浅析智能化开关设备

姜富修，姚淮林

(江苏南瑞帕威尔电气有限公司研发中心，江苏南京211100)

为进一步提高供配电网络的供电可靠性，一方面需要提高供配电设备的产品品质，优化供配电网络结构，另一方面也需要对设备进行智能化改造，监测开关设备的运行状态，增加智能提醒，减少人为事故，同时可以预警设备故障，减少因设备故障引起的停电事故。

1 智能化开关设备概述

智能化开关设备(smart switchgear equipment)由开关设备本体、传感器(或执行器)、智能组件组成，如图1所示。具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化特征的开关设备。

图1 智能化开关设备的结构示意图

智能组件(intelligent component)是承担开关设备本体的测量、控制、计量、监测、保护等全部或部分功能的智能电子装置(IED)集合，是高压设备智能化的核心部件。智能组件通过网络连接到系统层，实现与站内其他设备和调度、生产管理系统的信息交互。

智能化开关设备基于测量、控制、监测等各种感知信息，对开关设备的运行状态、控制状态、可靠性状态进行综合状态评估，可以及早发现其性能隐患，预防故障发生，提高电力系统运行可靠性;能及时确定开关设备健康状态，合理安排维护检修，变“定期维护”为“状态维护 ”，提高效率，降低运行费用，提高电力系统经济性能。能够实现开关设备的智能控制，实现对电网更加友好的信息支持，提高电力系统的自动化水平。

2 开关设备智能化的改造方案(以40.5kV及以下中置式开关柜智能化为例阐述)

AMS系列铠装式金属封闭开关设备是小型化、金属铠装、中置式、空气绝缘的开关设备，由几个完全封闭的隔室组成：电缆室、断路器室、母线室及二次仪表室构成，是一种安全、可靠且应用广泛的开关设备。结构如图2所示。

2.1 开关柜运行存在的问题

结合用户在设备多年使用过程中发现，有部分开关柜存在如下问题：在大电流开关柜中存在着温升过高问题;有少数开关设备长时间运行后存在无法分闸、无法合闸的故障;由于接线不当或其他原因引起的弧光问题等。

针对用户遇到的以上问题，在开关智能化的过程中都能找到对应的优化、解决方案，下面针对每一个问题进行简单叙述。

图2 AMS开关柜结构示意图

2.1 大电流开关柜温升过高的问题

针对大电流开关柜温升高的问题，首先应从开关柜产品生产工艺方面保证，减少发热源，增加热交换，如增加风机，表面喷附易散热材料等;另一方面，对开关设备进行智能化升级，增加温升在线监测功能，实时监测开关柜母线连接部位的温升，及时发现开关设备的潜在故障。

目前测温主要方法有无线测温法、红外测温法和光纤测温法等，下面就这三种方法原理及优缺点分别作阐述。

a)无线测温法：该方案是在开关柜导体搭接部位埋设热敏电阻传感器，测量该处温升，通过高电位端温度信号转换及传输模块采用射频技术将高电位端采集的温度、地址信号无线传输到低电位端，经过解调处理后，被测点的温度值及温度传感器地址号在低电位端仪表面板上显示，同时低电位端仪表接收到的信号可由RS-485串行接口、光纤或双绞线传输到数据采集终端，原理如图3所示。

图3 温度传感模块

优点：

1)测温点位置不受限制，可以处于隐蔽处;

2)高电位端温度信号、信号转换及传输模块的供电采用电流互感器自给电源技术(在主导电回路上安装一感应线圈，为保证感应线圈能提供较为稳定的电源，利用铁心磁饱和原理，适当选择铁心截面，小电流时铁芯正常励磁，大电流时铁芯饱和，从而提供变化幅度较小的电源，再通过电子稳压装置，向温度传感器及信号传输装置提供稳定可靠的电源)。自给电源安全可靠，是真正的免维护电源。

缺点：

1)由于温度信号取样及发射装置传输数据的距离有限(几米或几十米)，因此无法将分散的数据传输到较远的接收装置上。

2)无线测温装置不能用于金属全封闭的产品(如充气环网柜)的内部导体连接点的异常温升监测，因为传感器和发射装置的固定安装及信号传输目前还没有切实可行的解决方案。

b)红外测温法：该方案利用光学设备聚焦于待测设备的触点，根据触点的不同温度时红外辐射不同的原理，采集该测点表面热能量的红外辐射，经过红外聚集，将待测点的红外辐射送至红外测温器，根据测得的由温度形成的红外辐射输出信号V(电压或电流)和V－T关系式，进行待测点温度T的计算(T的4次方与输出信号V成正比)，实现温度测量和进行图像处理。

优点：

通过凸透镜直接接收测量点发出的红外波，接收器(传感器)可远离测量点，解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，测量系统结构简单。

缺点：

1)由于被监测的各高压电器设备触点的红外辐射率不同，以及杂散光、背景光和各设备位置不同，导致的红外辐射路径不同及大气衰减等因素都会影响测温的精度，因而红外测温法的稳定性较差。

2)虽然在较好的红外测温设备和熟练人员的操作下，也能大概测出高压带电设备的温度，但是只能测量在直线可视范围内的测点温度，这是红外测温法的致使弱点。

3)红外测温仪逐点测温的方法必须避开太阳光的背景干扰，一般需在夜间或阴雨天到现场实测，测量误差较大，还需要大量人力物力。

c)光纤测温法：光纤传感器(fiber optical sensor，FOS)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器，光纤传感器用于温度测量基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，待测参数温度与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位等)发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。它同时具有光纤及光学测量的特点：

1)电绝缘性能好;

2)抗电磁干扰能力强;

3)非侵入性;

4)高灵敏度;

5)容易实现对被测信号的远距离监控;

6)光纤耐腐蚀，在水中、溶液中、化学气体中也能使用，特别是由于它不受电磁感应的影响，不用担心出现火花，因此，在煤矿、石油和气体贮藏所等易燃易爆环境下，也可正常进行测量。

对以上三种测温方式特点进行分析可知，无线测温方式和光纤测温方式均可作为空气绝缘封闭开关设备温度在线监测的一种方案;而对于红外测温，从操作人员的安全性和设备的结构特点考虑，红外测温方式不能用作户内外封闭开关柜的在线测温，只能对户外非封闭配电设备进行粗略的温度测量。

2.2 少数开关柜长期运行导致的拒分、拒合问题

针对少数开关存在的拒分、拒合故障，在开关设备智能化过程中可以对分合闸电磁铁工作状况和分合闸回路进行实时监测，达到提前预警故障的目的。

a)分合闸电磁铁线圈电流的监测与诊断

高压断路器分合闸操作一般都是以电磁铁作为第一级控制元件。当电磁铁线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，动铁芯受电磁力而运行，撞击锁扣，使断路器分闸或合闸。

分合闸线圈通常由直流电源供电，图4为分合闸线圈电流波形。对于这种电流可以用能测量直流电流和交流电流的霍尔传感器进行测量。霍尔传感器可以实现电气隔离，结合铁芯的运动过程，可以将电磁铁工作过程分为下列五个阶段：

图4 分合闸线圈电流波形

阶段1：t=t0～t1，铁芯预动期。对应于线圈开始通电后到铁芯开始运动前的阶段。这一阶段电磁力小于保持铁芯位置的由重力、摩擦力、弹簧力等合成的阻力，铁芯保持不动，电流基本按一阶指数规律上升。

阶段2：t=t1～t2，铁芯运动期。当线圈电流大于I2后，电磁力大于阻力，铁芯开始运动，经过一个空程后撞击锁扣，最后铁芯到达吸合位置后停止运动。由于铁芯运动期间的电感随铁芯行程的增大而增大，会在电路中产生很大的反电动势，线圈电流反而减小。铁芯运动速度越快，线圈电流减少得越多。根据这一阶段的电流波形，可以推断铁芯的运动过程。这一阶段只到t2铁芯吸合后运动停止时为止。

阶段3：t=t2～t3，铁芯停止运动期。在此期间铁芯以停止运动，电流近似按指数规律上升。

阶段4：t=t3～t4，稳定期。在此期间线圈电流达到稳定值而基本不变，稳态值为I3。有的电磁铁没有这一过程。

阶段5：t=t4～t5，电流开断期。辅助开关分断，触头间产生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电弧电流迅速减小而熄灭。

根据以上的分析，可以得到以下一些线圈电流的特征参数：

1)t1－t0(铁芯始动时间);

2)I1(铁芯始动电流);

3)t2－t1(铁芯运动时间);

4)I2(铁芯刚停止运动时电流);

5)t1－t0(线圈电流二次上升时间);

6)I3(线圈稳态电流);

7)t4－t3(线圈电流稳定时间);

8)t5－t4(燃弧时间)。

影响线圈电流波形的因素很多，如线圈匝间短路、线圈电压、铁芯空行程、摩擦阻力、弹簧阻力、铁芯松动或卡涩以及操作机构等。由线圈电流特征参数的变化可以诊断出以上因素造成的断路器的机械故障及其发展趋势，对于发现断路器中发生概率和危害最大的拒动和误动故障有一定效果。

b)分合闸回路完好性的监测与诊断

分合闸控制回路一般串有多个辅助开关和触点，其中任何一处连接或线路出现故障，在操作过程中电源电压就不能正常地加在分合闸电磁铁线圈上，从而导致分合闸操作不正常完成，甚至发生拒动。另外按规定，分闸操作机构可靠工作的电压范围是其额定电压的65%～120%，合闸操作机构可靠工作的电压范围是其交流额定电压的85%～110%或直流工作电压的80%～110%。综合两个方面的因素，为保证断路器的可靠工作，需要对控制回路的完好性以及操作机构电源电压进行监测。

操作电源电压一般为直流，可以采用霍尔传感器进行测量。

有一种利用一个电压传感器同时实现对分合闸回路的完好性和分合闸电磁铁工作期间线圈电压的监测方法。如图5所示，电压传感器并联在线圈(电阻为R0)的两端，同时在辅助开关两端并联一个电阻R1(如果有多个辅助开关，则R1的两端跨接所有的辅助开关)，这样操作电源、并联电阻和线圈三者形成通路。R1的大小满足以下的要求：在没有得到分或合闸指令时，线圈上的分压不应超过电磁铁不应动作的最高电压值，并就保留一定的裕度。高压开关设备标准中规定，分闸电磁铁的不应动作电压最高是其额定电压的30%。对合闸电磁铁的不应动作电压值没有具体规定，但该值可向电磁铁制造厂家索取。

图5 分合闸线圈工作电压与分合闸回路完好性监测原理

当断路器处于准备动作状态时，辅助开关处于打开状态。此时，如果线圈和回路完好，电压传感器测得的电压U1应为：

式中：U——操作电源的电压。

这样由电源电压的正常范围，根据上面的公式可以写出U1的正常范围。即当电源电压U低于规定范围或者回路中存在断线隐患时，U1将小于其正常范围。如果线圈中存在断路而回路完好，传感器测得的信号将是操作电源的电压U。如果回路中存在断线，则电压传感器将测不到电压信号，即U1=0。

断路器动作时，辅助开关闭合，电压传感器测得的电压为线圈电压。

由上面的分析可知，根据电压传感器测得的电压信号可以诊断出的故障包括：线圈断线、操作回路断线、操作电源电压异常等。使用该方法还可以同时监测电磁铁工作期间的线圈电压。R1和电压传感器与操作回路中的器件对断路器的操作无影响。

2.3 由于接线不当或其他原因引起的弧光问题

中、低压母线因发生短路故障、运行人员误操作和误入带电间隔等原因产生的电弧光对设备及人员造成的危害极大。电弧光使开关设备内的压力和温度迅速升高，如不及时切除，容易造成电缆护套着火和母线熔毁，并且产生大量有害气体伤害呼吸系统、高温灼伤皮肤和刺伤眼睛。短路故障时，开关设备剧烈震动使固定件松动脱落、甚至导致开关柜爆炸造成人员伤亡。中低压母线系统中一般不配置专用的快速母线保护，而是依赖上一级的后备过流保护切除母线故障，过流保护有延时，这就导致故障切除时间较长，增加了设备的损害程度。

针对以上问题，在智能化升级过程中，可以在开关柜中设置弧光保护装置，有效避免弧光给人身和设备造成的威胁。

a)弧光保护系统的构成

如图6所示，弧光保护系统由主控单元、电流单元、弧光单元、弧光传感器、光纤三工器(可选用)、电源模块及连接各部件之间的光纤和数据线组成。

图6 弧光保护系统构成

1)主控单元用于管理、控制整套电弧光保护系统。它检测故障电流和弧光信号，并对收到的两种信号进行处理、判断，在满足跳闸的条件时，发出跳闸指令切除故障。

2)电流单元用于检测过电流信号，ABC三相电流均可检测，可同时匹配5A、1A的电流互感器，其中电流的整定可通过面板上的电位计来调节，整定范围从50%～500%。电流单元检测到的信号通过光纤和数据线传到主控单元，主控单元依据设定的逻辑判断是否发出跳闸指令。每个电源进线装设一台电流单元。

3)每个弧光单元包含10个弧光检测接口，这些接口均为光纤接口，用于连接弧光传感器。弧光传感器的感光强度则可以通过弧光单元面板上的电位计来调节设定，可以从10kLux调节至50klux。弧光单元检测到的信号通过光纤和数据线传到主控单元，主控单元依据设定的逻辑判断是否发出跳闸指令。弧光单元通常安装在选定的某个开关柜中。

4)弧光传感器是探测弧光的感应原件。当发生弧光故障时，光强度大大增加，弧光传感器直接将光信号传送给主控单元或者弧光单元。

5)电源模块工作电源为交直流两用，基本上不受现场制约。AC 85－264V 或者 DC 80－350V，19－140V，输入频率47－440Hz，输出功率12W。

6)光纤三工器(可选用)可以在标注数量的保护通道不足的情况下，非常方便的扩展保护点，并且节约相应费用。在不影响电弧光保护系统功能的情况下，满足了用户扩展保护点的要求，给用户带来了极大方便。

b)弧光保护系统控制原理

电弧光保护动作判据为故障时产生的两个条件：弧光和过电流。当检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令信号;当检测到弧光或者电流增量时发出报警信号，并不发出跳闸指令，如图7所示。

图7 电弧光保护原理示意图

c)弧光保护系统优点：

1)动作迅速可靠：跳闸回路采用了快速继电器Triac技术，确保保护系统在1ms内发出跳闸信号，加上断路器动作时间(35～ 60ms)，使开关柜内部电弧光故障总切除时间控制在 60ms以内，而且在外观上无明显损坏。

2)故障点定位功能：根据弧光传感器的实际安装位置可以实现分区保护的功能。弧光传感器可以安装在开关设备的任何位置(一般安装在母线室内，以检测母线故障)，并在主控单元上显示故障发生的位置，此功能可以减少故障处理时间，快速恢复供电。

3)抗干扰能力强：弧光保护系统采用无源弧光传感器探测弧光，系统主控单元、弧光单元、电流单元及传感器采用了光纤星形连接及传输技术，且装置完全满足电磁兼容EMC的标准，确保了整个弧光保护系统的可靠性及高强的抗干扰能力。

4)断路器失灵保护：在主断路器拒动时发出跳闸指令跳上一级断路器，提高保护系统的安全性。

5)配置灵活、适应性强：系统采用先进的处理技术，通过对弧光和过电流动作信号的灵活编程，可对各段母线提供选择性保护，适用不同类型的接线和运行方式。

3 结语

目前，高压金属封闭开关设备的维修方式以定期检修为主，以事后(故障后)维修为辅。这两种方式都需要停电进行，从而影响了供电的连续性，并将给用户造成经济损失。再加上定期检修时间间隔长，很难及时发现运行中出现的故障。另外，由于现场条件和检修人员技术水平问题，有时还会因检修不当造成技术故障。

而采用文中智能化改造后的智能化开关设备，通过在线的状态监测手段，识别故障的早期征兆，对故障的部位、严重程序及发展趋势做出判断，从而确定最佳的维修时机，实现了开关设备的“按状态检修”。状态检修是耗费低、技术先进的维修方式，它为设备安全、稳定、长周期、全性能、优质运行提供了可靠的技术和管理保障。目前我公司多批次产品在现场运行，用户反馈都认为产品可以实时监测设备的运行状态，极大提高设备运行的可靠性，性能优异，技术先进，完全满足国网公司智能化配电的要求。

［1］钱家骊，袁大陆，等.高压开关柜—结构 计算 运行 发展［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［2］中国电器工业协会高压开关分会等编著.高压开关设备国内外产品水平［M］(第五版).西安：西安高压电器研究院.2010.

(3)王大勇，施国庆.光电式电弧光保护系统的应用与分析［J］.水电施工技术，2011(1)：81-83.