智能高压开关设备的在线监测技术探讨

闫站正，程丽华，张煜烽

（河南省高压电器研究所有限公司，河南 平顶山 467000）

0 引 言

高压开关的在线监测可以实时不间断监测开关设备的主要参数，不仅可以显示设备目前的实际运行状态，而且可以全面分析所有关键参数的实际变化情况，准确判断存在发生故障的可能性。这样电力设备不再是定期维修而是状态维修，使得设备有相当长的维修周期，减少了维修费用，确保了设备稳定运行，保证了供电质量，对促进社会和国家经济发展具有重要意义。

1 智能高压开关设备的特点

通常，智能高压开关设备的特点主要体现在以下三个方面。第一，状态可视化。在智能高压开关设备运行中往往利用有关的检测设备达到智能组件状态可视化，以促进信息之间的互动，提高智能电网运行水平。第二，控制网络化。相对于传统的高压开关来说，这种高压开关设备有着相当高的网络控制水平，利用有关的监视系统和操作系统完成信息分布采集，

利用驱动执行器实现控制功能，以实现网络化的功能控制。第三，数字化测量。在智能高压开关设备的有关参数和部件实际运行中，经常使用可测量设备24 h监测高压设备的运行情况，如设备的电压信号、操作压力等，是该类型高压开关设备的显著特点。正是因为智能高压开关设备具有以上特点，才可以为智能电网安全稳定运行提供有力的保障。

2 智能高压开关设备的在线监测技术分析

2.1 中置抽出柜柜中、断路器手车触头位置温升监视

2.1.1 异常温升的原因

温度是一种物理量。许多设备发生故障的关键原因在于异常温升。在日常运行中，高压电器导电回路长期将工作电流产生的能量转化成热能，导致电器材料温度升高。一般来讲，比规定范围低。但是，若导电回路的接触电阻偏高，就有可能造成电器材料温度上升速度偏快，影响电器材料的多个方面，如机械强度、物理性能等。因此，有些规定明确了不同类型电器材料的适合长期工作温度。

动触头与静触头在高压断路器的手车结构中是基本元件。当这两个触头发生接触时，相互之间有一个接触电阻。若此接触电阻偏大，温度上升会比规定值高，易导致两个接触部位迅速氧化，而氧化会增加接触电阻，必定使发热速度更快，不仅提高温度，而且很有可能直接烧毁电弧。中置抽出式高压开关柜有显著的特征，如便于安装、体积较小以及结构相当紧凑等，最近几年得到了普遍应用。由于工艺不适合、弹簧材料质量不达标等原因，断路器手车触头处比正常范围大，造成异常温升而烧毁高压断路器手车动和静触头，进而导致电力系统断电，造成重大的经济损失。

2.1.2 CG2061型高压断路器触头温升在线测量装置原理

CG2061型高压断路器触头温升在线测量装置通过将热敏电阻传感器埋置在动触头位置测量该位置温升，并通过射频技术向低电位端无线传输高电位端收集的地址信号和温度。此装置也可以测量抽出柜柜中湿度和温度。装置主要是由两部分组成：一是处在高电位位置的高端模块，二是处在低电位位置的低端模块。

2.1.3 测量装置测温的原理

处在高电位触头端的模块一主要是由信号发射部件、热敏电阻以及接收部件等构成，安装于触头周围[3]。因为高压端发热点周围安装高压端发热点，当触壁异常温升时，说明该模块所处的区域是高温条件，这时高压端的传感器模块要选用军用级标准器件，工作温度能够超过125 ℃。如果高电位母线通过高于50 A电流，它的输出会提供信号发射和信号处理，出现在触头附近的热敏电阻将该位置发出的温度模拟量信号传送给信号处理部件，使用适宜的微处理机芯片实现温度模拟量信号变成脉冲数字信号，然后通过发射部件来发射。通常，模块一的接收部件是以接收低端模块的地址命令和接收命令为主。

在开关柜上边的仪表室中安装低端模块二。它由多个部分构成，如报警输出等。由接收部件接收高端模块一发射的载波信号，通过科学处理和解调，在低端模块二的面板上显示被测位置的传感器地址号和温度值；通过微处理机芯片正确辨别是否高出提前设定的温度门限，若被测位置的温度值高于温度门限，迅速发送报警触点信号；利用RS485串行接口，低端模块二接收的信息经光纤及时传送给数据采集终端。低电位端模块二的监控芯片选用8位高速单片机W77E58芯片。该芯片的8位I/O外设接口有4个，能够便于显示、采集以及控制现场数据，且能够控制数据传输。

2.2 永磁操动机构断路器远方监视

2.2.1 断路器驱动电流与位移曲线拐点时间相一致的特征

就永磁操动机构真空断路器来讲，这是一种新型的真空断路器。因为永磁机构输出特性与真空开关负荷特性相同，所以操作机构与开关之间可以直接连接。通过永磁铁的磁力使断路器保持在分与合部分，但分闸操作和合闸操作通过电磁力完成，省去损耗较大的零件，可以减少很多零件，避免机械在运行中出现振动情况。日本三菱企业开发出能够模拟断路器的暂态电磁场和运动有机结合的解析方式，而且在驱动作用下完成解析演算。这种方式通过三维静电磁场来阐述。断路器驱动过程中的线圈位移波形和电流波形如图1所示。

图1 断路器驱动时的线圈电流波形与位移波形图

由图1可以发现，断路器驱动期间，位移波形与电流波形中发生拐点的时间相同。最初通电时，永久磁铁的电磁力较大，动铁心保持不变；若线圈中有较大的电流，动铁心会逐渐与合闸端面分开，移动到分闸端面。在动铁心位置最初移动时，线圈电流是峰值，接着因为受到铁心移动产生的电动势影响而越来越小，最后动铁心与绝缘杆和动触头形成一体移动。所以，在一段时间后可移动部分的重量也会有所改变，且动铁心移动速度自然也会发生变化。在某个时刻，线圈电流拐点和位移波形拐点相对应。

2.2.2 以驱动机构为依托的电流分析监视技术

初期断路器线圈电流波形和机构可动件位移波形出现拐点时间相同。在拐点时间方面，触头已电弧烧损的断路器线圈电流波形和机构可动位移波形一样[5]。因此，通过电流波形的拐点时间变化检查机构操动特性异常，仅仅是对线圈电力报信进行24 h监测，不仅可以提取电流波形改变的电流值，而且可以提取电流波形改变的时间，能够实时分析真空断路器性能，无需测量位移特性。通过对VCB永磁操动线圈电流波形进行24 h监视，必定可以及时发现VCB故障出现的种种迹象。这样就从以前的定期维护向状态维护转变，也就是变成“按状态”维护方法。这种维护方法能够省略设备寿命前的停电作业和维护检查作业，以明显减少寿命周期费用。

3 智能高压开关设备的在线监测功能

3.1 SF6状态监测功能

使用SF6密度继电器随时采集SF6气体的各项状态信息如温度、密度等，实现在线监测。即便无人值守，也可以及时掌握设备的运行情况，了解设备是否正常运行。如果运行异常，系统会自动报警，以免造成重大的损失。此方法不仅可以在新建变电站的气体状态监测中运用，而且便于改造已运行的变电站。仅仅需要将以前的机械表变成SF6密度继电器，更换中不需要将本体放气，也无需将三通阀块更换，简单方便。

3.2 局放监测功能

局部放电监测系统能够及时找到GIS中的绝缘缺陷，实现事先预防、定点检修，确保设备正常运行。结合每种工程方案推荐不同的模式，一种是内置局放传感器，另一种是外置局放传感器。就新建变电站来讲，可以运用内置传感器的方法，事先在本体中预埋传感器。在改造已运行变电站中，可以采用这两种模式。内置式局放传感器具有较强的抗干扰能力和较高的测量精度，但必须要将本体打开来安装，停电时间相当长[6]。外置局放传感器便于安装，不需要将本体打开，停电时间相当短，然而与内置式局放传感器相比，测量精度较低。就监测模式来讲，主要有在线监测和离线监测两种。前者能够实时监测GIS内部绝缘缺陷，做到实现预防、定期检修，确保设备安全运行。然而，必须要安装局放在线监测IED，所以成本较高。后者只可以实时监测GIS内部绝缘缺陷，实时性较差，成本低，便于后期改造成在线监测，仅仅安装一套局放监测IED节课。因此，应该将局放传感器预埋内置在新建的电站中。

3.3 避雷器状态监测功能

使用远传避雷器能够通过监测经过避雷器的动作次数、泄露电流等，科学分析其有功损耗和阻性电流，充分反映避雷器的实际绝缘状态，且及时向后台系统上传测量结果[7]。此方法便于实施已运行变电站与新建变电站。对已经投入运行的变电站，仅仅需要将以前的避雷器计数器变成避雷器在线监测器，更换中不需要将本体放气，安装方法相同。

4 结 论

供用电的可靠性不仅要求开关设备具有较强的性能，而且要求技术人员改变维护思想，即将定期维护转变成按状态维护。随着微电子技术、传感器技术等的日益发展，中央控制单元可以快速获取现场情况，便于在中央站实时监测现场运行过程中的开关柜，“按状态”维护高压电器设备。以往维护方法向“按状态”维护方法转变，离不开电器制造企业和电力部门的共同努力。电器制造企业将在线监测技术作为统一制造和设计的一部分，能够减少电器产品制造后又补装在线监测设备的安装成本，省去了诸多麻烦。