探析智能化高压开关设备技术的发展

徐先锋

【摘 要】经济和社会的高速发展，对电力系统的可靠性和安全性提出了更高的要求。为了适应我国电力系统发展的需求，近年来高压开关设备不断向着智能化的方向发展，智能化高压开关设备具有控制网络化、测量数字化、状态可视化、信息互动化和功能一体化的特征，明显提高了开关设备的可靠性和安全性。本文在分析智能化高压开关设备结构和特征的基础上，探讨了智能化高压开关设备技术的发展趋势。

【关 键 词】智能化；高压开关设备；GIS；高压断路器；高压熔断器

【中图分类号】 V242.3+1【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0254-01

随着智能电网建设的不断推进，智能化高压开关设备受到了人们越来越多的关注和重视。作为智能电网的重要输配电设备，智能化高压开关设备的可靠和安全运行对于电力系统的稳定运行至关重要，因此本文就智能化高压开关设备技术的发展进行探讨，以期为促进电力系统的安全运行提供一些有益的参考。

1. 智能化高压开关设备的概述

1.1 智能化高压开关设备的定义

智能化高压开关设备是“十一五”时期装备工业集传统的机械装置和电子产品、电子技术于一身的机电一体化新一代产品。到目前为止，智能化高压开关设备只是一个泛指，相关专业还没有规范的术语和定义。对于一个元件而言，可以理解为按照智能化的要求植入一个或多个元素或功能，如通信接口、传感器等；对于开关成套设备，如开关柜、配电设备等，可以理解为对一个系统的综合要求，诸如自动化、在线监测、互动化等。

1.2 智能化高压开关设备的结构

智能设备是含传感器的一次设备与智能组件的结合体，智能化高压开关设备的组成包括以下部分：高压开关设备、传感器/执行器、智能组件，其中智能组件通过传感器/执行器与高压开关设备形成有机整体，实现与宿主设备相关的测量、控制、监测、计量和保护等功能。

智能组件（Intelligent component）是面向单一一次设备的综合测控集，由若干智能电子装置（IED）集合组成，在满足相关标准要求时，还能够承担保护、计量等功能，强调功能实现的一体化。智能组件包括过程层网络通信和站控层网络通信，遵循IEC 61850通信协议；组件内可有不同的交换机配置方案，应该采用优先设置、流量控制、VLAN划分等技术优化过程层网络通信。

2. 智能化高压开关设备的特征

（1）控制网络化。智能化高压开关设备不仅能够完成继电保护控制命令，还能够根据IEC 61850规约通信，CB/DS/ES/FES能够正确执行网络遥控命令。

（2）测量数字化。根据IEC 61850规约通信，高压开关设备控制器、光电压互感器、光电流互感器和合成单元，能够通过网络传输相关数字化测量和检测信息，分别在就地和远方显示一次主设备接线形式、状态信息、报警信号及状态监测结果。

（3）功能一体化。智能化高压开关设备的功能是高度集成的，具体说来：相关测量、控制和监测的融合设计，传感器植入技术和光互感器的一体化设计，各监测IED的集成设计。

（4）操作程序化。智能化高压开关设备能够接受程序化操作命令，自动按照规定的时间和逻辑闭锁要求逐一完成各指令所规定的操作。

（5）信息互动化。智能化高压开关设备包括过程层网络通信和站控层网络通信，遵循IEC 61850规约通信协议。智能组件内所有IED都接入过程层网络，需要与站控层网络有信息交互需要的IED，还要接入站控层网络，如测控装置等。

（6）状态可视化。各监测IED的监测结果，按照“唯一性标识、故障部位、故障类型、风险程度”的报文格式，通过过程层网络向主IED报告自评估结果。

（7）监控诊断远程化。通过无线网络通信可以实现与智能化高压开关设备的信息交互，从而达到远程监控诊断功能。

3. 智能化高压开关设备技术的发展趋势

3.1 气体绝缘全封闭组合电器（GIS）的智能化

GIS的智能化是一个跨学科的综合课题，其是具有众多功能和丰富通信接口的系统。在GIS智能化的实施中，关键问题主要包括：

（1） 智能操控回路。传统变电站中，GIS机构操作回路和操作箱的控制回路分别由一次、二次回路厂家设计，这容易造成寄生回路和成本上升。而智能变电站中，开关智能终端的就地化使得操控回路的一体化设计成为可能，并带来如下益处：智能GIS设计时，考虑在开关智能终端的防跳回路基础上增加机械故障防跳机制，防跳回路在印制板上实现，能够提高一次设备的集成化和智能化程度，同时占用空间更小；在智能GIS中，由开关智能终端统一采集位置结点信息并通过GOOSE服务转发给各二次设备，可以大大减少辅助结点的数量；断路器总位置信号、三相不一致信号可以在开关智能终端内通过软件逻辑实现，不需要额外的继电器串、并联合成回路；取消电气联闭锁的硬件回路，减少对厂家的依赖。

（2） 在线监测。目前国内GIS的故障率较高，主要运行问题集中在内绝缘、气密性和操作机构等几个方面，在线监测需要重点开展GIS局部放电监测、断路器机械故障在线监测、电寿命监测等方面的工作。

（3） 电子式互感器的应用。近年来电子式互感器在我国的应用日益增多，取得了一定的工程应用经验，但同时也暴露出如下问题：常规二次设备电磁兼容试验不能完全满足要求，需要对试验手段进行完善；与继电保护装置的分工和配合问题；相关计量规程的修订和合并单元的定位。

（4） 汇控柜方案。GIS的智能化伴随着电子设备的就地化，这意味着传统的汇控柜已经不能满足需求，需要从以下几个方面进行改进：完备的信息交互、全环境适应性、温湿度控制系统可靠性的提高。

3.2 高压断路器的智能化

目前世界上先进的工业国家，都十分看好智能化高压断路器的发展前景，加大了研究的投入和开发的力度。在高压断路器智能化实现的过程中，还有很多需要解决的技术和问题：（1）关键技术问题。智能化高压断路器需要解决的关键技术问题包括微机技术、传感技术、抗电磁干扰技术和信号处理技术。（2）寿命问题。由于电子设备的使用寿命要低于高压电气设备本身的寿命，要解决这一矛盾必须从设计、制造和改善运行条件等几个方面着手，采用模块化设计，以提高设备的使用寿命。（3）经济问题。智能高压断路器的价格较传统断路器高，但在电子设备不断降价的情况下，监测设备价格也在不断降低。

3.3 高压开关柜的智能化

智能化高压开关柜集保护、监测、控制与故障诊断为一体，具备数字显示、高压开关显示和对外的双向数据通信等通过。智能化高压开关柜是用新的传感器采集信息，用计算机处理信息，用计算机网络传输信息和用数字与波形显示信息，并对开关设备的重要参数进行连续的在线监测，不仅可以提供设备现有的状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，识别存在的故障，为设备的状态维修提供依据，从而增大设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少维修保养的费用。

3.4 高压熔断器的智能化

现有的高压熔断器存在以下缺点：一是往往都是针对大过载电流的情况，即在大电流过载情况下，通过熔体自行熔断实现分断保护；而在低过载电流情况下，老式的喷逐式熔断器在分段较小的短路电流时可能出现不能灭弧，甚至爆炸等问题。二是熔断器的时间——电流特性（安秒特性）的稳定性和运行性相对较差，并且适应性单一。近年来，国内外推出了智能化熔断器，美国通用电气公司研究的“智能化高压限流熔断器”已经可以达到外形尺寸小、额定电流大和高分断能力的要求，并且可以从外来控制熔断器动作。

参考文献

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