树干式高压开关柜在线监控系统的功能设计

季明里

【摘要】本文阐述了某型高压开关柜在线监控系统的功能设计问题，明确了高压开关柜在线监控的目的和意义，归纳了作者对高压开关柜的操作经验和故障识别经验，本文对该类型高压开关柜的在线监控系统的设计和运行具有指导意义。

1. 引言

当代高压开关柜的操作逻辑都具备五防联锁机制，但是，高压开关柜的当前运行状态的展示不够全面，不论是在高压开关柜本地更不能够远端状态展示。近年来随着我国信息技术的高速发展，工业设备“上云上平台”的技术浪潮，也推动了电力系统的配网自动化过程。不同的一次结构的高压开关柜的运行监控的目的和意义也不同，但是，共性的功能特点可以归纳为：

（1） 监控系统能够生动直观的展示关键一次元件的状态;

（2） 监控系统应该能够具有一定的故障诊断的能力和故障定位的能力;

（3） 监控系统具有本地指示和远端接入指示的功能;

（4） 监控系统应充分考虑配网自动化的行业技术趋势;

2. 基于运行和控制的测量和功能

2.1系统网络层功能和结构;

（1）系统的顶层结构是一个典型的工业互联网系统，系统硬件在设备端是包括一个网关设备相应的传感器元件;

（2）系统在数据链路层包括，加密、数据时标、断点续传等功能结构;

（3）系统在云端结构上需要一个完备的API接口，以接入上一级的配网自动化系统;

（4）本文研究的对象系统是，企业专用的高压配电线路，操作控制不影响企业以外的其它用户;

2.2系统设备层功能和结构;

（1）断路器机械特性的监测

高压开关柜里面的一个主要器件就是断路器，而断路器的故障大多数是发生在它的机械机构，所以对于断路器的实时监测非常重要，也是为了很好地保障开关柜的正常稳定地工作。断路器的机械特性一般有动作时的速度、反应的时间、运行的过程。这些特性可以通过一条曲线来分析，亦即是行程-时间曲线，亦即是当断路器接收到分闸或者是合闸的信号时，完成这个信号相应的动作与其所需要的时间之间的关系曲线。而断路器的一个重要作用是灭弧，如果断路器的动作过慢，就会延误灭弧的时间使得开关不能及时断开。如果断路器动作过快，会产生较大的冲力，长时间加大接触点的磨损，导致使用寿命变短。对于高压开关柜要使用的测量柜内断路器机械特性的传感器的要求比较高，一方面测量的时候不能够影响到断路器的正常工作和对其性能产生损坏，而且对于断路器分、合闸时那一瞬间的时间点要及时测量反映出来，所以对于这样的准确性较高。另一方面测量的器件要适合在高压开关柜内这种恶劣的环境之下尽可能地长时间稳定地工作，所以在体积和性能方面也有较高的要求。

断路器机械特性测量一般采用光栅位移传感器，光栅式传感器是运用了光栅条纹的原理来测量位移的传感器。光栅指的是一块条形状的光学玻璃上面分布着密集的相等距离的平行的刻线。这些光栅形成的叠栅条纹有光学放大作用和将误差平均化的作用，这两个作用可以帮助提高测量的精准程度。当标尺的光栅相对于指示光栅而有移动的时候，就会形成大致呈现正弦分布的明暗相互间隔的叠栅条纹。这些条纹会以光栅的相对运动速度移动，并且直接照射在光电元件上，然后会输出一段脉冲，通过处理后会得到数字信号，这样就能转换成为位移的信息显示出来。这种传感器的优点是可用的测量范围大和精确程度高。可以测量静、动态的直线运动的位移和整圆运动的角位移。常常运用到机械动作的测量、物体变形的测量等领域。

（2）基于光学原理的局部放电测量

紅外线温度传感器属于不直接接触测量温度的点的器件，它是通过测量红外线光也就是光的波长在红光以外的光线来测量温度。这里面的原理是当物体的温度超过了绝对零度，物体就会向外辐射出红外线。这种辐射的物理性质是热辐射，即是物体有高于绝对零度的温度时辐射出电磁波。当温度越高辐射出的红外线就会越多，而这种温度传感器会接收这物体辐射出来的红外线然后发生变化，通过观察这项变化的参数就可以知道温度的变化。

这种传感器价钱便宜，测量的时间短，不需要直接接触测量点，对开关柜内的工作影响小。但是这种传感器只能够测量物体表面的温度，不能测量里面的温度，不容易确认到柜里面接触点的发热情况，而且如果是测量的是比较光亮或者是抛光的金属表面，会因为光线会有反射而使到所得的数值不准确，测量得到的数据并不算是能够实时接收到。再加上使用这种传感器还要注意使用的环境条件，如果传感器和测量物体之间有蒸汽、灰尘、烟雾等，这些大颗粒物体会阻挡到传感器的系统而影响到测量温度的准确度。并且这种传感器需要有人定时过来巡逻，查看它的测量工作是否受到其他因素的影响。

基于光学摄影机的测量，除了测量温度还能够测量到局部放电等故障先兆信息。

3. 基于故障诊断的测量和功能

3.1绝缘材料的放电故障

这类型的故障一般是由于开关柜里面的一些绝缘器件、绝缘物体的绝缘能力抵挡不住外面加进来的电压的强度，从而发生放电现象，强度更大的话还可能会发生击穿的故障事故。 而且这个过程可能会经过一段时间才会被发现，所以会造成长期性的不良影响。开关柜放电的一种原因是产生了过电压，常见的比如有谐振过电压、雷击造成的过电压等会造成绝缘材料在电场的作用下未发生结构的击穿时，它的表面或者是与接触的空气中发生的发电现象，叫做绝缘闪络，最后诱发相间或弧光短路事故和单相对地弧光接地事故。第二种放电的原因是由于开关柜是一种封闭式的结构，里面的通风条件比较差，当潮湿造成柜内湿度上升，会使得绝缘的性能变差引起发电。还有一种原因是母线和元器件的制作存在棱角、毛刺，导致绝缘表面电场分布不均匀，尖端的电荷比较密集引起尖端电晕放电。最后还有的原因是开关三相触头之间、三相线之间的间距偏少，没有达到安全间隔距离。开关柜里面母线与套管之间形成大小不相同的间隙，这样使到这间隙里面的场强不够均匀，而造成电位差较大使得间隙击穿。

3.2柜内的过热故障

开关柜一般比较容易过热的地方是手车的触头、电流互感器、母线的连接点，开关柜内有过大的电流或者里面的器件因为长期工作使得电阻增大而发热，而且开关柜的密封式结构在工作状态下是不能够开柜来检测的，因此经常会有不能够及时发现过热故障而造成很大的影响。具体来讲一般柜内过热的原因有工作人员在安装、测试、检查维修和操作使用的时候没有按照规章来进行。或者是因为短路等原因使得柜内电流过大，使得柜内的一些抵抗大电流能力比较薄弱的地方开始损坏，未能够及时发现损坏变形的地方并且进行维修导致不断恶化。还有的原因是开关柜长时间工作，没能够及时跟换过旧的开关柜，由于长期服役导致容易出现发热故障。

3.3断开与闭合故障

故障一般是由于断路器的故障所造成的，开关柜使用的其中一种是真空断路器，这种断路器的灭弧介质和灭弧之后触头间隙的绝缘介质都是真空，而真空断路器故障一般是因为灭弧室以及波纹管漏气、真空的程度降低陶瓷管破裂等。使得断开闭合的能力下降和出现电弧，当开关的触头以及触头附近的介质有较多的游离的电子，在开关断开的时候如果有较大的电压通过，电压达到一定强度会使到游离的电子形成电弧，就会使到原本断开的电路重新接通，造成危害。

3.4拒动、误动故障

这故障一般是断路器在分闸、合闸的过程中当需要它工作的时候没有发生动作，而需要它保持状态，不进行动作时，它却在没有指令的情况下有动作。一般这种故障的原因是由两类型造成，原因之一是因为操动机构亦即是使断路器的触头按照指定的顺序和方式来进行接通与断开的机构，还有传动系统的机械故障造成，具体的状况是机构工作时的卡涩，里面的部件出现变形、位置的偏移或者损坏等。另一类是因为电气控制和辅助回路造成，具体的状况是二次接线接触不良、接线错误，作为分合闸功能的线圈因为机构的卡涩或者是转换开关的损坏而导致烧损等故障。

4. 结论

（1） 高压开关柜的功能设计从两个方面考虑，第一是基于运行和控制的功能方向，第二是基于故障诊断的功能方向;

（2） 系统功能的具体设置需要结合用电特点和用电区域的具体情况来设置;

（3） 本文对于基于工业互联网的企业自建配网自动化系统的创建具有参考意义;

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