新型HGIS智能化开关的应用
2014-12-13徐元兴包红旗汪彦程华明
徐元兴+++包红旗+++汪彦++程华明
摘 要：随着电力系统的发展，研制适合我国电力系统规范的HGIS系统是我们面临的任务。文章介绍了HGIS智能化开关的概念、设计思想和HGIS开关智能综合控制器的主要功能及其市场应用前景。HGIS智能化开关是在开关微机保护的基础上进一步的发展而成，实现了调度自动化、微机保护以及设备状态监测“三合一”。文章结合实例论述了HGIS智能化开关系统的特征，它的应用促进了紧凑型模块化变电站的发展。
关键词：HGIS开关；状态监测；模块化变电站
随着社会科技的发展，人们对环境保护越来越重视，有着国家工业“血液”之称的电力行业也作出了相应的规划，具有占地少、自动化程度高、维护量小、对环境影响小的紧凑型变电站也就应运而生，并得到了广泛地使用。这就要求作为变电主要设备之一的高压开关设备也要更加紧凑。HGIS作为这类开关的典型设备，迎合了新型变电站发展的要求。中电新源（北京）高压电力设备有限公司推出的HGIS系统以结构紧凑、安装方便、稳定可靠、智能化等特点得到了用户的青睐。文章将以他们的HGIS系统为例，对HGIS智能化开关进行阐述。
1 概述
随着人们生活对电话电力输求的不断增加，变电站变得越来越多，越来复杂，点地面积也相应增大，不利在城市中建设，，接线的复杂化也不利于系统的稳定性。HGIS系统正是为了适应这些需求而得以诞生发展，目前HGIS已向智能化方向发展。如图1，它将单间隔的断路器，刀闸，控制器等集于一体，结构紧凑，大大地简化了接线。
图1 智能化HGIS系统图
HGIS智能化主要是在两层面上得到了发展，一个是间隔层上采用了现代先进小型化的传感器嵌入到HGIS开关各个部件的内部，与开关本身融为一体。能够方便，精确地采集到开关运行的各种电气物理量和影响开关寿命的环境工况信息。这些信息就地数字化上送到就地智能综合控制器上的处理单元，进行分析和状态评估，然后得出相应优化的操作方案。另一个在站控层上甚至是在站间的智能化，主要是对HGIS开关的运作状态进行记录，对比分析，给出专家分析建议，提高变电站二次系统自动化程度。
2 HGIS智能化设计思想
HGIS智能化开关是在微机保护的基础上，在过去保测装置的基础上增加了开关状态监测装置，连闭锁装置。实现了调度自动化、微机保护以及设备状态监测“三合一”。HGIS开关智能化，可以大大减少定期检查次数，实现有目的的检修，减免因检查而停电造成的损失和对开关设备的人为伤害；可以节省保护和遥控设备所需的场地空间和大量的控制电缆，不但减少了成本，而且使继电保护更加安全可靠；可以使变电站控制室从日常的“繁忙事务”中解脱出来， “集中精力”从事系统、网络管理。
将HGIS开关装置、采集开关状态物理量的传感器和智能综合控制器组合起来，采用屏蔽电缆或者光纤联接，实现HGIS开关智能化。
2.1 采用监控传感器
HGIS智能化开关采用的传感器有：气体密度测量传感器；测量电压电流的传感器；用于断路器、隔离开关、接地开关的传感器；反映物理现象的传感器（如：电弧放电、温度、湿度等）。这些传感器必须满足高可靠性和寿命要求。
以中电新源智能电网科技有限公司推出的HGIS系统为例，其断路器部分的主要传感器见图2。每组由一个FMU-B单元构成。含A、B、C三相电流传感器三个、分合闸线圈电流传感器两个，加速度传感器一个。这些传感器监测的主要参数及其范围见表1。
2.2 HGIS开关智能综合控制器
HGIS开关智能综合控制器，就是把开关、隔离开关的一切在线监测功能；本间隔内所有综合自动化要求的保护、测控、五防、通信功能；以及设置显示人机界面功能集中在一个具有双层结构的密封金属箱体内见图3，通过互为热备用的双光纤以太网接口，与变电站的上一级监控系统连接，完成数据交换和控制功能。箱体内的各个功能部分由独立的智能模块各自完成，并通过通信有机连成一体。
3 HGIS开关智能综合控制器主要功能
HGIS开关智能综合控制器对监测量进行在线监测和实时记录，并经过计算和逻辑判断发出指令或报警。该系统具有参数设定（根据有关的规程、开关设计参数设置判断的阀值）、实时监测、图形显示、数据显示、系统校验、操作控制（手动、自动）、信息通讯等功能。其监测的参数以及与之用来实现的功能分述如下。
3.1 断路器电寿命评估
断路器的标称电寿命一般为（KA）2次计算，测控柜通过采集每次保护跳闸时拉断的故障电流进行累计，并将累计值传送到后台监控软件或调度系统进行显示，用户可以根据此累加值对开关的电寿命进行科学评估，合理安排检修工作。
已经损失的电寿命=■I2
I：断路器拉断的故障电流
T：断路器动作次数
3.2 SF6状态监视
开关气室内SF6气体状态会直接影响到断路器内部的绝缘状况，当气压过低时将引起设备对操作的闭锁，因此对SF6气体进行监视十分重要。SF6在不同条件下的介质强度曲线如图4所示：
SF6的温度——压力特性如图5所示：
在不新增气体分析设备的前提下，测控柜可以根据气压表输出电流测得开关的气压，经过温度补偿计算后，将初次测得的气压值记入存储器，并实时计算当前为止的气压变化百分比传到后台软件（取值精度受气压表制约，要求用户使用高精度的气压表），用户可以根据此值对压力变化异常的开关及时检修。
3.3 开关储能机构运行状况监视
通过采集电机的运行电流，开关储能系统运行状况的监视系统就能得到电机的运行时间。电机的运行电流曲线如图6所示：
在电机启动的瞬间有一次大电流冲击，随着电机的启动电流迅速减小，但是随着储能弹簧的储能状态变化，电机电流逐渐加大，当弹簧储能完成后，接点断开电机电源回路，电机电流消失。endprint
电流变化百分比=■×100%
I：当前电机电流
In：出厂实验记录电流值
时间变化百分比=■×100%
T：当前电机运行时间
Tn：出厂实验记录运行时间
测控柜采集的电机电流为电机负荷最小时的运行电流值，该值通过计算相邻两点电流采样值的变化比来判断，再通过与正常的电机电流及运行时间的进行对比，我们就能够对储能系统的电机空转、卡转等情况进行判断。
3.4 刀闸操作机构状况监视
在对刀闸进行操作时，流过刀闸电机的电流与储能电机的电流波形类似，仅存在电流幅值和维持时间的不同，故对此波形采用和储能电机电流相同的处理方法，提取出电机电流的运行值和维持时间，和开关出厂时联调试验中所存储的标准值进行比较，得到操作电流和时间变化比例，用户根据此比例判断开关的刀闸机构是否需要检修。
4 前景展望
智能化开关电器是将计算机、信息技术与传统开关电器组合，而具有智能功能的开关电器，是国际上最近才兴起的一种产品，由于有明显技术优势，发展速度比较快。目前国内在高档开关柜中（组装柜），智能化率已达到50%以上，今后随着智能化技术更成熟，智能化单元、传感器等价格降低，会逐步在整个开关柜中普及。
参考文献
[1]包红旗.HGIS与数字化变电站[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]岳保良，包红旗.电气运行[M].北京：中国水利电力出版社，1998.
[3]汪彦，包红旗.GIS与HGIS在智能变电站中的应用分析[M].北京：中国高兴技术企业，2014.
作者简介：徐元兴（1955，6-），汉族，工程师，专科学历，上海电力专科学校，发电厂及电力系统专业，从事电力工程专业工作。
包红旗（1958，6-），汉族，高级工程师，本科学历，合肥工业大学，电气工程系，电力系统自动化专业，从事高电压专业工作。
汪彦（1975，8-），汉族，工程师，本科学历，南京大学电子工程系，电子科学与技术专业，从事电力系统自动化专业工作。
程华明（1976，1-），汉族，工程师，本科学历，华东船舶工业学院，焊接材料系，焊接工艺及设备专业，从事电力设备生产制造专业工作。endprint
电流变化百分比=■×100%
I：当前电机电流
In：出厂实验记录电流值
时间变化百分比=■×100%
T：当前电机运行时间
Tn：出厂实验记录运行时间
测控柜采集的电机电流为电机负荷最小时的运行电流值，该值通过计算相邻两点电流采样值的变化比来判断，再通过与正常的电机电流及运行时间的进行对比，我们就能够对储能系统的电机空转、卡转等情况进行判断。
3.4 刀闸操作机构状况监视
在对刀闸进行操作时，流过刀闸电机的电流与储能电机的电流波形类似，仅存在电流幅值和维持时间的不同，故对此波形采用和储能电机电流相同的处理方法，提取出电机电流的运行值和维持时间，和开关出厂时联调试验中所存储的标准值进行比较，得到操作电流和时间变化比例，用户根据此比例判断开关的刀闸机构是否需要检修。
4 前景展望
智能化开关电器是将计算机、信息技术与传统开关电器组合，而具有智能功能的开关电器，是国际上最近才兴起的一种产品，由于有明显技术优势，发展速度比较快。目前国内在高档开关柜中（组装柜），智能化率已达到50%以上，今后随着智能化技术更成熟，智能化单元、传感器等价格降低，会逐步在整个开关柜中普及。
参考文献
[1]包红旗.HGIS与数字化变电站[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]岳保良，包红旗.电气运行[M].北京：中国水利电力出版社，1998.
[3]汪彦，包红旗.GIS与HGIS在智能变电站中的应用分析[M].北京：中国高兴技术企业，2014.
作者简介：徐元兴（1955，6-），汉族，工程师，专科学历，上海电力专科学校，发电厂及电力系统专业，从事电力工程专业工作。
包红旗（1958，6-），汉族，高级工程师，本科学历，合肥工业大学，电气工程系，电力系统自动化专业，从事高电压专业工作。
汪彦（1975，8-），汉族，工程师，本科学历，南京大学电子工程系，电子科学与技术专业，从事电力系统自动化专业工作。
程华明（1976，1-），汉族，工程师，本科学历，华东船舶工业学院，焊接材料系，焊接工艺及设备专业，从事电力设备生产制造专业工作。endprint
电流变化百分比=■×100%
I：当前电机电流
In：出厂实验记录电流值
时间变化百分比=■×100%
T：当前电机运行时间
Tn：出厂实验记录运行时间
测控柜采集的电机电流为电机负荷最小时的运行电流值，该值通过计算相邻两点电流采样值的变化比来判断，再通过与正常的电机电流及运行时间的进行对比，我们就能够对储能系统的电机空转、卡转等情况进行判断。
3.4 刀闸操作机构状况监视
在对刀闸进行操作时，流过刀闸电机的电流与储能电机的电流波形类似，仅存在电流幅值和维持时间的不同，故对此波形采用和储能电机电流相同的处理方法，提取出电机电流的运行值和维持时间，和开关出厂时联调试验中所存储的标准值进行比较，得到操作电流和时间变化比例，用户根据此比例判断开关的刀闸机构是否需要检修。
4 前景展望
智能化开关电器是将计算机、信息技术与传统开关电器组合，而具有智能功能的开关电器，是国际上最近才兴起的一种产品，由于有明显技术优势，发展速度比较快。目前国内在高档开关柜中（组装柜），智能化率已达到50%以上，今后随着智能化技术更成熟，智能化单元、传感器等价格降低，会逐步在整个开关柜中普及。
参考文献
[1]包红旗.HGIS与数字化变电站[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]岳保良，包红旗.电气运行[M].北京：中国水利电力出版社，1998.
[3]汪彦，包红旗.GIS与HGIS在智能变电站中的应用分析[M].北京：中国高兴技术企业，2014.
作者简介：徐元兴（1955，6-），汉族，工程师，专科学历，上海电力专科学校，发电厂及电力系统专业，从事电力工程专业工作。
包红旗（1958，6-），汉族，高级工程师，本科学历，合肥工业大学，电气工程系，电力系统自动化专业，从事高电压专业工作。
汪彦（1975，8-），汉族，工程师，本科学历，南京大学电子工程系，电子科学与技术专业，从事电力系统自动化专业工作。
程华明（1976，1-），汉族，工程师，本科学历，华东船舶工业学院，焊接材料系，焊接工艺及设备专业，从事电力设备生产制造专业工作。endprint
