关键词：开关；智能化；状态监测

    引言

    随着科学技术的不断进步，出现了学科交叉渗透和交叉学科，以及边缘学科大量涌现的现象，21世纪科学技术将进一步趋向整体化、交叉化、综合化和定量化。这些变化为电气学科的发展提供了有利的环境，推动了高压开关设备向智能化方向发展。相当多的中、高压断路器以及气体绝缘全封闭组合电器（GIS）智能化程度的不断提高，将使供电可靠性提高、监测能力增强、恢复供电加快、运行维护更经济、方便，并能及时、有效、自动地完成各种功能控制［1］；由于传感技术的发展，人们可利用光纤和微电子元件解决高电压隔离和传感器系统内部小型化问题，而微处理技术可完成智能判断功能。综合运用这两项技术可实现高压开关设备的状态检测和故障诊断，从而提高高压开关设备的智能化水平。本文将对高压开关设备中采用的新技术以及高压开关智能化发展的趋势进行分析和综述。

    2 高压开关设备智能化中的新技术

    2．1现代传感技术

    以往电力系统中作为测量和保护用的互感器普遍使用电磁式的，随着现代电力系统电压的升高和容量的增长，某些复杂的继电保护装置不仅能反映短路电流的大小，还能反映相位和波形，甚至反映电流的突变率，因而使用传统的电磁式互感器已不能满足目前高压开关设备多功能的需要，这就对现代传感器技术提出了更严格的要求。随着现代光纤技术的发展，基于法拉第旋光效应的光电互感器和光电传感器（OCT）相继出现，图1为日本Nisi－Nagoya电站目前使用的OCT结构示意图［2］。初级线圈环绕在套于高压母线的环型磁芯上，螺线管与初级线圈产生的磁场方向平行，法拉第传感器沿着螺线管轴线方向安装于螺线管内，一个法拉第螺线管可同时连接多个带有磁芯的线圈，该螺线管具有磁场屏蔽功能。初级线圈产生的电流用来形成螺线管中的磁场，而螺线管中安装的法拉第元件作为传感器将该电信号转换成光信号。该类型OCT产品应用于275kV变电站的故障定位监测系统中，被测电流高达50kA，可在－20～＋80℃的温度范围内使用，精度为1．5％，可满足故障定位系统要求。

    目前已投入使用的光学电流互感器由于测量范围宽、绝缘简单可靠、无磁饱和、无二次开路危险、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、安装运输方便、易于同微机保护接口等优点，已在高压开关设备中得到应用。

    2．2微机处理技术

    微机处理技术的发展是实现智能化控制的前提，它是集测量、运算、决策、控制、保护及遥控于一体的综合化智能体系，可以安装于高压开关设备内部，直接面向一次设备或设备组合，能完成各自对象的继电保护、实时电量监控、状态信息记录及历史记录等功能；微机处理技术还可作为计算机分层网络的终端，具有多种可选的通用网络接口，便于事故分析和状态监视；形成微机防误操作和安全保障系统，适应变电站自动化的需要。例如，对于智能化柜来说，首先通过数据采集系统获得监测信息，然后利用微机处理技术对获得的信息进行处理、判断与决策，其处理机构可分为前置处理单元和后置管理单元两部分：前置处理单元由数据采集系统的模拟量转换为数字量，然后进行算术和逻辑运算，并与给定的报警、跳闸、操作等条件进行比较，当满足动作条件时执行动作任务；后置管理单元则完成对数据的打印管理、事故记录等。微机处理装置必须预留通信接口，以使软件系统与已在线运行的其他软件环境能方便地连接。

    2．3状态监测和故障诊断技术

    电气设备的在线监测和故障诊断是其智能化的基本手段，起源于20世纪70年代。经过多年的发展，现代高压开关设备的监测功能正日趋完善，例如：对电压、电流、功率和功率因数、有功和无功电能、电网频率以及断路器合／分工作状态等的检测功能；对过电流、短路、不平衡运行、电机启动、接地、过电压、欠电压等的保护功能；对就地断路器和远方断路器的操作控制功能等。这些功能依靠先进的显示、通信手段将各单元联系起来，实现变电站的集中微机监控。

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    高压开关设备在线监测与故障诊断系统的组成参见图2，它由信号变送系统、数据采集系统以及处理和诊断系统构成。高压开关设备常见的监测内容可归纳为绝缘性能监测、机械性能监测和电气性能监测三部分，具体包括：通过检测开断电流和燃弧时间这两个影响触头磨损量的主要参数来判断触头的电寿命，通过检测关键部件的机械振动、合／分闸线圈电流和电压的波形变化、控制回路通断状态以及操动机构储能完成状况等信号来判断断路器的机械故障，近年来发展起来的采用UHF电磁波来监测绝缘状态，应用感温元件或红外线技术来监控载流导体及接触部位温度等。这些监测与诊断技术的实际应用可实现高压开关设备的状态检修及智能化控制。

  3 智能化高压开关设备

    现代传感技术、微机处理技术、状态监测和故障诊断技术在高压开关设备领域得到了广泛应用，出现了各具特色的智能型高压开关设备。

    3．1气体绝缘全封闭组合电器（GIS）

    G．Schett将GIS从传统技术、现代技术发展到智能技术的三个阶段用图3进行了概括和比较［3］。在传统的GIS二次回路中主要采用了电磁式电器技术，各种电器功能单一，为完成复杂的功能需要大量各种不同类型的电器，同时为连接这些电器而使用了上千条硬导线，在GIS旁边专门建造了控制室以便安置其庞大的控制柜，GIS壳体上的柜体仅作母线室用。

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    在具有现代技术的GIS中（见图3（b）），数字继电器取代了传统的继电器，加上自监视程序的采用，其可靠性得到了提高。GIS的二次回路不断改进，在间隔之间以及间隔与变电站控制计算机之间的通信联络使用了串行光纤技术，使器件数大大减少；为完成控制、保护和测量等功能所需的设备安装在GIS壳体上的控制柜中，不再专为二次回路建造控制室；

    使用光纤通信总线简化了设备之间的联接，并解决了电磁干扰问题；控制柜内电子器件的自动控制和自监视功能提高了GIS的自动化程度。

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    如图3（c）所示，在具有智能化技术的GIS中，所有一次回路与二次回路之间的连接均通过串行光纤总线接到控制箱中，完全淘汰了传统的硬导线连接方式。每个一次装置（互感器）配备了称为PISA（传感器和执行器处理接口）的电子接口，其主要任务有：作A／D变换、测量信号的预处理、通过总线以及经过串接总线执行控制和保护命令。由于采用了PISA技术，使脱扣、连锁、电压、电流等信号的传递时间大大减小，并能迅速作出控制或保护等操作的判断，使保护和监控更为及时、可靠。

    智能熔断器

    美国通用公司研制出的额定电压为5．5～26kV、额定电流为65～175A的高压限流熔断器［5］，不但尺寸小、额定电流大、分断能力强，还能够智能控制熔断器的时间－电流特性。智能化熔断器结构如图4所示。图4（a）为熔体部件布置示意图，熔体的中部有一个过电流传感器（O．C），数个化学炸药包沿着熔体长度方向布置。在正常工作情况下，触发电路由空气间隙A1隔离。当主熔体在某种情况下任意一处熔断时，断开处的电弧电压使间隙A1击穿，引起电流流过触发电路，从而在低过载电流下点燃化学炸药包，在熔体上产生多个串联电弧来开断电流。在大电流情况下，其开断与一般限流熔断器相似。

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    智能化熔断器的保护系统（图4（b））由多个智能化熔断器和一个保护控制中心（PCC）组成。以往的熔断器电弧是靠低熔点的“M”效应和特殊的熔体狭颈设计来实现的，因而其时间－电流特性是固定不变的，而智能化的熔断器沿熔体长度方向多处布置有化学炸药包，并设有智能检测单元对线路供电状况进行检测和判定，再通过触发化学炸药包按要求动作，从而实现熔断器时间－电流特性的智能控制。

    4 高压断路器及高压开关柜

    日本富士公司在原来的真空断路器上添加了过电流继电器、检测用电流互感器以及各种传感器，使断路器具备了自诊断功能及传输功能，构成了集监视、通信、控制和保护为一体的智能单元，从而强化了断路器的功能，提高了可靠性。

    在电器元件智能化的同时，高压开关柜也不断向智能化方向推进，目前在国际上处于领先地位的高压开关柜产品均具有：脱扣回路断线监测、动作时间检测、接触部件检测、弹簧的储能时间检测、温度／湿度检测和柜门的监视等功能，综合这些功能就构成了智能化高压开关柜。

    ABB公司近期推出的高压开关柜智能化集中控制／保护单元［6］（如图5所示），将控制、信号、保护、测量和监视等功能组合起来，使高压开关柜具有连续自监视以及与电站控制系统直接连接等功能，其主要的监视功能参见表1。集中控制／保护单元具有限流、过电压和欠电压、过热以及接地故障等多种保护功能，并能根据需要任意组合。集中控制／保护单元还具有智能诊断能力，能对其所监测到的数据进行分析和处理、进行故障预测、判断开关的剩余使用寿命和计算出维修期限。

    现代传感技术、微机处理技术、状态监测和故障诊断技术的蓬勃发展和在高压开关设备领域中的不断渗透，形成了强电与弱电相结合、传统技术与高新技术相结合的现状，推动了高压开关设备向智能化方向发展。使开关设备不但可以根据运行的实际情况进行操作上的智能控制，同时还可根据在线检测和故障诊断的结果进行状态检修。