隨著電力系統(tǒng)越來越高的可靠性及自動(dòng)化要求，無論是發(fā)電、輸電、配電還是用電，都提出了監(jiān)測、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。

　　 一般來說，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)具有對獲取信息的處理能力;

　　3、應(yīng)具有對處理結(jié)果的思維判斷能力，對處理結(jié)果的再生信息的實(shí)施及有效操作的實(shí)施功能。

　　圖1斷路器智能化工作框圖

　　圖1概要說明了一種兼有計(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)出的信號能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測，確定趨勢走向以及檢測極限值，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。

　　如果需要，還可在基本系統(tǒng)中增加傳感器。根據(jù)對周圍溫度的測試結(jié)果，對狀態(tài)變化(以及反映出的趨勢信息)作出更準(zhǔn)確的評估。對于沒有串行接口至更高一級層面的系統(tǒng)，進(jìn)行時(shí)間記錄十分有助于對變化趨勢的預(yù)測。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(tǒng)中采集某些特定信息，據(jù)此來判別斷路器當(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)識別斷路器的工作狀態(tài)

　　斷路器的工作狀態(tài)的準(zhǔn)確識別是實(shí)現(xiàn)智能操作的前提。對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別斷路器工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定與之相對應(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)是對斷路器的工作狀態(tài)不斷地進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)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(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(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來。

　　2對斷路器工作狀態(tài)的監(jiān)測與診斷

　　 監(jiān)測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)測與診斷動(dòng)作次數(shù):記錄合分次數(shù)，逾限報(bào)警;開斷電流加權(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)間的長短。而燃弧時(shí)間，對實(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斷電流上，研制累計(jì)開斷電流記錄儀。但是，累計(jì)開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(shí)小得多，因此，正確的方法應(yīng)該是據(jù)每次開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)斷路器的額定開斷電流和額定開斷次數(shù)來確定，而不同開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。

　　對于真空斷路器來講，滅弧室除了電壽命外，還有真空度的監(jiān)測。大量的研究和實(shí)踐證明，12kV真空斷路器目前型式試驗(yàn)的短路開斷次數(shù)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(chǎn)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(shí)際運(yùn)行中，短路開斷的次數(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，對真空斷路器來講，滅弧室真空度的監(jiān)測是很重要的。2.2斷路器機(jī)械故障的監(jiān)測與診斷

　　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，非正常報(bào)警;

　　(2)合分線圈回路斷路監(jiān)測，斷路報(bào)警;

　　(3)監(jiān)測行程，過限報(bào)警;

　　(4)監(jiān)測合分速度，過限報(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。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，看起來雜亂無章的波形實(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，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程機(jī)械部分的多個(gè)信息。對波形分析的方法很多，如小波分析、形狀比較、統(tǒng)計(jì)過程處理等等。測量所用的加速度傳感器應(yīng)據(jù)所監(jiān)測的目標(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。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。這對因輔助開關(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)測信號是否正常的一個(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

　　氣體斷路器氣體壓力，越限報(bào)警，閉鎖;

　　圖2電力設(shè)備故障診斷的分層結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測局部放電，用以預(yù)報(bào)絕緣事故，智能技術(shù)是把對信息的獲取和加工推理，從代數(shù)的簡單數(shù)值計(jì)算，發(fā)展為模擬人腦對不確定性的辨別、思考、預(yù)測、優(yōu)化和決策。將智能技術(shù)引入到基于在線監(jiān)測數(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。

　　研究表明，由于在線監(jiān)測具有數(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)境對測量數(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，采用了相對比較法的時(shí)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(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)測數(shù)據(jù)，以及對故障種類的模式、嚴(yán)重程度的在線數(shù)據(jù)特征進(jìn)行深入的研究，專家知識的積累和診斷方法的完善也將是一個(gè)長期的過程。2.4載流導(dǎo)體及接觸部位溫度的監(jiān)測

　　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，故需要對這些部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測。

　　這通常是利用紅外光的幅射強(qiáng)度或?qū)⒏袦卦�件裝在導(dǎo)體上，轉(zhuǎn)換成信號傳到低電位再還原成溫度信號，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(dǎo)體上就能從發(fā)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。

　　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，F(xiàn)abry-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)制的輸出信號是用光學(xué)干涉測量方法測量的。

　　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)測方面有廣闊的市場。2.5監(jiān)測診斷系統(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)測與診斷系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(gè)，每增一個(gè)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(jì)算機(jī)決策有時(shí)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(jì)算機(jī)只對那些確認(rèn)無疑的越限值給出告警信號。

　　圖4診斷系統(tǒng)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(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斷任務(wù)和提高開斷的可靠性，提高斷路器的綜合技術(shù)性能，無論是生產(chǎn)運(yùn)行還是對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:對于自能式斷路器的分?jǐn)嗖僮鳎�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，而在接到短路信號時(shí)則以全速分?jǐn)�，獲得電氣和機(jī)械性能上的最佳開斷效果。目前，此類專家系統(tǒng)的開發(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，是對高電壓等級斷路器操動(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?jǐn)嗫梢源蟠筇岣邤嗦菲鞯姆治瞿芰�，一臺低成本的小容量開關(guān)可分?jǐn)?0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)載的合閘涌流與過電壓。在電力電子領(lǐng)域，近年來流行一種軟開關(guān)技術(shù)，使半導(dǎo)體開關(guān)器件在零電壓下關(guān)合，在零電流下分?jǐn)啵�可以認(rèn)為:電子操動(dòng)正是實(shí)現(xiàn)斷路器的軟開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵。目前比較迫切的應(yīng)用是在:

　　(1)并聯(lián)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(yīng)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(bǔ)償、穩(wěn)定電力系統(tǒng)意義極大。應(yīng)用真空觸發(fā)開關(guān)和一般電磁機(jī)構(gòu)真空開關(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，由原來毫秒級的機(jī)構(gòu)控制時(shí)間分散性進(jìn)步到微秒級的電信號控制，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)(對應(yīng)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(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(敝開式)和ELK型封閉式組合電器(GIS)而開發(fā)和試驗(yàn)的，見圖5。

　　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)過電壓;減輕電流對設(shè)備的應(yīng)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(shù)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(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%。對于有并聯(lián)補(bǔ)償線路的自動(dòng)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(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。

　　圖5 CAT接線示意圖

　　可以看出，CAT在一起程度上實(shí)現(xiàn)了對斷路器的受控操作，具有智能操作的一些特點(diǎn)。

　　實(shí)際上，國外十幾年前已開始相當(dāng)普遍地實(shí)際應(yīng)用相位控制高壓斷路器技術(shù)，下表簡要說明相位控制高壓斷路器的作用。

　　工況適用目的動(dòng)作準(zhǔn)確度*最佳開合時(shí)刻優(yōu)點(diǎn)空載變壓器投入關(guān)合涌流抑制電壓變動(dòng)抑制±2ms中性點(diǎn)接地:各相電壓峰值中性點(diǎn)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(dòng)，提高電壓穩(wěn)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(diǎn)接地: 各斷口間電壓為零中性點(diǎn)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(lián)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(wěn)定性提高快速自動(dòng)重合閘過電壓抑制 同電容器投入 電抗器開斷防止復(fù)燃燃弧時(shí)間: 0.5周波以下 降低設(shè)備絕緣水平電容器開斷防止復(fù)燃及重?fù)舸┤蓟�時(shí)間: 0.5周波以下 降低成本設(shè)備絕緣水平*±30以內(nèi)

　　4智能型高壓電器有關(guān)問題的探討

　　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)過程中，核心的問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)相對成熟，有的尚處于開發(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，具體有下列方面: 4.1關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1.1傳感技術(shù)。局部放電、高壓導(dǎo)體測溫、高壓側(cè)電流和電壓的測量技術(shù)，特別是目前正在開發(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);

　　4.1.2微機(jī)技術(shù)。開發(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。

　　4.1.3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)過程(如各種過電壓和各種短路故障)以及載波通訊信號，都會(huì)通過不同的途徑耦合到二次系統(tǒng)。此外，高電場引起的電暈及污閃也要產(chǎn)生電磁輻射，二次控制回路的開關(guān)電源由于其浪涌噪聲也會(huì)對電量傳輸帶來擾動(dòng)。大功率電磁鐵動(dòng)作時(shí)引起空間磁場的變化，還會(huì)在附近的導(dǎo)電回路中感應(yīng)出電流，對操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的控制電路帶來考驗(yàn)。解決電磁兼容問題就要針對各干擾源，嚴(yán)格屏蔽、隔離與接地措施，信號的數(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(tǒng)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(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。

　　4.1.4信號處理技術(shù)。對有些技術(shù)來說，獲得監(jiān)測信號只是第一步，必須進(jìn)行故障診斷才能作出判斷、決策。如局部放電監(jiān)測所得復(fù)雜信號需要進(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)測斷路器機(jī)械狀態(tài)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(tài)的研究，也是從電弧電壓入手，通過軟件的處理實(shí)現(xiàn)對電弧狀態(tài)的診斷。4.2壽命問題

　　一般來說，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:

　　4.2.1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;

　　4.2.2應(yīng)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(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)測設(shè)備價(jià)格也不斷降低。這種趨勢還會(huì)繼續(xù)下去。但無論如何，仍要相當(dāng)經(jīng)費(fèi)。如日本三菱公司在’97國際電力設(shè)備及技術(shù)展覽會(huì)上顯示的GIS監(jiān)測設(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(chǎn)設(shè)備還會(huì)便宜得多。國外也十分關(guān)心監(jiān)測技術(shù)的經(jīng)濟(jì)問題，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)測設(shè)備的條件:C式中: C——監(jiān)測裝置每年平均投資B——采用監(jiān)測裝置后，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)測設(shè)備的合理投資為高壓開關(guān)設(shè)備投資1%-2.7%，后者指頻繁操作的高壓開關(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。

　　美國紐約電管局和加拿大魁北克水電局自1993年裝置MONITEC監(jiān)測系統(tǒng)到1996年因監(jiān)測出包括機(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100萬美元，降低了成本，提高了市場競爭力。

　　目前，對高壓斷路器智能化經(jīng)濟(jì)問題的考慮，總是偏重對智能化需要而購置的設(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，這是很不夠的。比如，由于實(shí)現(xiàn)了斷路器的受控操作，斷路器的開斷容量可以減少，是否能選擇開斷容量小一些的斷路器？操作過電壓的倍數(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，在競爭中中標(biāo)而獲利，這些潛在的經(jīng)濟(jì)效益能不能考慮�？偟膩砜矗瑹o論是研究開發(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)測與二次系統(tǒng)在一個(gè)計(jì)算機(jī)控制平臺上。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)斷路器本體可對過電流和短路故障進(jìn)行檢測與判斷并發(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外斷路器狀態(tài)的信號輸出。VM1型真空開關(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觸點(diǎn)化和采用新型傳感器。開關(guān)的位置傳感器和輔助接點(diǎn)均為無觸點(diǎn)的臨近開關(guān)或光開關(guān)，新型號電量傳感器信號可以直接變換成數(shù)字信號，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)用的信號數(shù)字化傳輸技術(shù)大大緩解了信號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)在不久的將來登堂入室，為人們所熟悉和喜愛。

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