā)出指令或報警。該系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)定（根據(jù)有關(guān)的規(guī)程、開關(guān)設(shè)計參數(shù)設(shè)置判斷的閥值）、實(shí)時監(jiān)測、圖形顯示、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)校驗(yàn)、操作控制（手動、自動）、信息通訊等功能。
其監(jiān)視和診斷系統(tǒng)示意圖見圖4。
1．操動機(jī)構(gòu)分、合閘線圈工作電流
線圈工作電流的波形，反映了鐵芯運(yùn)動狀態(tài)和機(jī)械狀態(tài)。根據(jù)電流波形的特征參數(shù)可以計算出鐵芯啟動時間、運(yùn)動時間、線圈通電時間，從而得到鐵芯運(yùn)動狀態(tài)，能夠發(fā)現(xiàn)是否有鐵芯卡滯現(xiàn)象、鐵芯的行程和鐵芯吸力等參數(shù)的變化。
2．操動機(jī)構(gòu)分合閘線圈工作電壓的監(jiān)測
根據(jù)dl/t596－1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》和gb50190－91《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定：“直流或交流的分閘電磁鐵，在其線圈端鈕處測得的電壓大于額定值的65時，斷路器應(yīng)可靠分閘；當(dāng)此電壓小于額定值的30時，不應(yīng)分閘”。對線圈工作電壓的監(jiān)測能夠得知操作回路電壓的高低，可作為將來故障診斷的依據(jù)。
3．分合閘回路狀態(tài)的檢測
分合閘回路是否完好，是分合閘線圈順利動作的基本保證。對此檢測可預(yù)防斷路器由控制回路斷線故障而拒動。這樣可以減少“拒動”現(xiàn)象發(fā)生的幾率，有益于斷路器穩(wěn)定運(yùn)行。如出現(xiàn)異常就報警。
4．?dāng)嗦菲鏖_斷電流和開斷次數(shù)的監(jiān)測
斷路器的累計開斷電流是表征其電氣壽命狀況的重要參數(shù)，對此檢測可以計算出觸頭電磨損情況，據(jù)電壽命計算公式可以對斷路器的電壽命作診斷。
5．?dāng)嗦菲鞯男谐?、時間的監(jiān)測
斷路器觸頭運(yùn)動特性包括觸頭合閘特性和分閘特性。合閘和分閘運(yùn)動速度特性是滿足斷路器滅弧室的電氣性能的保證。通過行程—時間特性曲線可以間接得到斷路器合、分速度曲線，能夠反映斷路器動作過程中有無機(jī)械卡滯或緩沖不良等異?，F(xiàn)象，并由這些參數(shù)來判斷斷路器當(dāng)前的狀態(tài)是否正常。
6．sf6氣體密度的監(jiān)測
sf6在氣室中的密度是保證絕緣、順利滅弧的基本保證，它是否滿足開關(guān)設(shè)備設(shè)計的要求，是保證開關(guān)正常運(yùn)行的前提條件。對此檢測，根據(jù)不同的密度，發(fā)出不同的指令或報警。
7．?dāng)嗦菲鳌⒏綦x接地組合開關(guān)觸頭位置狀態(tài)的監(jiān)測
作為觸頭位置的狀態(tài)指示及相關(guān)特性分析的一個判斷依據(jù)。
8．系統(tǒng)電壓、電流信息的記錄、顯示等
電壓、電流信號是繼電保護(hù)和計量的基本信號，也是事后進(jìn)行事故分析的重要信息。
9．?dāng)嗦菲骱透綦x接地開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)的監(jiān)測
輔助開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測并記錄、儲能情況監(jiān)測和記錄、電機(jī)電源情況出現(xiàn)異常報警。
10．匯控柜的監(jiān)測
匯控柜絕緣、室內(nèi)溫度和濕度監(jiān)測記錄。
11．局部放電監(jiān)控和火花放電判斷（選項(xiàng)）
近幾年來，各研究機(jī)構(gòu)把大量的時間和努力都傾注在氣體絕緣變電站的局部放電的測量上，聲容或靜電傳感器就是該項(xiàng)技術(shù)。根據(jù)目前的現(xiàn)狀，用戶要求將它們放置在變電站中，這樣可以在間隔層和變電站產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，難度在于如何從大量的數(shù)據(jù)中得出準(zhǔn)確的結(jié)論，這就需要足夠精確的預(yù)測制定時間表，以便對有問題部分進(jìn)行維修。根據(jù)參數(shù)的不同，不同的監(jiān)控系統(tǒng)不是功能不足就是功能過當(dāng)，所以持續(xù)的局部放電監(jiān)控尚無法建立這種監(jiān)控系統(tǒng)。一般都是離線操作，即記錄規(guī)律時間間隔的單個傳感器信號，并與早期記錄的數(shù)值進(jìn)行比較。
也可以通過電弧監(jiān)控判斷火花放電。光傳感器不間斷地檢查氣艙是否有電弧，并發(fā)信號給間隔層和變電站層，但時由局部放電監(jiān)控傳統(tǒng)的方法采集的信號不能直接被傳感器重復(fù)使用。監(jiān)控軟件可以進(jìn)行一種程序執(zhí)行分析并確定發(fā)生火花放電的氣室。采用這種方法至少能確定變電站中可能需要維護(hù)的部分。
12．?dāng)嗦菲饔|點(diǎn)的路徑時間功能（選項(xiàng)）
采用人工智能斷路器驅(qū)動裝置來監(jiān)測。兩個位置傳感器測量操縱主要接觸的儲能的盤式彈簧和拉桿的實(shí)際壓力。在工廠安裝和檢驗(yàn)時，斷路器會在不同的負(fù)荷下反復(fù)操作數(shù)次，且每次由傳感器測出的路徑時間數(shù)值會永久存放在產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中，每次開關(guān)操作所得數(shù)值就會與產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值進(jìn)行比較，從而得到驅(qū)動裝置的實(shí)際狀態(tài)。與驅(qū)動裝置相關(guān)的監(jiān)控值以及采樣的u/i傳感器的電流電壓值被以優(yōu)于25微秒的精確度做了時間標(biāo)記，通過把這些瞬時數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可得到觸頭的磨損程度。這樣監(jiān)控軟件就可確定下次檢驗(yàn)的日期。
以上采集到的數(shù)據(jù)，通過光纖通訊傳到變電站主控中心或者網(wǎng)控中心，并根據(jù)需要進(jìn)行存儲和整理。這些數(shù)據(jù)用于變電站一次設(shè)備的投運(yùn)和維護(hù)的比較。
四.前景展望
智能化開關(guān)電器是將計算機(jī)、信息技術(shù)與傳統(tǒng)開關(guān)電器組合，而具有智能功能的開關(guān)電器，是上近才興起的一種產(chǎn)品，由于有明顯技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)展速度比較快。目前國內(nèi)在高檔開關(guān)柜中（組裝柜），智能化率已達(dá)到50以上，今后隨著智能化技術(shù)更成熟，智能化單元、傳感器等價格降低，會逐步在整個開關(guān)柜中普及。近來在輻射架空線系統(tǒng)中已開發(fā)不少智能化開關(guān)設(shè)備，如重合器、分段器、真空自動配電開關(guān)（vps5）等，但由于價格高，是sf6、真空柱上開關(guān)的2~3倍或5倍，難為縣級以下，投產(chǎn)能力較差的用戶因此"十五"有一定市場，但不會太大。gis、斷路器等高壓元件中，以在線監(jiān)測為主的智能化技術(shù)，目前還不夠成熟，有待進(jìn)一步的發(fā)展和提高，預(yù)計今后5年將會有實(shí)質(zhì)性的市場起動。
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4、改造、擴(kuò)建和新建高壓變電站的新思想作者:peterhgg/abb高壓技術(shù)有限公司總工程師、dieterfüchsle/abb高壓技術(shù)有限公司項(xiàng)目經(jīng)理、alexanderkara/abb高壓技術(shù)有限公司工程經(jīng)理、andreasmüller/abb高壓技術(shù)有限公司市場經(jīng)理。