智能化變電站中斷路器相關(guān)問(wèn)題的探討
隨著電力系統(tǒng)越來(lái)越高的可靠性及自動(dòng)化要求,無(wú)論是發(fā)電、輸電、配電還是用電,都提出了監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)等方面 的自動(dòng)化和智能化的要求。斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的控制元件,它的自動(dòng)化和智能化是電器設(shè)備智能化的基礎(chǔ)。 斷路器的智能化不是通常所想的,使用計(jì)算機(jī)就達(dá)到了智能化。它必須盡可能地應(yīng)用電弧自身的能量,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的 自診斷,操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可控操動(dòng),并且配置最新傳感器技術(shù),微電子技術(shù)和信息傳輸技術(shù),智能化的概念才比較完整。
一般來(lái)說(shuō),智能化電器設(shè)備除滿足常規(guī)電器設(shè)備的原有功能外,其功能主要表現(xiàn)為:
1、應(yīng)具有靈敏準(zhǔn)確地獲取周圍大量信息的感知功能;
2、應(yīng)具有對(duì)獲取信息的處理能力;
3、應(yīng)具有對(duì)處理結(jié)果的思維判斷能力,對(duì)處理結(jié)果的再生信息的實(shí)施及有效操作的實(shí)施功能。
圖 1 概要說(shuō)明了一種兼有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(guò)監(jiān)控 其運(yùn)動(dòng)和能量變化,反映操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)。氣體密度傳感器發(fā)出的信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè),確定趨勢(shì)走向以及檢測(cè) 極限值,并能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)常規(guī)的 SF6 氣體的鎖定和報(bào)警功能。同樣,在運(yùn)動(dòng)傳感器和能量傳感器的幫助下,操作機(jī) 構(gòu)的狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。另外,這些傳感器的信號(hào)可同時(shí)用于常規(guī)的位置指示和電動(dòng)機(jī)控制功能上。
圖 1 斷路器智能化工作框圖
如果需要,還可在基本系統(tǒng)中增加傳感器。根據(jù)對(duì)周圍溫度的測(cè)試 結(jié)果,對(duì)狀態(tài)變化(以及反映出的趨勢(shì)信息)作出更準(zhǔn)確的評(píng)估。對(duì) 于沒(méi)有串行接口至更高一級(jí)層面的系統(tǒng),進(jìn)行時(shí)間記錄十分有助于對(duì) 變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。附加的電流電壓傳感器實(shí)現(xiàn)斷路器設(shè)備功能最優(yōu)化 的基礎(chǔ)。
總的來(lái)看,可以歸納智能化斷路器的操作過(guò)程為: 智能控制單元不 斷從電力系統(tǒng)中采集某些特定信息,據(jù)此來(lái)判別斷路器當(dāng)前的工作狀 態(tài),同時(shí)處于操作的準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)變電站的主控室因系統(tǒng)故障由繼電 保護(hù)裝置發(fā)出分閘信號(hào)或正常操作向斷路器發(fā)出操作命令后,控制單 元根據(jù)一定的算法求得與斷路器工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)定的最佳 狀態(tài),并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整至該狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作。顯然,智能控制單元是斷路器智能操作實(shí)現(xiàn)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(jī)為核心部件,綜合應(yīng)用傳感技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字控制技 術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù),以完成斷路器的智能操作,實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化。
智能控制單元的基本功能有:
1.1 自動(dòng)識(shí)別斷路器的工作狀態(tài)
斷路器的工作狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別是實(shí)現(xiàn)智能操作的前提。對(duì)于超高壓斷路器而言,其任務(wù)主要有分?jǐn)喽搪冯娏鳌⒇?fù)載電 流、過(guò)載電流、小容性電流和小電感性電流等。
1.2 自動(dòng)調(diào)整斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)
這是控制單元的核心功能。因此控制單元必須在識(shí)別斷路器工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定與之相對(duì)應(yīng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整量。
1.3 記錄并顯示斷路器的工作狀態(tài)
由于斷路器在大多數(shù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)是不動(dòng)作的,在此期間,本單元的任務(wù)是對(duì)斷路器的工作狀態(tài)不斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí) 它還記錄斷路器每次開(kāi)斷情況,包括開(kāi)斷電流的大小、開(kāi)斷類型及是否發(fā)生拒分或拒合等信息。短路時(shí)還應(yīng)記錄短路電 流的變化過(guò)程,以便于電力部門進(jìn)行事故分析及斷路器的維護(hù)。同時(shí),也可通過(guò)斷路器累積開(kāi)斷電流的大小來(lái)表示斷路 器觸頭的燒蝕情況。
1.4 具有與遠(yuǎn)端主機(jī)進(jìn)行通信的功能
控制單元可以根據(jù)主機(jī)的要求將斷路器的開(kāi)斷記錄及其他數(shù)據(jù)經(jīng)信息傳輸接口上網(wǎng)傳送至上位機(jī),并通過(guò)上位機(jī)經(jīng)信 息傳輸網(wǎng)絡(luò)將操作命令及保護(hù)參數(shù)、保護(hù)及重合閘方式等配置要求傳送過(guò)來(lái)。
2、對(duì)斷路器工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷
監(jiān)測(cè)與診斷是智能化電器設(shè)備的重要環(huán)節(jié),很難想象,智能化電器設(shè)備一旦失去了監(jiān)測(cè)與診斷的技術(shù)支持,會(huì)是個(gè)什 么樣子。計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)與微電子技術(shù)的進(jìn)步,使智能化斷路器的監(jiān)測(cè)與診斷的要求得以實(shí)現(xiàn)。它要求具有以下 功能:
2.1 滅弧室電壽命的監(jiān)測(cè)與診斷
動(dòng)作次數(shù): 記錄合分次數(shù),逾限報(bào)警;
開(kāi)斷電流加權(quán)累計(jì),即統(tǒng)計(jì) ΣIα(α=1.5~2)值,逾限報(bào)警。
觸頭的電磨損主要取決于燃弧電流的大小及燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短。而燃弧時(shí)間,對(duì)實(shí)際使用中的斷路器是難于獲得的,且 燃弧時(shí)間從統(tǒng)計(jì)和累計(jì)的角度可不必考慮。因此,人們常將注意力集中在開(kāi)斷電流上,研制累計(jì)開(kāi)斷電流記錄儀。但是, 累計(jì)開(kāi)斷電流與觸頭電器磨損之間并不是單值函數(shù)關(guān)系,同樣的累計(jì)開(kāi)斷電流,如果單次開(kāi)斷的電流小,其磨損量要比 單次開(kāi)斷電流大時(shí)小得多,因此,正確的方法應(yīng)該是據(jù)每次開(kāi)斷電流的大小換算成相應(yīng)的磨損量,而磨損總量應(yīng)根據(jù)斷 路器的額定開(kāi)斷電流和額定開(kāi)斷次數(shù)來(lái)確定,而不同開(kāi)斷電流下的等效磨損量應(yīng)由試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)曲線確定。
對(duì)于真空斷路器來(lái)講,滅弧室除了電壽命外,還有真空度的監(jiān)測(cè)。大量的研究和實(shí)踐證明,12kV 真空斷路器目前型式 試驗(yàn)的短路開(kāi)斷次數(shù)有的已做到了 50 次,在開(kāi)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(chǎn)品允許觸頭燒損厚度為 3mm,說(shuō)明真空斷路器在開(kāi)斷方面的余量很大,更何況在實(shí)際運(yùn)行中,短路開(kāi)斷的次數(shù)是不 會(huì)很多的。相應(yīng)之下,真空斷路器滅弧室的真空度下降的機(jī)率卻要高得多,從 1999 年的統(tǒng)計(jì)資料看,全國(guó)真空斷路器共 發(fā)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(jiàn),對(duì)真空斷路器來(lái)講,滅弧室真空度的監(jiān)測(cè)是很重 要的。
2.2 斷路器機(jī)械故障的監(jiān)測(cè)與診斷
根據(jù)多年的大量統(tǒng)計(jì)資料表明, 事故的 70%~80%出在高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制回路。 斷路器的機(jī)械部分比較復(fù)雜, 且長(zhǎng)期不動(dòng)作,比目前已經(jīng)較為成熟的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的監(jiān)測(cè)技術(shù)更為困難,常需要采用多種技術(shù)綜合判斷,主要有以下幾項(xiàng):
(1) 合分線圈電流波形監(jiān)測(cè),非正常報(bào)警;
(2) 合分線圈回路斷路監(jiān)測(cè),斷路報(bào)警;
(3) 監(jiān)測(cè)行程,過(guò)限報(bào)警;
(4) 監(jiān)測(cè)合分速度,過(guò)限報(bào)警;
(5) 機(jī)械振動(dòng),非正常報(bào)警;
(6) 液壓機(jī)構(gòu)打壓次數(shù)、打壓時(shí)間、壓力;
(7) 彈簧機(jī)構(gòu)彈簧壓縮狀態(tài),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和鎖扣部分的工作狀態(tài),電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間;
(8) 永磁機(jī)構(gòu): 線圈狀況、磁性的穩(wěn)定狀況和彈簧的壓縮狀態(tài)等;
(9) 關(guān)鍵部分的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。高壓斷路器合分動(dòng)作的機(jī)械振動(dòng)波形十分復(fù)雜,通常包含著多個(gè)子波,看起來(lái)雜亂無(wú) 章的波形實(shí)際上是多個(gè)子波的混疊,每個(gè)子波代表一個(gè)振動(dòng)事件。分析振動(dòng)波形,把各子波分離出來(lái),可以得到事件的 個(gè)數(shù)及各事件發(fā)生的時(shí)間和事件的強(qiáng)度,可以獲取斷路器操作過(guò)程機(jī)械部分的多個(gè)信息。對(duì)波形分析的方法很多,如小 波分析、形狀比較、統(tǒng)計(jì)過(guò)程處理等等。測(cè)量所用的加速度傳感器應(yīng)據(jù)所監(jiān)測(cè)的目標(biāo)(電磁振動(dòng)、部件振動(dòng)、操作振動(dòng)、 微粒跳動(dòng)等等)的不同而合理選擇。振動(dòng)傳感器的安裝位置也應(yīng)精心布置;
(10) 合、分閘線圈電流和電壓波形的檢測(cè)。線圈電流波形中包含著許多操作系統(tǒng)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(jī)械特性: 速度、過(guò)沖、彈跳、撞擊等,這些信息也可從振動(dòng)波形中有所反映;
(12) 控制回路通斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這對(duì)因輔助開(kāi)關(guān)不到位或接觸不良造成的拒分、拒合故障有很好的監(jiān)視作用;
(13) 操作機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能完成狀況。
判斷上述所監(jiān)測(cè)信號(hào)是否正常的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)就是將其與正常狀態(tài)下的情況作比較。正常狀態(tài)是在某一范圍內(nèi),只 有通過(guò)具體條件由試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)處理確定。通常是將一次操作的幾個(gè)波在時(shí)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(jié)論。
2.3 絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)
氣體斷路器氣體壓力,越限報(bào)警,閉鎖。
監(jiān)測(cè)局部放電,用以預(yù)報(bào)絕緣事故,智能技術(shù)是把對(duì)信息的獲取和加工推理,從代數(shù)的簡(jiǎn)單數(shù)值計(jì)算,發(fā)展為模擬人 腦對(duì)不確定性的辨別、思考、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和決策。將智能技術(shù)引入到基于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的絕緣診斷系統(tǒng),將診斷機(jī)制分 為四個(gè)層次,依次為在線數(shù)據(jù)的預(yù)處理、征兆集的提取、故障類型的確定以及決策,如圖 2 所示。
圖2 電力設(shè)備故障診斷的分層結(jié)構(gòu)
研究表明,由于在線監(jiān)測(cè)具有數(shù)據(jù)量大、影響因素復(fù)雜的特點(diǎn),智能技術(shù)特別適 合絕緣在線診斷。
在線數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段,采用有關(guān)方法剔除虛假點(diǎn),并通過(guò)分析在線數(shù)據(jù)與環(huán)境 因素的相關(guān)性,利用三次擬合曲線削弱環(huán)境對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。在征兆集的提取階 段,由于考慮到數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特性和隨機(jī)誤差的影響,將待檢數(shù)據(jù)與模型的殘差作為 故障的征兆之一,采用了相對(duì)比較法的時(shí)序分析法。研究證明這些方法是有效的。
對(duì)絕緣診斷的后兩個(gè)層次,即故障類型和決策層方面,尚需積累更多的在線監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù),以及對(duì)故障種類的模式、嚴(yán)重程度的在線數(shù)據(jù)特征進(jìn)行深入的研究,專家知 識(shí)的積累和診斷方法的完善也將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。
2.4 載流導(dǎo)體及接觸部位溫度的監(jiān)測(cè)
載流導(dǎo)體和母線聯(lián)接處, 接頭處等接觸部位的接觸受振動(dòng)力矩的作用而發(fā)生變化。 導(dǎo)致接觸電阻增加,接觸部位的溫度增加,故需要對(duì)這些部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
這通常是利用紅外光的幅射強(qiáng)度或?qū)⒏袦卦b在導(dǎo)體上,轉(zhuǎn)換成信號(hào)傳到低電 位再還原成溫度信號(hào),其難點(diǎn)是高電位導(dǎo)體上低壓工作電源的獲得方法,也有利用 受熱發(fā)聲器件將異常過(guò)熱信息傳到低電位接受裝置的。近來(lái),有直接在低電位處將紅外光照到載流導(dǎo)體上就能從發(fā)射方 獲取被測(cè)體溫度的非接觸方法。還有利用光微薄硅溫度傳感器的無(wú)源測(cè)量方法如圖 3 所示。
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(duì)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(gòu)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(shù)與硅片的熱膨脹系數(shù)不同。當(dāng)該處溫度變 化時(shí),因 2 種材料不同的熱膨脹系數(shù),在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,內(nèi)應(yīng) 力改變槽的深度。用光纖將多色光送入 Fabry-perot 槽,反射出的調(diào) 制光也經(jīng)光纖送出,調(diào)制的輸出信號(hào)是用光學(xué)干涉測(cè)量方法測(cè)量的。 由 Fabry-perot 槽構(gòu)成的光纖傳感系統(tǒng)其組成元件耐腐蝕、小巧、測(cè) 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(jiān)測(cè)方面有廣闊的市場(chǎng)。
2.5 監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的總體框圖 一
個(gè)智能化的斷路器設(shè)備或斷路器設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)其總體方框圖大致如圖 4。 信號(hào)傳輸部分若是扁平電纜, 則距離甚短,多為并行數(shù)據(jù)信號(hào); 若距離較長(zhǎng)多為串行信號(hào),僅需兩根電纜,且信號(hào)獲取單元可有多個(gè),每增一個(gè)僅多一 地址編碼。由于對(duì)異常程度及故障部位的診斷難度較大,計(jì)算機(jī)決策有時(shí)比較困難,很多裝置還借助于人腦對(duì)信息作綜 合分析,以便作出最后決斷,計(jì)算機(jī)只對(duì)那些確認(rèn)無(wú)疑的 越限值給出告警信號(hào)。
圖 4 診斷系統(tǒng)總體框圖
傳感器要獲取的信號(hào)并不只局限于前面敘述的那些,一個(gè)智能程度較高的斷路器除電氣、機(jī)械、絕緣各方面的劣化或 變異需自行監(jiān)測(cè)外,諸如氣體密封狀態(tài)、真空滅弧室的真空度、液壓機(jī)構(gòu)的液壓、組合電器中避雷器的特性劣化等也應(yīng) 有相應(yīng)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(yīng)用,它是將智能化技術(shù)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(kāi)斷任務(wù)和提高開(kāi)斷的可靠性,提高斷路器的綜合技術(shù)性能,無(wú)論是生產(chǎn)運(yùn)行還是對(duì)研究制造都具有十分重要 的作用和價(jià)值。目前認(rèn)為,它至少應(yīng)包括以下兩方面:
一是要求斷路器的操作性能可根據(jù)電網(wǎng)中發(fā)出的不同工況自動(dòng)選擇和調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)或者滅弧室合理的預(yù)定工作條件。 例如:對(duì)于自能式斷路器的分?jǐn)嗖僮?,小?fù)載時(shí)觸頭以較低的速度分?jǐn)?,既可保證所需的滅弧能量又可減少機(jī)械損耗, 而在接到短路信號(hào)時(shí)則以全速分?jǐn)?,獲得電氣和機(jī)械性能上的最佳開(kāi)斷效果。目前,此類專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已在進(jìn)行,變 速操作打破了傳統(tǒng)斷路器單一分閘特性的概念,實(shí)際上是上述執(zhí)行功能的智能化,是對(duì)高電壓等級(jí)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的改 造十分有益的嘗試。
再是要求斷路器在零電壓下關(guān)合,在零電流下分?jǐn)?,這與斷路器的同步分?jǐn)嗯c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(tái)低成本的小容量開(kāi)關(guān)可分?jǐn)?10 倍以上容量的電流;選相合閘可以避免系統(tǒng)的不 穩(wěn)定,克服容性負(fù)載的合閘涌流與過(guò)電壓。在電力電子領(lǐng)域,近年來(lái)流行一種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),使半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件在零電壓 下關(guān)合,在零電流下分?jǐn)啵梢哉J(rèn)為,電子操動(dòng)正是實(shí)現(xiàn)斷路器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵。目前比較迫切的應(yīng)用是在:
并聯(lián)電抗器操作、電容器組操作、變壓器操作、輸電線路操作。
每一種應(yīng)用對(duì)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(guò)壓?jiǎn)栴}。這對(duì)推廣無(wú)功補(bǔ)償、穩(wěn)定電力系統(tǒng) 意義極大。應(yīng)用真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)和一般電磁機(jī)構(gòu)真空開(kāi)關(guān)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種選相合閘的并聯(lián)電容器組的投切,進(jìn)一步的工作 將用有永磁機(jī)構(gòu)的智能化斷路器直接實(shí)現(xiàn)選相合閘。
永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)大大提高了機(jī)構(gòu)的可控性,由原來(lái)毫秒級(jí)的機(jī)構(gòu)控制時(shí)間分散性進(jìn)步到微秒級(jí)的電信號(hào)控制,由機(jī)械儲(chǔ) 能、機(jī)械脫扣進(jìn)步到電儲(chǔ)能、電信號(hào)直接觸發(fā)動(dòng)作(電子脫扣) 。真空斷路器新的操動(dòng)理論應(yīng)包括兩部分: 控制精度分析 與可靠性設(shè)計(jì),高可靠性控制電路的設(shè)計(jì)以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析與優(yōu)化。
斷路器的同步分?jǐn)嗯c選相合閘的實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)代傳感器技術(shù)使交流零點(diǎn)信號(hào)的拾取變得非??煽亢头奖?。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(diǎn)(對(duì)應(yīng)正弦信號(hào)的峰值)信號(hào)。剩下的問(wèn)題是控制信號(hào)在電壓或電流零點(diǎn)以前或它們的變化率零點(diǎn)以后什么時(shí)刻發(fā) 出。
目前同步斷路器的發(fā)展還需進(jìn)一步的可靠性論證和設(shè)計(jì),它的連帶意義是斷路器的完全可控,其發(fā)展可能成為最典型 的新概念開(kāi)關(guān)電器。
20 世紀(jì) 90 年代 ABB 公司推出了 CAT(即具有人工智能技術(shù)的斷路器,Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology):CAT 是專為 ELF 型 SF6 斷路器(敝開(kāi)式)和 ELK 型封閉式組合電器(GIS)而開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)的,見(jiàn)圖 5。
圖 5 CAT 接線示意圖
CAT 為一模塊式電子,它由三個(gè)獨(dú)立的分相模塊所組成,可使斷路 器在最佳投切時(shí)刻進(jìn)行每相的獨(dú)立操作。其效果為:減輕投切時(shí)的瞬 時(shí)過(guò)電壓;減輕電流對(duì)設(shè)備的應(yīng)力。
對(duì)常常要使用分合閘電阻的高壓斷路器來(lái)說(shuō),CAT 是一種可供選擇 的可靠技術(shù)替代方案。CAT 安裝在斷路器的控制回路中,具有處理來(lái) 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(shí)刻發(fā) 出斷路器操作脈沖。例如:視電網(wǎng)參數(shù)不同而異,CAT 能有效地將電 容器組投入時(shí)的沖擊電流減低到其原有值的 30%。對(duì)于有并聯(lián)補(bǔ)償線路的自動(dòng)重合閘,即使對(duì)長(zhǎng)線路而言,操作過(guò)電壓 值也能保持在 2 倍(標(biāo)么值)以下,在切除并聯(lián)電抗器的情況下,CAT 能消除在斷路器內(nèi)有害的電弧重燃,因而防止了 電抗器絕緣的劣化。
可以看出,CAT 在一起程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器的受控操作,具有智能操作的一些特點(diǎn)。
實(shí)際上,國(guó)外十幾年前已開(kāi)始相當(dāng)普遍地實(shí)際應(yīng)用相位控制高壓斷路器技術(shù),下表簡(jiǎn)要說(shuō)明相位控制高壓斷路器的作 用。
4、智能型高壓電器有關(guān)問(wèn)題的探討
斷路器智能技術(shù)不僅是概念上的轉(zhuǎn)變和理論上的發(fā)展,而且是在眾多領(lǐng)域中技術(shù)上的突破,它的實(shí)現(xiàn)必然會(huì)應(yīng)用一些 新技術(shù)、新材料、新工藝,不斷提高產(chǎn)品的檔次和技術(shù)含量,但是在這個(gè)過(guò)程中,核心的問(wèn)題是信息的采樣傳輸與控制 系統(tǒng),這些領(lǐng)域中,有的技術(shù)相對(duì) 成熟,有的尚處于開(kāi)發(fā)研制與試運(yùn) 行階段,需要一個(gè)不斷總結(jié)提高和 完善的階段,具體有下列面:
4.1 關(guān)鍵技術(shù)
(1)傳感技術(shù)。局部放電、高壓 導(dǎo)體測(cè)溫、高壓側(cè)電流和電壓的測(cè) 量技術(shù),特別是目前正在開(kāi)發(fā)研制 的光電流、電壓傳感技術(shù)等難度較 大的傳感技術(shù);
(2)微機(jī)技術(shù)。開(kāi)發(fā)出成功的智 能化軟件是微機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵。而軟 件系統(tǒng)中,主程序則是核心程序。
主程序首先完成單片機(jī)和外圍接 口芯片的初始化; 之后, 主程序不斷 檢測(cè)并顯示斷路器的工作狀態(tài),隨 時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)上位機(jī)的要求與之通信, 傳遞有關(guān)的控制和狀態(tài)信息。
(3)抗電磁干擾技術(shù)
研究表明,系統(tǒng)中常態(tài)噪聲是工 頻 50Hz 及其高次諧波, 一次回路中 發(fā)生的任何形式的暫態(tài)過(guò)程(如各 種過(guò)電壓和各種短路故障)以及載 波通訊信號(hào),都會(huì)通過(guò)不同的途徑 耦合到二次系統(tǒng)。此外,高電場(chǎng)引 起的電暈及污閃也要產(chǎn)生電磁輻射,二次控制回路的開(kāi)關(guān)電源由于其浪涌噪聲也會(huì)對(duì)電量傳輸帶來(lái)擾動(dòng)。大功率電磁鐵 動(dòng)作時(shí)引起空間磁場(chǎng)的變化,還會(huì)在附近的導(dǎo)電回路中感應(yīng)出電流,對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的控制電路帶來(lái)考驗(yàn)。解決電磁兼容 問(wèn)題就要針對(duì)各干擾源,嚴(yán)格屏蔽、隔離與接地措施,信號(hào)的數(shù)字化傳輸可以大大緩解干擾的影響程度,引入光電轉(zhuǎn)換 不但可以進(jìn)行電氣隔離,還可以保證信號(hào)傳輸過(guò)程不受電磁場(chǎng)的干擾。
由于智能化斷路器的信號(hào)傳輸與控制系統(tǒng)的工作電壓和信號(hào)傳遞電平低,耐壓水平低,外界電磁場(chǎng)干擾很容易使其失 效或損壞,而這種情況對(duì)于傳統(tǒng)電器調(diào)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)信號(hào)處理技術(shù)。對(duì)有些技術(shù)來(lái)說(shuō),獲得監(jiān)測(cè)信號(hào)只是第一步,必須進(jìn)行故障診斷才能作出判斷、決策。如局部放 電監(jiān)測(cè)所得復(fù)雜信號(hào)需要進(jìn)行故障診斷才能實(shí)現(xiàn)故障分類、故障定位、預(yù)期壽命估計(jì)等;用機(jī)械振動(dòng)法監(jiān)測(cè)斷路器機(jī)械 狀態(tài)也需對(duì)獲取信號(hào)作處理才能正確辨識(shí);目前對(duì)于斷路器電弧狀態(tài)的研究,也是從電弧電壓入手,通過(guò)軟件的處理實(shí) 現(xiàn)對(duì)電弧狀態(tài)的診斷。
4.2 壽命問(wèn)題
一般來(lái)說(shuō),電子設(shè)備的使用壽命遠(yuǎn)低于高壓電器設(shè)備本身的壽命,這是一個(gè)矛盾。解決的辦法有: 提高電子設(shè)備的可靠性,這可以從設(shè)計(jì)、制造及適當(dāng)改善運(yùn)行條件幾方面著手;
應(yīng)有自檢功能;
采用綜合判斷;
對(duì)于相同功能的部件,采用模塊化設(shè)計(jì),以降低成本增加備用量,達(dá)到總體上提高電子設(shè)備的可靠性。
4.3 經(jīng)濟(jì)問(wèn)題
當(dāng)前在計(jì)算機(jī)等設(shè)備不斷降價(jià)的情況下,監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格也不斷降低。這種趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)下去。但無(wú)論如何,仍要相當(dāng) 經(jīng)費(fèi)。如日本三菱公司在’97 國(guó)際電力設(shè)備及技術(shù)展覽會(huì)上顯示的 GIS 監(jiān)測(cè)設(shè)備包括局部放電等約 10 項(xiàng)內(nèi)容的裝置,價(jià) 格不超過(guò) GIS 本身的 1/10。這比幾年前聽(tīng)到的 1/3 要便宜不少。如采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備還會(huì)便宜得多。
國(guó)外也十分關(guān)心監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,并作出了不少經(jīng)濟(jì)分析。如有用下列公式作為采用監(jiān)測(cè)設(shè)備的條件: C
式中:C——檢測(cè)裝置每年平均投資
B——采用監(jiān)測(cè)裝置后,因減少維修次數(shù)而每年平均節(jié)約的維修經(jīng)費(fèi) D——采用監(jiān)測(cè)裝置后,因減少一次事故而每個(gè)平均節(jié)約的維修費(fèi) E——年事故率
在不考慮 D?E 一項(xiàng)時(shí),監(jiān)測(cè)設(shè)備的合理投資為高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備投資 1%-2.7%,后者指頻繁操作的高壓開(kāi)關(guān)。以上當(dāng)然未 考慮因出現(xiàn)事故所造成的各種間接經(jīng)濟(jì)損失。非經(jīng)濟(jì)損失更難于計(jì)算。
美國(guó)紐約電管局和加拿大魁北克水電局自 1993 年裝置 MONITEC 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)到 1996 年因監(jiān)測(cè)出包括機(jī)構(gòu)卡滯、動(dòng)作不 到位和軸銷斷裂等 5 次重大事故征兆,保證了供電可靠性,估計(jì)節(jié)約經(jīng)費(fèi)超過(guò) 100 萬(wàn)美元,降低了成本,提高了市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)力。
目前,對(duì)高壓斷路器智能化經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的考慮,總是偏重對(duì)智能化需要而購(gòu)置的設(shè)備的價(jià)格;其次,再包括減少維修次 數(shù)節(jié)約的經(jīng)費(fèi)和減少一次事故所節(jié)約的費(fèi)用。按理說(shuō),這是很不夠的。比如,由于實(shí)現(xiàn)了斷路器的受控操作,斷路器的 開(kāi)斷容量可以減少,是否能選擇開(kāi)斷容量小一些的斷路器?操作過(guò)電壓的倍數(shù)下降了,設(shè)備的絕緣水平能否下降?再者, 由于智能化斷路器科技含量高、技術(shù)先進(jìn)、可靠性高而受到用戶的青睞,在競(jìng)爭(zhēng)中中標(biāo)而獲利,這些潛在的經(jīng)濟(jì)效益能 不能考慮。總的來(lái)看,無(wú)論是研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、制造廠商還是使用單位,把目標(biāo)瞄準(zhǔn)智能化斷路器不失為明智之舉。
5、智能化斷路器的現(xiàn)狀
近年來(lái)已有很多智能化斷路器面市,高壓領(lǐng)域典型的有東芝公司的 C-GIS 和 ABB 公司的 EXK 型智能化 GIS,它們的 特點(diǎn)都是采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和微計(jì)算機(jī)處理技術(shù), 使整個(gè)組合電器的在線監(jiān)測(cè)與二次系統(tǒng)在一個(gè)計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)上。 在中壓領(lǐng)域較典型的有九十年代初的富士公司的智能式真空斷路器及 ABB 公司近年來(lái)推出的 VM1 型真空斷路器。前者 包括三種功能: 自動(dòng)保護(hù)功能、 早期維護(hù)功能和信息傳遞功能。 其中保護(hù)功能指標(biāo)斷路器本體可對(duì)過(guò)電流和短路故障進(jìn)行 檢測(cè)與判斷并發(fā)出指令, 使斷路器可靠分閘; 早期維護(hù)功能指斷路器在真空度降低、 電接觸部位溫升異常以及脫扣線圈斷 線時(shí)均能發(fā)出報(bào)警, 提示操作人員把斷路器退出運(yùn)行進(jìn)行維修; 信息傳遞功能則指除正常外加入的控制信號(hào)外斷路器狀態(tài) 的信號(hào)輸出。
VM1 型真空開(kāi)關(guān)是 ABB 公司的最新產(chǎn)品,除了新穎的一體化絕緣結(jié)構(gòu),最顯著的特色是采用了除永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)外, 就是它的二次控制無(wú)觸點(diǎn)化和采用新型傳感器。開(kāi)關(guān)的位置傳感器和輔助接點(diǎn)均為無(wú)觸點(diǎn)的臨近開(kāi)關(guān)或光開(kāi)關(guān),新型號(hào) 電量傳感器信號(hào)可以直接變換成數(shù)字信號(hào),取代了傳統(tǒng)的電磁式電壓和電流互感器。
當(dāng)前,世界上先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家都看好在電力系統(tǒng)中高壓領(lǐng)域智能化高壓電器的發(fā)展前景和潛在的效益,加大了研究的 投入和開(kāi)發(fā)的力度,比較典型的有 ABB 公司推出的 CAT,具有人工智能技術(shù)的斷路器,如前面所討論的,在一定程度上 實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器的受控操作; ABB 公司推出的光電式電流傳感器和電壓傳感器在高壓領(lǐng)域中替代了傳統(tǒng)的電磁式電流互 感器和電壓互感器,解決了智能化高壓電器設(shè)備中傳感技術(shù)的難題。目前,已經(jīng)大量應(yīng)用的信號(hào)數(shù)字化傳輸技術(shù)大大緩 解了信號(hào)傳播中干擾的影響程度等,這些高新技術(shù)的應(yīng)用都為智能化斷路器技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。
斷路器智能化是一項(xiàng)更新?lián)Q代的工作,它涉及到很多領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展,如傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī) 技術(shù)、信息技術(shù)以及斷路器本身及操動(dòng)機(jī)構(gòu)等方面,需要更多的投入和開(kāi)發(fā)。但是,可以展望,隨著智能化進(jìn)程上的難 題一個(gè)一個(gè)地被破解,性能優(yōu)越的智能化斷路器終將會(huì)在不久的將來(lái)登堂入室,為人們所熟悉和喜愛(ài)。