金属封闭高压开关柜的智能化技术 _知识百科

【摘　要】　叙述了中压开关柜智能化的有关技术：一是智能化测控保护装置，它的核心器件是微处理机，充分利用数字技术和软件技术，在相同的硬件环境下，可实现基本保护功能、控制功能、测量电量功能及通讯功能；二是在线监测技术，可以对柜内母线联结处及断路器的机械特性进行在线监视；三是对开关柜内部的故障电弧及防护装置作了专门介绍，它使用在重要场合的金属封闭高压开关柜中。【关键词】　中压开关柜　智能化　测控保护　在线监测　按状态维护　机械故障　异常温升　故障电弧　防护装置。 1　概述配、变电网的自动化是今后发展方向。为了对配、变电网进行运行监控和管理、运行计划模拟和优化、运行分析和管理、用户负荷监控和故障报警，配、变电网主站需要获取现场一次设备（成套中压开关设备、断路器及变压器等）信息，同时也需要一次设备不但能执行远地主站命令，而且也能就地完成合、分闸等命令，因此要求中压开关柜（即一次系统）提高智能化程度。另外，计算机技术及电磁兼容性（EMC）水平提高（即能抗强电磁干扰），信息传感技术、微电子技术、通信及数据处理技术的普遍应用和发展，也促进了成套中压开关设备智能化进程。智能化中压开关设备主要由硬件与软件组成：（1）可控操作的高可靠开关设备；（2）测控保护装置具有保护、测量、监视、控制及通信等功能；（3）在线检测装置可对SF6断路器、油断路器、其它电器设备及环境等进行实时监测；（4）先进的传感器可实现各种信号可靠转换；（5）中压开关柜的结构紧凑、小型化。 2　智能化测控保护装置 2．1　智能化测控保护装置的功能智能化测控装置的核心器件是微处理机，装置充分利用数字技术和软件技术，将保护、监视、控制、测量与通信集于一身，在相同的硬件环境下，可实现多种功能。（１）基本保护功能：　有方向或无方向的过流和接地故障保护；低周减载保护；自动重合闸功能（后加速）；零序电压、过电压和低电压保护；断路器失灵保护；电流速断、限时速断及反时限过流保护。（２）控制功能：　保护跳闸、合闸，远方、就地控制，各种信号控制及控制对象的显示等。（３）测量电量功能：　可测量相电流、相间和相对地电压、零序电压和电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数和电能等。（４）通信功能：　可完成与ＰＣ机就地通信或通过变电站通信系统与远方通信，装置一般可支持modbus协议和标准通信规约ＩＥＣ８７０—５—101（１０３）、DNP3.0、TCP/IP等；串行标准接口ＲＳ２３２、ＲＳ４８５，工业现场总线CANBUS、Lonworks等，以太网接口；支持多种通信介质如双绞线、光纤及无线等。（５）监视功能：　断路器状态监视、跳、合闸回路监视和本机运行自检。故障记录和录波功能：可记录故障类型、发生时间及故障量最大/最小值，也可对故障波形进行记录。 2．2　智能化测控保护装置构成的二次接线一台具有计量、控制、保护及通信等全部功能的智能化测控保护装置安装于开关柜上时，二次接线工作十分简洁，智能化测控保护装置与外部单元接线见图1 。用户仅需将电压、电流信号，断路器状态位置信号和出口控制信号等与开关柜内相应一次元件的端子相连即可。智能化测控保护装置通过采集电压、电流信号，断路器状态信号及其它输入的开关量信号，接地故障状态，独立完成数据处理，实现保护、控制及显示故障纪录功能，同时通过通信接口完成信息上传。因此与传统二次技术相比，智能化测控保护装置不但功能更多、精度更高，而且二次接线更简洁。 3　在线监测装置 3．1　按状态维护技术由于高压电器设备在电网中的重要性，一旦发生事故，将引起局部或较大地区的停电，会造成巨大的经济损失和社会影响，因此这些设备运行一段时间后或运行中，必须进行必要的检查和维护。迄今为止，电力部门一直采用传统的维护方式：即定期维护技术，所谓定期维护是经过规定的一段时间（比如5年），对设备进行规定项目维护，这些项目是设备检查、更换零部件、解体检查等。应该说：这种定期维护技术对减少和防止设备的故障发生起到了良好的作用，但是这种定期维护方式存在不少缺陷，例如在设备解体检查时，需要对断路器及电器设备的一部分进行解体，不但作业时需要停电，而且视其项目还需要可观费用，另外停电后设备状态（如温度、作用电压等）和设备运行中的状态不一致，会影响一些数据判定。由于定期维护技术存在许多缺点，另一方面随着科学技术发展，电子技术、光传感技术、计算机技术、信号处理技术的发展，使传统的定期维护技术向预见性维护方式，即按状态维护方式过渡。与传统定期维护技术相比，按状态维护技术具有如下优点：（1）按状态维护技术的基本点是对设备在运行状态下实时监测及判断，因此可避免定维护所造成的浪费及其它缺点；（2）按状态维护技术是以信息技术为基础，采用自动管理技术来达到合理延长设备使用寿命，因此可降低设备运行的总费用。图2 是加拿大Winnipeg Manitoba附近的Dorsey 试验站中高压SF6断路器的在线检测系统。在试验断路器上安装了各种类型的传感器，实现了电能、机械、SF6气体在线监测，且已得出了许多有价值的结果。 3．2　在线监测项目（1）断路器机械、电器性能监测。如合、分闸线圈电流、操动机构特性、触头行程和速度、振动信号监测。（2）中压开关柜内母线联结处温升检测。 3．3　断路器机械故障的监测3．3．1　断路器合、分闸线圈电流的监测如果高压断路器的操作机构是电磁操动机构，其合、分闸线圈一般由直流电源供电，见图3 。经验表明：合、分闸线圈的电流可以作为诊断机械故障的信息，合、分闸线圈的电流讯号可由补偿式霍尔电流传感器给出，给出的合、分闸线圈的电流讯号也示於图3 。图中是起始时刻，是合、分过程计时起点， t1为线圈中电流、磁通上升到足于驱动铁心运动，即铁心开始移动的时刻；t2为铁心已触动（开始）操作机构负载，这也是开关触头开始运动的时刻；t3为开关辅助接点切断电源，即电磁线圈回路断开的时刻。利用比较电流波形的变化或差异可以诊断出操作机构的故障程度。 3．3．2　行程、速度的监测断路器触头刚分速度对灭弧性能影响很大，适当提高刚分速度对减少电弧能量、减少零部件的烧损有很大作用，但过分增大刚分速度不一定能提高灭弧性能，反而会加重操动机构的负担；同样断路器触头合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此，对断路器触头的行程、速度特性的测量及在线监测是很重要的。为了完成正确测量，必须选取合适的位移传感器。可以选择旋转光编码传感器。利用增量式旋转光编码传感器可以完成转动角度及方向的测量，一般把旋转光编码传感器安装在断路器操动机构的转轴上，这种传感器的结构原理示于图4 。增量式旋转光编码一般有3个码道（A道， B道， Z道）， A道与B道相差90° ，每周的码条数可以根据测量分辨率选取， Z道每周一条，用来确定旋转次数。当轴转动时，编码器输出A道、B道两路相差90°角的正交脉冲，输入信号处理电路，从A道、B道两信号的相对位置可确定转轴的转动方向，如果A道先于B道，为正旋转，而B道先于A道，为反旋转。再通过加、减计数器对A道、B道两路信号计数，能得到转动角度大小及方向，从而可以测出断路器运动部分运动及反弹情况，可以计算出动触头行程；分合闸同期性；平均速度；超行程；刚分后或刚合前10ms内速度（主要是平均速度，最大速度）等。 3．4　中压开关柜母线联结处温升在线检测3．4．1　母线联结处异常温升的原因温度是一个基本的物理量，许多设备的故障是由异常温升而造成。在正常运行时，高压电器导电回路长期通过工作电流产生的能量转变为热能，使电器材料温度升高，一般不会超出规定范围；但导电回路一旦发生接触不可靠时，会使电器材料温度升高超出规定范围，而使电器材料的机械强度、物理性能等下降，因此在国家标准《GB 3906-91 3~35kV高级金属封闭开关设备》、《GB/T 11022-1999 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中均规定了不同电器材料允许的长期工作温度。两母线联结处有一个接触电阻，当电流流过时，由于接触电阻的存在，要引起该处发热，如果该处的温度超过规定值，则会加该接触处氧化，氧化结果又会导致接触电阻上升，这样又促使发热加大，温度增加，而造成故障，因此国家标准“GB 3906-91”、“GB/T 11022-1999”规定了对额定电压3kV及以上、频率50Hz长期工作的电器，如断路器、隔离开关、封闭式组合电器、金属封闭开关设备、负荷开关等产品，必须进行温升试验，以保证设备长期通过额定工作电流下，电气联接部位的温度不超过标准允许的数值。 3．4.2　用石英温度传感器埋入母线温升部位温升实时监测石英温度传感器是天然石英晶体经过特定方向的切割后，可发现振荡频率与温度有一定关系，采取特殊的切割可以加强这一变化，因此可利用f— T特性进行测温。石英晶体有X、Y、Z三个结晶轴，如切片平面用X、Y描写，则X轴Z轴的夹角为Φ ， Y轴X轴的夹角为φ ，则得到：f1=f01+A(t-t0)+B(t-t0)2+C(t-t0)3式中A、B、C分别为与切割角度有关的常数，与Φ ， φ有关。 f0是在t0温度下的振荡频率。如果满足Φ＝9.4° ， φ＝11.6° ，则在-80~250℃ 范围内： A＝35×10-6/度， B＝C＝0 。所以上式变为： f1=f01+A(t-t0) ， f1与t成正比。设t0＝0°c时， f0=28.2MHz ，代入A值，得到频率灵敏度为987.3Hz/℃,即温度变化1℃ ，频率变化近1000Hz ，分辨率为0.001℃ ，石英晶体温度传感器在-80~250℃范围内的基本误差在±（0.04~0.075） ℃ ，稳定性约±0.007°C/每月，故具有相当优越的精度和稳定比，由于所测量的值是频率，很容易和计算机配合。 ABB 公司开发的母线联结处温升在线检测装置装置见图5 ，其特点如下：（1）母线通过电流时，其交变电磁场提供了温度传感器探头所需的工作电源。要求母线中通过电流40A（50Hz）时，传感探头就能正常工作，而短路故障所产生的短路电流不会损坏传感器。（2）因为在测量点处有强的电磁场，且处于高电位，所以采用红外调制发射技术。红外发光二极管把高电位处温度值（脉冲值）发送到低电位处的红外接收器上。可以把几个传感器的测量值送到同一接收器上。（3）温度传感单元是由石英晶体、辅助电源及讯号输出回路组成。可以方便地安装在母线联结处。石英晶体温度传感器特点是体积小、准确度高，耐老化性好。 1992年5月ABB提供的新型温度监视系统，在一面中压开关柜12个接点处（母线接触处）的暴露部分安装上这种尺寸极小的温度传感单元，其中三个传感单元安装在母线联结处、三个装在断路器上端的连接线处，另三个在电缆终端。在一般情况下仅使用九个传感器，因为断路器下端接线与电缆终端的距离很近。 4　故障电弧保护装置 4．1　内部故障电弧金属封闭高压开关柜内，由于某种如小动物、过电压、湿度等偶然因素，内部产生电弧，当然也有误入带电间隔、隔离开关误操作等人为原因使内部产生电弧。大约15000~20000℃温度电弧会直接加热周围的绝缘气体，热能迅速通过对流、传导方式传递，引起开关柜隔室内超压。当压力超过允许的压力极限时，灼热气体将会冲出封闭柜体的压力释放装置，灼热气体与瞬间压力波可能会伤害配电室内的工作人员（例如伤害呼吸系统）；也可能会损坏电器设备和建筑物。故障电弧的危害程度取决于电弧电流大小及切除时间。例如1985年天津变电所合闸送电时，开关柜发生弧光故障，最后烧毁开关柜8台；在2004年4月某公司配电系统中35kV铠装移开式开关柜产生弧光爆炸,造成开关柜电缆室爆炸变形、其后门、侧板、侧面加强筋炸扭曲，并且配电室木门受冲击波而打开，一扇玻璃窗炸掉。因此，对使用在重要场合的金属封闭开关柜，应进行内部故障飞弧试验及安置故障电弧保护装置，故障电弧试验规定可见GB3906 — 2005 ， IEC62271 — 200标准。 4．2　故障电弧防护装置ABB公司开发的故障电弧防护装置早已应用于AX1开关柜；德国Moeller公司早已研制出Arcon故障电弧防护装置。一般电弧防护装置由三部分组成：保护主单元；过流、弧光检测辅助单元；电弧光传感器。 4.2.1　电弧光传感器作为光感应元件，安装在开关柜母线室的几个位置，检测发生故障时突然增加的光强。 4.2.2　过流、弧光检测辅助单元弧光检测辅助单元收集来自电弧光传感器的光信息，再传送给主单元。过流检测辅助单元提供过流动作信息，它是动作判据之一，可进一步保证电弧光保护系统的动作准确性、可靠性。 4.2.3　保护主单元它是电弧光保护系统的核心，它用于管理和控制整个电弧光保护系统。它接收检测短路电流和来自电弧光传感器的信息，对收集的数据处理、判断，如果确认是电弧故障，则发出跳闸命令，使进线断路器跳闸，即切断进线电源。如进线断路器不能跳闸（拒动），则启动断路器失灵保护逻辑，发跳闸命令给上一级断路器来切断电源。此外根据过流、弧光检测辅助单元送来的信息，提供弧光故障点和报警信号。这里还有一种方法：如果确认是电弧故障，则启动快速短接开关，使它迅速合闸，将电弧故障转化成三相短路电流，而使上游断路器分闸，达到迅速熄灭电弧目的。故障电弧光保护系统框图示于图6 。 5　结束语（1）智能化成套开关设备是新一代电器产品，它溶合了计算机、信息、控制、传感器与微子技术，将每台智能化单元的通信接口与值班室计算机相连，就可构成变电站综合自动化系统，可以就地及远方实现保护，可以实现变电站广域监测和诊断。（2）计算机技术及电磁兼容性（EMC）水平提高，使智能化测控装置比传统的机电式测控产品更加可靠，多年来运行已证明了这一点。（3）按状态维护技术建立在线监测技术、信息技术的基础上，在线监测项目可按实际需要决定。（4）使用于重要场合的开关柜，应配置智能故障电弧防护装置。