| 智能化斷路器的發(fā)展前景 |
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圖4 診斷系統(tǒng)總體框圖
傳感器要獲取的信號(hào)并不只局限于前面敘述的那些，一個(gè)智能程度較高的斷路器除電氣、機(jī)械、絕緣各方面的劣化或變異需自行監(jiān)測(cè)外，諸如氣體密封狀態(tài)、真空滅弧室的真空度、液壓機(jī)構(gòu)的液壓、組合電器中避雷器的特性劣化等也應(yīng)有相應(yīng)的自檢措施。
3 斷路器的智能操作
斷路器的智能操作是智能化斷路器最典型的應(yīng)用，它是將智能化技術(shù)引入到斷路器的電氣性能中去，它使斷路器能更好地完成開斷任務(wù)和提高開斷的可靠性，提高斷路器的綜合技術(shù)性能，無論是生產(chǎn)運(yùn)行還是對(duì)研究制造都具有十分重要的作用和價(jià)值。目前認(rèn)為，它至少應(yīng)包括以下兩方面;
一是要求斷路器的操作性能可根據(jù)電網(wǎng)中發(fā)出的不同工況自動(dòng)選擇和調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)或者滅弧室合理的預(yù)定工作條件。例如: 對(duì)于自能式斷路器的分?jǐn)嗖僮鳎∝?fù)載時(shí)觸頭以較低的速度分?jǐn)啵瓤杀ＷC所需的滅弧能量又可減少機(jī)械損耗，而在接到短路信號(hào)時(shí)則以全速分?jǐn)啵@得電氣和機(jī)械性能上的最佳開斷效果。目前，此類專家系統(tǒng)的開發(fā)已在進(jìn)行，變速操作打破了傳統(tǒng)斷路器單一分閘特性的概念，實(shí)際上是上述執(zhí)行功能的智能化，是對(duì)高電壓等級(jí)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的改造十分有益的嘗試。
再是要求斷路器在零電壓下關(guān)合，在零電流下分?jǐn)啵@與斷路器的同步分?jǐn)嗯c選相合閘的工況是完全一致的，同步分?jǐn)嗫梢源蟠筇岣邤嗦菲鞯姆治瞿芰Γ慌_(tái)低成本的小容量開關(guān)可分?jǐn)?0倍以上容量的電流; 選相合閘可以避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定，克服容性負(fù)載的合閘涌流與過電壓。在電力電子領(lǐng)域，近年來流行一種軟開關(guān)技術(shù)，使半導(dǎo)體開關(guān)器件在零電壓下關(guān)合，在零電流下分?jǐn)啵梢哉J(rèn)為: 電子操動(dòng)正是實(shí)現(xiàn)斷路器的軟開關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵。目前比較迫切的應(yīng)用是在:
(1) 并聯(lián)電抗器操作
(2) 電容器組操作
(3) 變壓器操作
(4) 輸電線路操作
每一種應(yīng)用對(duì)斷路器和控制裝置的性能提出某些要求，能從根本上解決過壓?jiǎn)栴}。這對(duì)推廣無功補(bǔ)償、穩(wěn)定電力系統(tǒng)意義極大。應(yīng)用真空觸發(fā)開關(guān)和一般電磁機(jī)構(gòu)真空開關(guān)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種選相合閘的并聯(lián)電容器組的投切，進(jìn)一步的工作將用有永磁機(jī)構(gòu)的智能化斷路器直接實(shí)現(xiàn)選相合閘。
永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)大大提高了機(jī)構(gòu)的可控性，由原來毫秒級(jí)的機(jī)構(gòu)控制時(shí)間分散性進(jìn)步到微秒級(jí)的電信號(hào)控制，由機(jī)械儲(chǔ)能、機(jī)械脫扣進(jìn)步到電儲(chǔ)能、電信號(hào)直接觸發(fā)動(dòng)作（電子脫扣）。真空斷路器新的操動(dòng)理論應(yīng)包括兩部分: 控制精度分析與可靠性設(shè)計(jì)，高可靠性控制電路的設(shè)計(jì)以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析與優(yōu)化。
斷路器的同步分?jǐn)嗯c選相合閘的實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)代傳感器技術(shù)使交流零點(diǎn)信號(hào)的拾取變得非常可靠和方便。同樣，我們也可以方便地取到交流電壓或電流變化率的零點(diǎn)（對(duì)應(yīng)正弦信號(hào)的峰值）信號(hào)。剩下的問題是控制信號(hào)在電壓或電流零點(diǎn)以前或它們的變化率零點(diǎn)以后什么時(shí)刻發(fā)出。
目前同步斷路器的發(fā)展還需進(jìn)一步的可靠性論證和設(shè)計(jì)，它的連帶意義是斷路器的完全可控，其發(fā)展可能成為最典型的新概念開關(guān)電器。
20世紀(jì)90年代ABB公司推出了CAT（即具有人工智能技術(shù)的斷路器，Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology）:CAT是專為ELF型SF6斷路器（敝開式）和ELK型封閉式組合電器（GIS）而開發(fā)和試驗(yàn)的，見圖5。
CAT為一模塊式電子，它由三個(gè)獨(dú)立的分相模塊所組成，可使斷路器在最佳投切時(shí)刻進(jìn)行每相的獨(dú)立操作。其效果為:減輕投切時(shí)的瞬時(shí)過電壓;減輕電流對(duì)設(shè)備的應(yīng)力。
對(duì)常常要使用分合閘電阻的高壓斷路器來說，CAT是一種可供選擇的可靠技術(shù)替代方案。CAT安裝在斷路器的控制回路中，具有處理來自電壓或電流互感器輸入的信息的功能，并在最佳操作條件的時(shí)刻發(fā)出斷路器操作脈沖。例如: 視電網(wǎng)參數(shù)不同而異，CAT能有效地將電容器組投入時(shí)的沖擊電流減低到其原有值的30%。對(duì)于有并聯(lián)補(bǔ)償線路的自動(dòng)重合閘，即使對(duì)長線路而言，操作過電壓值也能保持在2倍（標(biāo)么值）以下，在切除并聯(lián)電抗器的情況下，CAT能消除在斷路器內(nèi)有害的電弧重燃，因而防止了電抗器絕緣的劣化。
圖5 CAT接線示意圖
可以看出，CAT在一起程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器的受控操作，具有智能操作的一些特點(diǎn)。
實(shí)際上，國外十幾年前已開始相當(dāng)普遍地實(shí)際應(yīng)用相位控制高壓斷路器技術(shù)，下表簡(jiǎn)要說明相位控制高壓斷路器的作用。
工 況適用目的動(dòng)作準(zhǔn)確度*最佳開合時(shí)刻優(yōu) 點(diǎn)
空載變壓器投入關(guān)合涌流抑制 電壓變動(dòng)抑制±2ms中性點(diǎn)接地: 各相電壓峰值 中性點(diǎn)不接地: 首相電壓峰值，后二相相間電壓峰值不需合閘電阻，防止繼電器誤動(dòng)，提高電壓穩(wěn)定性
電抗器投入過電壓抑制
（2P.u.以下）±2ms
同上
延長斷路器檢修周期
電容器投入過電壓抑制 合閘涌流抑制±1.5ms中懷點(diǎn)接地:
各斷口間電壓為零
中性點(diǎn)不接地:
首二相相間電壓為零第三相極間電壓為零延長斷路器檢修周期 不用串聯(lián)電抗器
空載線路投入過電壓抑制
(1.3-1.7p.u.)
±1.5-2.0ms 不用合閘電阻或電路避雷器，電壓穩(wěn)定性提高
快速自動(dòng)重合閘過電壓抑制 同電容器投入
電抗器開斷防止復(fù)燃燃弧時(shí)間:
0.5周波以下 降低設(shè)備絕緣水平
電容器開斷防止復(fù)燃及重?fù)舸┤蓟r(shí)間:
0.5周波以下 降低成本設(shè)備絕緣水平
*±30以內(nèi)
4 智能型高壓電器有關(guān)問題的探討
斷路器智能技術(shù)不僅是概念上的轉(zhuǎn)變和理論上的發(fā)展，而且是在眾多領(lǐng)域中技術(shù)上的突破，它的實(shí)現(xiàn)必然會(huì)應(yīng)用一些新技術(shù)、新材料、新工藝，不斷提高產(chǎn)品的檔次和技術(shù)含量，但是在這個(gè)過程中，核心的問題是信息的采樣傳輸與控制系統(tǒng)，這些領(lǐng)域中，有的技術(shù)相對(duì)成熟，有的尚處于開發(fā)研制與試運(yùn)行階段，需要一個(gè)不斷總結(jié)提高和完善的階段，具體有下列方面:
4.1 關(guān)鍵技術(shù)
4.1.1 傳感技術(shù)。局部放電、高壓導(dǎo)體測(cè)溫、高壓側(cè)電流和電壓的測(cè)量技術(shù)，特別是目前正在開發(fā)研制的光電流、電壓傳感技術(shù)等難度較大的傳感技術(shù);
4.1.2 微機(jī)技術(shù)。開發(fā)出成功的智能化軟件是微機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵。而軟件系統(tǒng)中，主程序則是核心程序。
主程序首先完成單片機(jī)和外圍接口芯片的初始化; 之后，主程序不斷檢測(cè)并顯示斷路器的工作狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)上位機(jī)的要求與之通信，傳遞有關(guān)的控制和狀態(tài)信息。
4.1.3 抗電磁干擾技術(shù)
研究表明，系統(tǒng)中常態(tài)噪聲是工頻50Hz及其高次諧波，一次回路中發(fā)生的任何形式的暫態(tài)過程（如各種過電壓和各種短路故障）以及載波通訊信號(hào)，都會(huì)通過不同的途徑耦合到二次系統(tǒng)。此外，高電場(chǎng)引起的電暈及污閃也要產(chǎn)生電磁輻射，二次控制回路的開關(guān)電源由于其浪涌噪聲也會(huì)對(duì)電量傳輸帶來擾動(dòng)。大功率電磁鐵動(dòng)作時(shí)引起空間磁場(chǎng)的變化，還會(huì)在附近的導(dǎo)電回路中感應(yīng)出電流，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的控制電路帶來考驗(yàn)。解決電磁兼容問題就要針對(duì)各干擾源，嚴(yán)格屏蔽、隔離與接地措施，信號(hào)的數(shù)字化傳輸可以大大緩解干擾的影響程度，引入光電轉(zhuǎn)換不但可以進(jìn)行電氣隔離，還可以保證信號(hào)傳輸過程不受電磁場(chǎng)的干擾。
由于智能化斷路器的信號(hào)傳輸與控制系統(tǒng)的工作電壓和信號(hào)傳遞電平低，耐壓水平低，外界電磁場(chǎng)干擾很容易使其失效或損壞，而這種情況對(duì)于傳統(tǒng)電器調(diào)和的影響是不大的。因此，電磁兼容是斷路器智能化的新課題。
4.1.4 信號(hào)處理技術(shù)。對(duì)有些技術(shù)來說，獲得監(jiān)測(cè)信號(hào)只是第一步，必須進(jìn)行故障診斷才能作出判斷、決策。如局部放電監(jiān)測(cè)所得復(fù)雜信號(hào)需要進(jìn)行故障診斷才能實(shí)現(xiàn)故障分類、故障定位、預(yù)期壽命估計(jì)等; 用機(jī)械振動(dòng)法監(jiān)測(cè)斷路器機(jī)械狀態(tài)也需對(duì)獲取信號(hào)作處理才能正確辨識(shí); 目前對(duì)于斷路器電弧狀態(tài)的研究，也是從電弧電壓入手，通過軟件的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧狀態(tài)的診斷。
4.2壽命問題
一般來說，電子設(shè)備的使用壽命遠(yuǎn)低于高壓電器設(shè)備本身的壽命，這是一個(gè)矛盾。解決的辦法有:
4.2.1提高電子設(shè)備的可靠性，這可以從設(shè)計(jì)、制造及適當(dāng)改善運(yùn)行條件幾方面著手;
4.2.2應(yīng)有自檢功能;
4.2.3采用綜合判斷;
4.2.4對(duì)于相同功能的部件，采用模塊化設(shè)計(jì)，以降低成本增加備用量，達(dá)到總體上提高電子設(shè)備的可靠性。
4.3經(jīng)濟(jì)問題
當(dāng)前在計(jì)算機(jī)等設(shè)備不斷降價(jià)的情況下，監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格也不斷降低。這種趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)下去。但無論如何，仍要相當(dāng)經(jīng)費(fèi)。如日本三菱公司在’97國際電力設(shè)備及技術(shù)展覽會(huì)上顯示的GIS監(jiān)測(cè)設(shè)備包括局部放電等約10項(xiàng)內(nèi)容的裝置，價(jià)格不超過GIS本身的1/10。這比幾年前聽到的1/3要便宜不少。如采用國產(chǎn)設(shè)備還會(huì)便宜得多。
國外也十分關(guān)心監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)問題，并作出了不少經(jīng)濟(jì)分析。如有用下列公式作為采用監(jiān)測(cè)設(shè)備的條件: |
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| 出處：徐州供電公司 作者：方可行 |
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