| 智能化斷路器的發(fā)展前景 |
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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 斷路器智能化工作框圖
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。
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�、�?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(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(lái)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(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(shuō)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(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;
圖2 電力設(shè)備故障診斷的分層結(jié)構(gòu)
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。
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，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(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)。
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| 出處：徐州供電公司 作者：方可行 |
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