中压开关柜智能化解决方案的分析与研究

侯明情

(福州加百安电子有限公司 福建 福州 350000)

一、前言

在电力系统中，开关柜地位至关重要，传统的检维护方法成本较高、智能化不足，且会缩短设备的使用寿命，存在诸多弊端。本文针对开关柜的现状，提出中压开关柜的智能化解决方案，既能实现从故障、定期维护到状态维护检修的跨越，又能满足我国智能电网发展的需要，为相关研究提供重要的理论基础。

二、概述

中压开关柜指的是3.6～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备，装有以断路器为主要开关元件的成套开关设备，在配电系统中主要功能是接受和分配电能。据相关资料统计，全球每年因不可靠的电力系统造成的经济损失约为800亿美元。开关柜是输配电系统的关键部分，其正常工作与否直接影响电力系统的可靠性，所以使用单位十分重视开关柜的维护。什么时候维护以及如何做到智能、精准维护的问题一直困扰着用户和运维人员，也影响到智能电网的发展。

三、传统开关柜维护方法不足与系统解决方案

(一)传统开关柜维护方法及存在的不足

目前，在行业内开关柜普遍的维护方法有故障维护、定期维护和风险维护。故障维修是检测到异常后进行的维护，其目的是使设备恢复到正常运行状态。该维护的基本原则是：故障停机及维修成本低于维护方案；定期维护是按照既定的时间间隔进行维护，旨在降低设备的故障风险或性能退化。该维护对停机设备执行定期检查，包括目视检查、设备清洗、机械部件润滑、磨损部件更换及例行测试。根据停机设备的需求来制定维护周期计划，可降低运行故障的发生率；风险检修是根据标准定期维护，通过整合分析报告、测量数据及定期测试活动而执行的维护。结合设备在系统中的环境、运行及工艺条件，审查收集的信息。目的在于执行设备状况及风险评估，并确定适当的维护方案。所有显示异常值的设备都得到维修或更换，以延长设备使用寿命，并确保供电的高效、可靠。

上述三种维护方法虽能在一定程度上解决开关柜稳定性问题，但依然存在针对性不足、智能化不够和过度维护等问题，既带来高昂维护费用支出，也降低了设备的使用寿命。

(二)中压开关柜智能化解决方案

传统维护方法存在困境，皆因无法直观、智能感知设备在各个阶段所处的状态。若能构建一套智能系统，让维护人员直观感知设备所处的状态，则能真正意义上实现设备的状态检修。状态检修是根据设备性能监测并据此采取纠正措施而执行的智能维护。通过在线检测工作设备的重要参数，并将其与平均值和平均性能自动比对，进而对设备实际状况进行智能评估。当某些指标显示设备正在退化且失效概率正在上升时立刻发出实施维护或指令信息。

如图1所示，从长远来看，状态检修能够大幅减少维护成本，最大限度减少重大事故的发生，并优化现有经济资源管理。

(三)中压开关柜智能化系统的构建

中压开关柜智能化系统是以常规开关柜为基础，在主回路关键位置集成先进传感器和智能化在线监测装置，利用无线射频组网等信息技术，实现各节点的物联，通过智能监控装置这个“大脑”进行建模分析设备状态，从而实现设备状态的可视化感知。

智能监控装置能实时分析开关柜的健康状况发出预警，并指导运维人员进行相应的检修和维护工作，使得设备自身的使用效率和安全性也得到提高。通过搭建移动通信平台和先进的人机交互技术，无论是本地还是远程，运维人员都可随时随地了解开关设备的运行状态，进而在事故发生前或在其发展成重大缺陷前对其进行纠正。开关柜由断路器和柜体组成，所以智能化系统主要体现在断路器智能化和柜体智能化：断路器智能化改造方案是通过对断路器触臂、线圈、储能电机和手动手车等部件进行全部或定制升级，从而实现对断路器一次侧关键点温度、二次元件状态及机械特性的监测和手车程序化操作；柜体智能化改造方案是在断路器智能化改造方案的基础上，通过对柜体上分支母线、电缆搭接部位和手动地刀等部件进行全部或定制升级，进而实现对柜体内一次侧关键点温度监测和地刀程序化操作。具体包括构建温升实时监测单元、断路器二次元件及机械特性监测单元、断路器手车电机驱动单元和开关柜接地刀电机驱动单元四大单元。

(1) 温升实时监测单元。温升实时监测单元是为了实现对开关柜内关键节点温度监测而开发的无线数据采集器，包括断路器触头温升监控子单元，柜体分支母线温升监控子单元、电缆温升监控子单元，采用先进的无线方式连接，可实时获取触头系统及铜排搭接等位置的温度值。多个温升监控子单元组成一个低成本、低功耗、短延时、高容量、高安全的近距离无线网络，实现节点握手、多节点组网、数据交换、数据路由等功能。利用可靠的无线射频技术，轻松的使高低压侧数据交换进行了彻底的电气隔离，使开关设备主回路温升监测成为可能。

(2) 断路器二次元件及机械特性监测单元。断路器二次元件及机械特性监测单元是为了实现对断路器内储能电机、分闸线圈、合闸线圈的状态进行监测而开发的数据采集分析系统。其内部采用先进的霍尔元件来感应储能电机、分闸线圈、合闸线圈等执行设备导致周围的磁场变化，从而实现非介入式电压电流测量。断路器二次元件及机械特性监测单元与断路器储能电机、分闸线圈和合闸线圈相连接，在执行设备动作时，对其电压、电流进行记录分析。在分合闸的同时，配合一对辅助开关可实现对断路器分合闸时间的检测以及断路器合分闸速度的计算。通过对断路器二次元件的电压电流进行实时监测，运维人员可通过对故障波形的分析，前后数据的对比，实现对二次元件潜在故障的快速诊断。

(3) 断路器手车电机驱动单元。断路器手车电机驱动单元是为了实现电动手车功能开发的多功能电机驱动器，其与智能化断路器电动手车相连接，可根据指令控制电机实现断路器手车的电动摇进、摇出。同时，系统可实时监测并判断电机是否工作正常。当电机运行受阻达到保护条件时，立即对电机制动，随后逆向驱动电机解除卡死，以便顺利实现电动向手动切换。

(4) 开关柜接地刀电机驱动单元。开关柜接地刀电机驱动单元是为实现电动地刀功能开发的多功能电机驱动器，其与电动地刀相连接，可根据指令控制电机实现地刀电动关合、断开。通过借鉴断路器手车电机驱动系统的经验，效避免由地刀机构遇到障碍或卡阻所导致的电机堵转甚至烧毁情况的发生。中压开关柜智能化系统实现功能包括：温度监测、真空度监测、执行机构监测及状态显示等(图2)。

在智能化系统中，开关设备的状态评估和故障诊断是实现状态维护的关键。设备的状态评估和故障诊断是一个复杂的分析过程，在具体实践过程中，仍可以采用系统和人工相结合的决策方式，使判断更加敏锐、及时和准确。

(四)结语

综上，本文提出的中压开关柜智能化解决方案能智能感知设备的各种状态，提醒运维人员进行针对性维护，避免出现过度维护现象，减少用户维护成本支出，使得状态检修成为可能，并能满足我国现阶段电网智能化发展的各种需要，具有较好的发展前景和应用价值。