智能化断路器的有关问题及现状探讨

随着电力系统越来越高的可靠性及自动化要求，无论是发电、输电、配电还是用电，都提出了监测、控制、保护等方面的自动化和智能化的要求。断路器作为电力系统中最重要的控制元件，它的自动化和智能化是电器设备智能化的基础。断路器的智能化不是通常所想的，使用计算机就达到了智能化。它必须尽可能地应用电弧自身的能量，实现运行状态的自诊断，操动机构的可控操动，并且配置最新传感器技术，微电子技术和信息传输技术，智能化的概念才比较完整。 一般来说，智能化电器设备除满足常规电器设备的原有功能外，其功能主要表现为: 1、应具有灵敏准确地获取周围大量信息的感知功能； 2、应具有对获取信息的处理能力； 3、应具有对处理结果的思维判断能力，对处理结果的再生信息的实施及有效操作的实施功能。 图1概要说明了一种兼有计算机系统和传感装置的智能化断路器工作原理。主要的传感器可探明气体密度，通过监控其运动和能量变化，反映操作机构状态。气体密度传感器发出的信号能够实现连续的状态监测，确定趋势走向以及检测极限值，并能在此基础上实现常规的SF6气体的锁定和报警功能。同样，在运动传感器和能量传感器的帮助下，操作机构的状态可实现监控。另外，这些传感器的信号可同时用于常规的位置指示和电动机控制功能上。图1 断路器智能化工作框图 如果需要，还可在基本系统中增加传感器。根据对周围温度的测试结果，对状态变化（以及反映出的趋势信息）作出更准确的评估。对于没有串行接口至更高一级层面的系统，进行时间记录十分有助于对变化趋势的预测。附加的电流电压传感器实现断路器设备功能最优化的基础。 总的来看，可以归纳智能化断路器的操作过程为: 智能控制单元不断从电力系统中采集某些特定信息，据此来判别断路器当前的工作状态，同时处于操作的准备状态。当变电站的主控室因系统故障由继电保护装置发出分闸信号或正常操作向断路器发出操作命令后，控制单元根据一定的算法求得与断路器工作状态对应的操动机构预定的最佳状态，并驱动执行机构操动机构调整至该状态，从而实现最优操作。显然，智能控制单元是断路器智能操作实现的核心部件。1、智能控制单元 智能控制单元是智能化断路器的灵魂，它是以微处理机为核心部件，综合应用传感技术、光电转换技术、数字控制技术、微电子技术和信息技术等多种现代技术，以完成断路器的智能操作，实现断路器的智能化。 智能控制单元的基本功能有： 1.1 自动识别断路器的工作状态 断路器的工作状态的准确识别是实现智能操作的前提。对于超高压断路器而言，其任务主要有分断短路电流、负载电流、过载电流、小容性电流和小电感性电流等。 1.2 自动调整断路器的操动机构 这是控制单元的核心功能。因此控制单元必须在识别断路器工作状态的基础上确定与之相对应的操动机构的调整量。 1.3 记录并显示断路器的工作状态 由于断路器在大多数运行时间内是不动作的，在此期间，本单元的任务是对断路器的工作状态不断地进行监测，同时它还记录断路器每次开断情况，包括开断电流的大小、开断类型及是否发生拒分或拒合等信息。短路时还应记录短路电流的变化过程，以便于电力部门进行事故分析及断路器的维护。同时，也可通过断路器累积开断电流的大小来表示断路器触头的烧蚀情况。 1.4 具有与远端主机进行通信的功能 控制单元可以根据主机的要求将断路器的开断记录及其他数据经信息传输接口上网传送至上位机，并通过上位机经信息传输网络将操作命令及保护参数、保护及重合闸方式等配置要求传送过来。2、对断路器工作状态的监测与诊断 监测与诊断是智能化电器设备的重要环节，很难想象，智能化电器设备一旦失去了监测与诊断的技术支持，会是个什么样子。计算机技术、传感技术与微电子技术的进步，使智能化断路器的监测与诊断的要求得以实现。它要求具有以下功能： 2.1 灭弧室电寿命的监测与诊断 动作次数: 记录合分次数，逾限报警； 开断电流加权累计，即统计ΣIα（α=1.5～2）值，逾限报警。 触头的电磨损主要取决于燃弧电流的大小及燃弧时间的长短。而燃弧时间，对实际使用中的断路器是难于获得的，且燃弧时间从统计和累计的角度可不必考虑。因此，人们常将注意力集中在开断电流上，研制累计开断电流记录仪。但是，累计开断电流与触头电器磨损之间并不是单值函数关系，同样的累计开断电流，如果单次开断的电流小，其磨损量要比单次开断电流大时小得多，因此，正确的方法应该是据每次开断电流的大小换算成相应的磨损量，而磨损总量应根据断路器的额定开断电流和额定开断次数来确定，而不同开断电流下的等效磨损量应由试验所得的经验曲线确定。 对于真空断路器来讲，灭弧室除了电寿命外，还有真空度的监测。大量的研究和实践证明，12kV真空断路器目前型式试验的短路开断次数有的已做到了50次，在开断50次以后，触头的烧损厚度仅为0.6mm左右，烧损甚微; 而真空灭弧室产品允许触头烧损厚度为3mm，说明真空断路器在开断方面的余量很大，更何况在实际运行中，短路开断的次数是不会很多的。相应之下，真空断路器灭弧室的真空度下降的机率却要高得多，从1999年的统计资料看，全国真空断路器共发生45次事故，其中因灭弧室真空度下降造成的就有9次，由此可见，对真空断路器来讲，灭弧室真空度的监测是很重要的。 2.2 断路器机械故障的监测与诊断 根据多年的大量统计资料表明，事故的70%～80%出在高压断路器的操动机构和控制回路。断路器的机械部分比较复杂，且长期不动作，比目前已经较为成熟的旋转机械的监测技术更为困难，常需要采用多种技术综合判断，主要有以下几项： （1） 合分线圈电流波形监测，非正常报警； （2） 合分线圈回路断路监测，断路报警； （3） 监测行程，过限报警； （4） 监测合分速度，过限报警； （5） 机械振动，非正常报警； （6） 液压机构打压次数、打压时间、压力； （7） 弹簧机构弹簧压缩状态，传动机构和锁扣部分的工作状态，电动机工作时间； （8） 永磁机构: 线圈状况、磁性的稳定状况和弹簧的压缩状态等； （9） 关键部分的机械振动信号。高压断路器合分动作的机械振动波形十分复杂，通常包含着多个子波，看起来杂乱无章的波形实际上是多个子波的混叠，每个子波代表一个振动事件。分析振动波形，把各子波分离出来，可以得到事件的个数及各事件发生的时间和事件的强度，可以获取断路器操作过程机械部分的多个信息。对波形分析的方法很多，如小波分析、形状比较、统计过程处理等等。测量所用的加速度传感器应据所监测的目标（电磁振动、部件振动、操作振动、微粒跳动等等）的不同而合理选择。振动传感器的安装位置也应精心布置； （10） 合、分闸线圈电流和电压波形的检测。线圈电流波形中包含着许多操作系统的信息，如线圈是否接通，铁芯是否卡涩，脱扣是否有障碍等等； （11） 合、分闸机械特性: 速度、过冲、弹跳、撞击等，这些信息也可从振动波形中有所反映； （12） 控制回路通断状态监测。这对因辅助开关不到位或接触不良造成的拒分、拒合故障有很好的监视作用； （13） 操作机构储能完成状况。 判断上述所监测信号是否正常的一个基本出发点就是将其与正常状态下的情况作比较。正常状态是在某一范围内，只有通过具体条件由试验和统计处理确定。通常是将一次操作的几个波在时域、频域、幅度上作横向比较，与前几次的操作作纵向比较以得出诊断结论。2.3 绝缘状态的监测 气体断路器气体压力，越限报警，闭锁。 监测局部放电，用以预报绝缘事故，智能技术是把对信息的获取和加工推理，从代数的简单数值计算，发展为模拟人脑对不确定性的辨别、思考、预测、优化和决策。将智能技术引入到基于在线监测数据的绝缘诊断系统，将诊断机制分为四个层次，依次为在线数据的预处理、征兆集的提取、故障类型的确定以及决策，如图2所示。图2 电力设备故障诊断的分层结构 研究表明，由于在线监测具有数据量大、影响因素复杂的特点，智能技术特别适合绝缘在线诊断。 在线数据的预处理阶段，采用有关方法剔除虚假点，并通过分析在线数据与环境因素的相关性，利用三次拟合曲线削弱环境对测量数据的影响。在征兆集的提取阶段，由于考虑到数据的动态特性和随机误差的影响，将待检数据与模型的残差作为故障的征兆之一，采用了相对比较法的时序分析法。研究证明这些方法是有效的。 对绝缘诊断的后两个层次，即故障类型和决策层方面，尚需积累更多的在线监测数据，以及对故障种类的模式、严重程度的在线数据特征进行深入的研究，专家知识的积累和诊断方法的完善也将是一个长期的过程。 2.4 载流导体及接触部位温度的监测 载流导体和母线联接处，接头处等接触部位的接触受振动力矩的作用而发生变化。导致接触电阻增加，接触部位的温度增加，故需要对这些部位的温度进行监测。 这通常是利用红外光的幅射强度或将感温元件装在导体上，转换成信号传到低电位再还原成温度信号，其难点是高电位导体上低压工作电源的获得方法，也有利用受热发声器件将异常过热信息传到低电位接受装置的。近来，有直接在低电位处将红外光照到载流导体上就能从发射方获取被测体温度的非接触方法。还有利用光微薄硅温度传感器的无源测量方法如图3所示。图3 光微薄硅温度传感器的温度探头原理图 图3是采用对温度敏感的Fabry-perot槽研制出的一种温度探头，Fabry-perot槽温度探头原理图如图3所示。装置由一薄硅片构成，在它中段的顶部和底部蚀刻出矩形槽，然后在薄硅片顶粘贴上一层玻璃，该玻璃的热膨胀系数与硅片的热膨胀系数不同。当该处温度变化时，因2种材料不同的热膨胀系数，在其内部产生内应力，内应力改变槽的深度。用光纤将多色光送入Fabry-perot槽，反射出的调制光也经光纤送出，调制的输出信号是用光学干涉测量方法测量的。 由Fabry-perot槽构成的光纤传感系统其组成元件耐腐蚀、小巧、测量灵敏度高，而且不受电磁干扰影响，在智能化高压电器的温度在线监测方面有广阔的市场。 2.5 监测诊断系统的总体框图 一个智能化的断路器设备或断路器设备的智能监测与诊断系统其总体方框图大致如图4。信号传输部分若是扁平电缆，则距离甚短，多为并行数据信号; 若距离较长多为串行信号，仅需两根电缆，且信号获取单元可有多个，每增一个仅多一地址编码。由于对异常程度及故障部位的诊断难度较大，计算机决策有时比较困难，很多装置还借助于人脑对信息作综合分析，以便作出最后决断，计算机只对那些确认无疑的越限值给出告警信号。图4 诊断系统总体框图 传感器要获取的信号并不只局限于前面叙述的那些，一个智能程度较高的断路器除电气、机械、绝缘各方面的劣化或变异需自行监测外，诸如气体密封状态、真空灭弧室的真空度、液压机构的液压、组合电器中避雷器的特性劣化等也应有相应的自检措施。3、断路器的智能操作 断路器的智能操作是智能化断路器最典型的应用，它是将智能化技术引入到断路器的电气性能中去，它使断路器能更好地完成开断任务和提高开断的可靠性，提高断路器的综合技术性能，无论是生产运行还是对研究制造都具有十分重要的作用和价值。目前认为，它至少应包括以下两方面： 一是要求断路器的操作性能可根据电网中发出的不同工况自动选择和调整操动机构或者灭弧室合理的预定工作条件。例如：对于自能式断路器的分断操作，小负载时触头以较低的速度分断，既可保证所需的灭弧能量又可减少机械损耗，而在接到短路信号时则以全速分断，获得电气和机械性能上的最佳开断效果。目前，此类专家系统的开发已在进行，变速操作打破了传统断路器单一分闸特性的概念，实际上是上述执行功能的智能化，是对高电压等级断路器操动机构的改造十分有益的尝试。 再是要求断路器在零电压下关合，在零电流下分断，这与断路器的同步分断与选相合闸的工况是完全一致的，同步分断可以大大提高断路器的分析能力，一台低成本的小容量开关可分断10倍以上容量的电流；选相合闸可以避免系统的不稳定，克服容性负载的合闸涌流与过电压。在电力电子领域，近年来流行一种软开关技术，使半导体开关器件在零电压下关合，在零电流下分断，可以认为，电子操动正是实现断路器的软开关技术的关键。目前比较迫切的应用是在：并联电抗器操作 电容器组操作 变压器操作 输电线路操作 每一种应用对断路器和控制装置的性能提出某些要求，能从根本上解决过压问题。这对推广无功补偿、稳定电力系统意义极大。应用真空触发开关和一般电磁机构真空开关已经实现了这种选相合闸的并联电容器组的投切，进一步的工作将用有永磁机构的智能化断路器直接实现选相合闸。 永磁操动机构大大提高了机构的可控性，由原来毫秒级的机构控制时间分散性进步到微秒级的电信号控制，由机械储能、机械脱扣进步到电储能、电信号直接触发动作（电子脱扣）。真空断路器新的操动理论应包括两部分: 控制精度分析与可靠性设计，高可靠性控制电路的设计以及机构运动特性分析与优化。 断路器的同步分断与选相合闸的实现 现代传感器技术使交流零点信号的拾取变得非常可靠和方便。同样，我们也可以方便地取到交流电压或电流变化率的零点（对应正弦信号的峰值）信号。剩下的问题是控制信号在电压或电流零点以前或它们的变化率零点以后什么时刻发出。 目前同步断路器的发展还需进一步的可靠性论证和设计，它的连带意义是断路器的完全可控，其发展可能成为最典型的新概念开关电器。 20世纪90年代ABB公司推出了CAT（即具有人工智能技术的断路器，Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology）:CAT是专为ELF型SF6断路器（敝开式）和ELK型封闭式组合电器（GIS）而开发和试验的，见图5。图5 CAT接线示意图 CAT为一模块式电子，它由三个独立的分相模块所组成，可使断路器在最佳投切时刻进行每相的独立操作。其效果为：减轻投切时的瞬时过电压；减轻电流对设备的应力。 对常常要使用分合闸电阻的高压断路器来说，CAT是一种可供选择的可靠技术替代方案。CAT安装在断路器的控制回路中，具有处理来自电压或电流互感器输入的信息的功能，并在最佳操作条件的时刻发出断路器操作脉冲。例如：视电网参数不同而异，CAT能有效地将电容器组投入时的冲击电流减低到其原有值的30%。对于有并联补偿线路的自动重合闸，即使对长线路而言，操作过电压值也能保持在2倍（标么值）以下，在切除并联电抗器的情况下，CAT能消除在断路器内有害的电弧重燃，因而防止了电抗器绝缘的劣化。 可以看出，CAT在一起程度上实现了对断路器的受控操作，具有智能操作的一些特点。 实际上，国外十几年前已开始相当普遍地实际应用相位控制高压断路器技术，下表简要说明相位控制高压断路器的作用。4、智能型高压电器有关问题的探讨 断路器智能技术不仅是概念上的转变和理论上的发展，而且是在众多领域中技术上的突破，它的实现必然会应用一些新技术、新材料、新工艺，不断提高产品的档次和技术含量，但是在这个过程中，核心的问题是信息的采样传输与控制系统，这些领域中，有的技术相对成熟，有的尚处于开发研制与试运行阶段，需要一个不断总结提高和完善的阶段，具体有下列面： 4.1 关键技术 （1）传感技术。局部放电、高压导体测温、高压侧电流和电压的测量技术，特别是目前正在开发研制的光电流、电压传感技术等难度较大的传感技术； （2）微机技术。开发出成功的智能化软件是微机技术的关键。而软件系统中，主程序则是核心程序。 主程序首先完成单片机和外围接口芯片的初始化; 之后，主程序不断检测并显示断路器的工作状态，随时准备应上位机的要求与之通信，传递有关的控制和状态信息。 （3）抗电磁干扰技术 研究表明，系统中常态噪声是工频50Hz及其高次谐波，一次回路中发生的任何形式的暂态过程（如各种过电压和各种短路故障）以及载波通讯信号，都会通过不同的途径耦合到二次系统。此外，高电场引起的电晕及污闪也要产生电磁辐射，二次控制回路的开关电源由于其浪涌噪声也会对电量传输带来扰动。大功率电磁铁动作时引起空间磁场的变化，还会在附近的导电回路中感应出电流，对操动机构中的控制电路带来考验。解决电磁兼容问题就要针对各干扰源，严格屏蔽、隔离与接地措施，信号的数字化传输可以大大缓解干扰的影响程度，引入光电转换不但可以进行电气隔离，还可以保证信号传输过程不受电磁场的干扰。 由于智能化断路器的信号传输与控制系统的工作电压和信号传递电平低，耐压水平低，外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏，而这种情况对于传统电器调和的影响是不大的。因此，电磁兼容是断路器智能化的新课题。 （4）信号处理技术。对有些技术来说，获得监测信号只是第一步，必须进行故障诊断才能作出判断、决策。如局部放电监测所得复杂信号需要进行故障诊断才能实现故障分类、故障定位、预期寿命估计等；用机械振动法监测断路器机械状态也需对获取信号作处理才能正确辨识；目前对于断路器电弧状态的研究，也是从电弧电压入手，通过软件的处理实现对电弧状态的诊断。 4.2 寿命问题 一般来说，电子设备的使用寿命远低于高压电器设备本身的寿命，这是一个矛盾。解决的办法有： 提高电子设备的可靠性，这可以从设计、制造及适当改善运行条件几方面着手； 应有自检功能； 采用综合判断； 对于相同功能的部件，采用模块化设计，以降低成本增加备用量，达到总体上提高电子设备的可靠性。 4.3 经济问题 当前在计算机等设备不断降价的情况下，监测设备价格也不断降低。这种趋势还会继续下去。但无论如何，仍要相当经费。如日本三菱公司在’97国际电力设备及技术展览会上显示的GIS监测设备包括局部放电等约10项内容的装置，价格不超过GIS本身的1/10。这比几年前听到的1/3要便宜不少。如采用国产设备还会便宜得多。 国外也十分关心监测技术的经济问题，并作出了不少经济分析。如有用下列公式作为采用监测设备的条件： C•E 式中：C——监测装置每年平均投资 B——采用监测装置后，因减少维修次数而每年平均节约的维修经费 D——采用监测装置后，因减少一次事故而每个平均节约的维修费 E——年事故率 在不考虑D•E一项时，监测设备的合理投资为高压开关设备投资1%-2.7%，后者指频繁操作的高压开关。以上当然未考虑因出现事故所造成的各种间接经济损失。非经济损失更难于计算。 美国纽约电管局和加拿大魁北克水电局自1993年装置MONITEC监测系统到1996年因监测出包括机构卡滞、动作不到位和轴销断裂等5次重大事故征兆，保证了供电可靠性，估计节约经费超过100万美元，降低了成本，提高了市场竞争力。 目前，对高压断路器智能化经济问题的考虑，总是偏重对智能化需要而购置的设备的价格；其次，再包括减少维修次数节约的经费和减少一次事故所节约的费用。按理说，这是很不够的。比如，由于实现了断路器的受控操作，断路器的开断容量可以减少，是否能选择开断容量小一些的断路器？操作过电压的倍数下降了，设备的绝缘水平能否下降？再者，由于智能化断路器科技含量高、技术先进、可靠性高而受到用户的青睐，在竞争中中标而获利，这些潜在的经济效益能不能考虑。总的来看，无论是研究开发机构、制造厂商还是使用单位，把目标瞄准智能化断路器不失为明智之举。 5、智能化断路器的现状 近年来已有很多智能化断路器面市，高压领域典型的有东芝公司的C-GIS和ABB公司的EXK型智能化GIS，它们的特点都是采用先进的传感器技术和微计算机处理技术，使整个组合电器的在线监测与二次系统在一个计算机控制平台上。在中压领域较典型的有九十年代初的富士公司的智能式真空断路器及ABB公司近年来推出的VM1型真空断路器。前者包括三种功能: 自动保护功能、早期维护功能和信息传递功能。其中保护功能指标断路器本体可对过电流和短路故障进行检测与判断并发出指令，使断路器可靠分闸; 早期维护功能指断路器在真空度降低、电接触部位温升异常以及脱扣线圈断线时均能发出报警，提示操作人员把断路器退出运行进行维修; 信息传递功能则指除正常外加入的控制信号外断路器状态的信号输出。 VM1型真空开关是ABB公司的最新产品，除了新颖的一体化绝缘结构，最显著的特色是采用了除永磁操动机构外，就是它的二次控制无触点化和采用新型传感器。开关的位置传感器和辅助接点均为无触点的临近开关或光开关，新型号电量传感器信号可以直接变换成数字信号，取代了传统的电磁式电压和电流互感器。 当前，世界上先进的工业国家都看好在电力系统中高压领域智能化高压电器的发展前景和潜在的效益，加大了研究的投入和开发的力度，比较典型的有ABB公司推出的CAT，具有人工智能技术的断路器，如前面所讨论的，在一定程度上实现了对断路器的受控操作; ABB公司推出的光电式电流传感器和电压传感器在高压领域中替代了传统的电磁式电流互感器和电压互感器，解决了智能化高压电器设备中传感技术的难题。目前，已经大量应用的信号数字化传输技术大大缓解了信号传播中干扰的影响程度等，这些高新技术的应用都为智能化断路器技术的发展创造了良好的条件。 断路器智能化是一项更新换代的工作，它涉及到很多领域的技术进步和创新发展，如传感技术、微电子技术、计算机技术、信息技术以及断路器本身及操动机构等方面，需要更多的投入和开发。但是，可以展望，随着智能化进程上的难题一个一个地被破解，性能优越的智能化断路器终将会在不久的将来登堂入室，为人们所熟悉和喜爱。