隨著電力系統(tǒng)越來(lái)越高的可靠性及自動(dòng)化要求，無(wú)論是發(fā)電、輸電、配電還是用電，都提出了監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)等方面的自動(dòng)化和智能化的要求。斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的控制元件，它的自動(dòng)化和智能化是電器設(shè)備智能化的基礎(chǔ)。斷路器的智能化不是通常所想的，使用計(jì)算機(jī)就達(dá)到了智能化。它必須盡可能地應(yīng)用電弧自身的能量，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的自診斷，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可控操動(dòng)，并且配置最新傳感器技術(shù)，微電子技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，智能化的概念才比較完整。

　　 一般來(lái)說(shuō)，智能化電器設(shè)備除滿足常規(guī)電器設(shè)備的原有功能外，其功能主要表現(xiàn)為:

　　1、應(yīng)具有靈敏準(zhǔn)確地獲取周?chē)�大量信息的感知功�?

　　2、應(yīng)具有對(duì)獲取信息的處理能力;

　　3、應(yīng)具有對(duì)處理結(jié)果的思維判斷能力，對(duì)處理結(jié)果的再生信息的實(shí)施及有效操作的實(shí)施功能。

　　圖1斷路器智能化工作框圖

　　圖1概要說(shuō)明了一種兼有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和傳感裝置的智能化斷路器工作原理。主要的傳感器可探明氣體密度，通過(guò)監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)和能量變化，反映操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)。氣體密度傳感器發(fā)出的信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，確定趨勢(shì)走向以及檢測(cè)極限值，并能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)常規(guī)的SF6氣體的鎖定和報(bào)警功能。同樣，在運(yùn)動(dòng)傳感器和能量傳感器的幫助下，操作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。另外，這些傳感器的信號(hào)可同時(shí)用于常規(guī)的位置指示和電動(dòng)機(jī)控制功能上。

　　如果需要，還可在基本系統(tǒng)中增加傳感器。根據(jù)對(duì)周?chē)鷾囟鹊臏y(cè)試結(jié)果，對(duì)狀態(tài)變化(以及反映出的趨勢(shì)信息)作出更準(zhǔn)確的評(píng)估。對(duì)于沒(méi)有串行接口至更高一級(jí)層面的系統(tǒng)，進(jìn)行時(shí)間記錄十分有助于對(duì)變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。附加的電流電壓傳感器實(shí)現(xiàn)斷路器設(shè)備功能最優(yōu)化的基礎(chǔ)。

　　總的來(lái)看，可以歸納智能化斷路器的操作過(guò)程為:智能控制單元不斷從電力系統(tǒng)中采集某些特定信息，據(jù)此來(lái)判別斷路器當(dāng)前的工作狀態(tài)，同時(shí)處于操作的準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)變電站的主控室因系統(tǒng)故障由繼電保護(hù)裝置發(fā)出分閘信號(hào)或正常操作向斷路器發(fā)出操作命令后，控制單元根據(jù)一定的算法求得與斷路器工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)定的最佳狀態(tài)，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整至該狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作。顯然，智能控制單元是斷路器智能操作實(shí)現(xiàn)的核心部件。

　　1智能控制單元

　　智能控制單元是智能化斷路器的靈魂，它是以微處理機(jī)為核心部件，綜合應(yīng)用傳感技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù)，以完成斷路器的智能操作，實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化。

　　智能控制單元的基本功能有:1.1自動(dòng)識(shí)別斷路器的工作狀態(tài)

　　斷路器的工作狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別是實(shí)現(xiàn)智能操作的前提。對(duì)于超高壓斷路器而言，其任務(wù)主要有分?jǐn)喽搪冯娏鳌⒇?fù)載電流、過(guò)載電流、小容性電流和小電感性電流等。1.2自動(dòng)調(diào)整斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　這是控制單元的核心功能。因此控制單元必須在識(shí)別斷路器工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定與之相對(duì)應(yīng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整量。1.3記錄并顯示斷路器的工作狀態(tài)

　　由于斷路器在大多數(shù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)是不動(dòng)作的，在此期間，本單元的任務(wù)是對(duì)斷路器的工作狀態(tài)不斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)它還記錄斷路器每次開(kāi)斷情況，包括開(kāi)斷電流的大小、開(kāi)斷類(lèi)型及是否發(fā)生拒分或拒合等信息。短路時(shí)還應(yīng)記錄短路電流的變化過(guò)程，以便于電力部門(mén)進(jìn)行事故分析及斷路器的維護(hù)。同時(shí)，也可通過(guò)斷路器累積開(kāi)斷電流的大小來(lái)表示斷路器觸頭的燒蝕情況。1.4具有與遠(yuǎn)端主機(jī)進(jìn)行通信的功能

　　控制單元可以根據(jù)主機(jī)的要求將斷路器的開(kāi)斷記錄及其他數(shù)據(jù)經(jīng)信息傳輸接口上網(wǎng)傳送至上位機(jī)，并通過(guò)上位機(jī)經(jīng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)將操作命令及保護(hù)參數(shù)、保護(hù)及重合閘方式等配置要求傳送過(guò)來(lái)。

　　2對(duì)斷路器工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷

　　 監(jiān)測(cè)與診斷是智能化電器設(shè)備的重要環(huán)節(jié)，很難想象，智能化電器設(shè)備一旦失去了監(jiān)測(cè)與診斷的技術(shù)支持，會(huì)是個(gè)什么樣子。計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)與微電子技術(shù)的進(jìn)步，使智能化斷路器的監(jiān)測(cè)與診斷的要求得以實(shí)現(xiàn)。它要求具有以下功能:2.1滅弧室電壽命的監(jiān)測(cè)與診斷動(dòng)作次數(shù):記錄合分次數(shù)，逾限報(bào)警;開(kāi)斷電流加權(quán)累計(jì)，即統(tǒng)計(jì)ΣIα(α=1.5~2)值，逾限報(bào)警。

　　觸頭的電磨損主要取決于燃弧電流的大小及燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短。而燃弧時(shí)間，對(duì)實(shí)際使用中的斷路器是難于獲得的，且燃弧時(shí)間從統(tǒng)計(jì)和累計(jì)的角度可不必考慮。因此，人們常將注意力集中在開(kāi)斷電流上，研制累計(jì)開(kāi)斷電流記錄儀。但是，累計(jì)開(kāi)斷電流與觸頭電器磨損之間并不是單值函數(shù)關(guān)系，同樣的累計(jì)開(kāi)斷電流，如果單次開(kāi)斷的電流小，其磨損量要比單次開(kāi)斷電流大時(shí)小得多，因此，正確的方法應(yīng)該是據(jù)每次開(kāi)斷電流的大小換算成相應(yīng)的磨損量，而磨損總量應(yīng)根據(jù)斷路器的額定開(kāi)斷電流和額定開(kāi)斷次數(shù)來(lái)確定，而不同開(kāi)斷電流下的等效磨損量應(yīng)由試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)曲線確定。

　　對(duì)于真空斷路器來(lái)講，滅弧室除了電壽命外，還有真空度的監(jiān)測(cè)。大量的研究和實(shí)踐證明，12kV真空斷路器目前型式試驗(yàn)的短路開(kāi)斷次數(shù)有的已做到了50次，在開(kāi)斷50次以后，觸頭的燒損厚度僅為0.6mm左右，燒損甚微;而真空滅弧室產(chǎn)品允許觸頭燒損厚度為3mm，說(shuō)明真空斷路器在開(kāi)斷方面的余量很大，更何況在實(shí)際運(yùn)行中，短路開(kāi)斷的次數(shù)是不會(huì)很多的。相應(yīng)之下，真空斷路器滅弧室的真空度下降的機(jī)率卻要高得多，從1999年的統(tǒng)計(jì)資料看，全國(guó)真空斷路器共發(fā)生45次事故，其中因滅弧室真空度下降造成的就有9次，由此可見(jiàn)，對(duì)真空斷路器來(lái)講，滅弧室真空度的監(jiān)測(cè)是很重要的。2.2斷路器機(jī)械故障的監(jiān)測(cè)與診斷

　　根據(jù)多年的大量統(tǒng)計(jì)資料表明，事故的70%~80%出在高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制回路。斷路器的機(jī)械部分比較復(fù)雜，且長(zhǎng)期不動(dòng)作，比目前已經(jīng)較為成熟的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的監(jiān)測(cè)技術(shù)更為困難，常需要采用多種技術(shù)綜合判斷，主要有以下幾項(xiàng):

　　(1)合分線圈電流波形監(jiān)測(cè)，非正常報(bào)警;

　　(2)合分線圈回路斷路監(jiān)測(cè)，斷路報(bào)警;

　　(3)監(jiān)測(cè)行程，過(guò)限報(bào)警;

　　(4)監(jiān)測(cè)合分速度，過(guò)限報(bào)警;

　　(5)機(jī)械振動(dòng)，非正常報(bào)警;

　　(6)液壓機(jī)構(gòu)打壓次數(shù)、打壓時(shí)間、壓力;

　　(7)彈簧機(jī)構(gòu)彈簧壓縮狀態(tài)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和鎖扣部分的工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間;

　　(8)永磁機(jī)構(gòu):線圈狀況、磁性的穩(wěn)定狀況和彈簧的壓縮狀態(tài)等;

　　(9)關(guān)鍵部分的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。高壓斷路器合分動(dòng)作的機(jī)械振動(dòng)波形十分復(fù)雜，通常包含著多個(gè)子波，看起來(lái)雜亂無(wú)章的波形實(shí)際上是多個(gè)子波的混疊，每個(gè)子波代表一個(gè)振動(dòng)事件。分析振動(dòng)波形，把各子波分離出來(lái)，可以得到事件的個(gè)數(shù)及各事件發(fā)生的時(shí)間和事件的強(qiáng)度，可以獲取斷路器操作過(guò)程機(jī)械部分的多個(gè)信息。對(duì)波形分析的方法很多，如小波分析、形狀比較、統(tǒng)計(jì)過(guò)程處理等等。測(cè)量所用的加速度傳感器應(yīng)據(jù)所監(jiān)測(cè)的目標(biāo)(電磁振動(dòng)、部件振動(dòng)、操作振動(dòng)、微粒跳動(dòng)等等)的不同而合理選擇。振動(dòng)傳感器的安裝位置也應(yīng)精心布置;

　　(10)合、分閘線圈電流和電壓波形的檢測(cè)。線圈電流波形中包含著許多操作系統(tǒng)的信息，如線圈是否接通，鐵芯是否卡澀，脫扣是否有障礙等等;

　　(11)合、分閘機(jī)械特性:速度、過(guò)沖、彈跳、撞擊等，這些信息也可從振動(dòng)波形中有所反映;

　　(12)控制回路通斷狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這對(duì)因輔助開(kāi)關(guān)不到位或接觸不良造成的拒分、拒合故障有很好的監(jiān)視作用;

　　(13)操作機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能完成狀況。

　　判斷上述所監(jiān)測(cè)信號(hào)是否正常的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)就是將其與正常狀態(tài)下的情況作比較。正常狀態(tài)是在某一范圍內(nèi)，只有通過(guò)具體條件由試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)處理確定。通常是將一次操作的幾個(gè)波在時(shí)域、頻域、幅度上作橫向比較，與前幾次的操作作縱向比較以得出診斷結(jié)論。2.3絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

　　氣體斷路器氣體壓力，越限報(bào)警，閉鎖;

　　圖2電力設(shè)備故障診斷的分層結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測(cè)局部放電，用以預(yù)報(bào)絕緣事故，智能技術(shù)是把對(duì)信息的獲取和加工推理，從代數(shù)的簡(jiǎn)單數(shù)值計(jì)算，發(fā)展為模擬人腦對(duì)不確定性的辨別、思考、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和決策。將智能技術(shù)引入到基于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的絕緣診斷系統(tǒng)，將診斷機(jī)制分為四個(gè)層次，依次為在線數(shù)據(jù)的預(yù)處理、征兆集的提取、故障類(lèi)型的確定以及決策，如圖2所示。

　　研究表明，由于在線監(jiān)測(cè)具有數(shù)據(jù)量大、影響因素復(fù)雜的特點(diǎn)，智能技術(shù)特別適合絕緣在線診斷。

　　在線數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段，采用有關(guān)方法剔除虛假點(diǎn)，并通過(guò)分析在線數(shù)據(jù)與環(huán)境因素的相關(guān)性，利用三次擬合曲線削弱環(huán)境對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。在征兆集的提取階段，由于考慮到數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特性和隨機(jī)誤差的影響，將待檢數(shù)據(jù)與模型的殘差作為故障的征兆之一，采用了相對(duì)比較法的時(shí)序分析法。研究證明這些方法是有效的。

　　對(duì)絕緣診斷的后兩個(gè)層次，即故障類(lèi)型和決策層方面，尚需積累更多的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及對(duì)故障種類(lèi)的模式、嚴(yán)重程度的在線數(shù)據(jù)特征進(jìn)行深入的研究，專(zhuān)家知識(shí)的積累和診斷方法的完善也將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。2.4載流導(dǎo)體及接觸部位溫度的監(jiān)測(cè)

　　載流導(dǎo)體和母線聯(lián)接處，接頭處等接觸部位的接觸受振動(dòng)力矩的作用而發(fā)生變化。導(dǎo)致接觸電阻增加，接觸部位的溫度增加，故需要對(duì)這些部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　這通常是利用紅外光的幅射強(qiáng)度或?qū)⒏袦卦�件裝在導(dǎo)體上，轉(zhuǎn)換成信號(hào)傳到低電位再還原成溫度信號(hào)，其難點(diǎn)是高電位導(dǎo)體上低壓工作電源的獲得方法，也有利用受熱發(fā)聲器件將異常過(guò)熱信息傳到低電位接受裝置的。近來(lái)，有直接在低電位處將紅外光照到載流導(dǎo)體上就能從發(fā)射方獲取被測(cè)體溫度的非接觸方法。還有利用光微薄硅溫度傳感器的無(wú)源測(cè)量方法如圖3所示。

　　圖3光微薄硅溫度傳感器的溫度探頭原理圖

　　圖3是采用對(duì)溫度敏感的Fabry-perot槽研制出的一種溫度探頭，F(xiàn)abry-perot槽溫度探頭原理圖如圖3所示。裝置由一薄硅片構(gòu)成，在它中段的頂部和底部蝕刻出矩形槽，然后在薄硅片頂粘貼上一層玻璃，該玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅片的熱膨脹系數(shù)不同。當(dāng)該處溫度變化時(shí)，因2種材料不同的熱膨脹系數(shù)，在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力改變槽的深度。用光纖將多色光送入Fabry-perot槽，反射出的調(diào)制光也經(jīng)光纖送出，調(diào)制的輸出信號(hào)是用光學(xué)干涉測(cè)量方法測(cè)量的。

　　由Fabry-perot槽構(gòu)成的光纖傳感系統(tǒng)其組成元件耐腐蝕、小巧、測(cè)量靈敏度高，而且不受電磁干擾影響，在智能化高壓電器的溫度在線監(jiān)測(cè)方面有廣闊的市場(chǎng)。2.5監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的總體框圖

　　一個(gè)智能化的斷路器設(shè)備或斷路器設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)其總體方框圖大致如圖4。信號(hào)傳輸部分若是扁平電纜，則距離甚短，多為并行數(shù)據(jù)信號(hào);若距離較長(zhǎng)多為串行信號(hào)，僅需兩根電纜，且信號(hào)獲取單元可有多個(gè)，每增一個(gè)僅多一地址編碼。由于對(duì)異常程度及故障部位的診斷難度較大，計(jì)算機(jī)決策有時(shí)比較困難，很多裝置還借助于人腦對(duì)信息作綜合分析，以便作出最后決斷，計(jì)算機(jī)只對(duì)那些確認(rèn)無(wú)疑的越限值給出告警信號(hào)。

　　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(kāi)斷任務(wù)和提高開(kāi)斷的可靠性，提高斷路器的綜合技術(shù)性能，無(wú)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�，小�?fù)載時(shí)觸頭以較低的速度分?jǐn)�，既可保證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�獲得電氣和機(jī)械性能上的最佳開(kāi)斷效果。目前，此類(lèi)專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)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)�，這與斷路器的同步分?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�，一臺(tái)低成本的小容量開(kāi)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(guò)電壓。在電力電子領(lǐng)域，近年來(lái)流行一種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件在零電壓下關(guān)合，在零電流下分?jǐn)啵�可以認(rèn)為:電子操動(dòng)正是實(shí)現(xiàn)斷路器的軟開(kāi)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(guò)壓?jiǎn)栴}。這對(duì)推廣無(wú)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(kāi)關(guān)和一般電磁機(jī)構(gòu)真空開(kāi)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(lái)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�？煽亢头奖恪Ｍ瑯�，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(wèn)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(kāi)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(zhuān)為ELF型SF6斷路器(敝開(kāi)式)和ELK型封閉式組合電器(GIS)而開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)的，見(jiàn)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(zhǎng)線路而言，操作過(guò)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(guó)外十幾年前已開(kāi)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(shuō)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(kāi)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(guò)電壓抑制(2P.u.以下)±2ms同上延長(zhǎng)斷路器檢修周期電容器投入過(guò)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(zhǎng)斷路器檢修周期不用串聯(lián)電抗器空載線路投入過(guò)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(guò)電壓抑制 同電容器投入 電抗器開(kāi)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(kāi)斷防止復(fù)燃及重?fù)舸┤蓟�時(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(wèn)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(guò)程中，核心的問(wèn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)程(如各種過(guò)電壓和各種短路故障)以及載波通訊信號(hào)，都會(huì)通過(guò)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(kāi)關(guān)電源由于其浪涌噪聲也會(huì)對(duì)電量傳輸帶來(lái)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(lái)考驗(yàn)。解決電磁兼容問(wèn)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(lèi)、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(guò)軟件的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧狀態(tài)的診斷。4.2壽命問(wèn)題

　　一般來(lái)說(shuō)，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(wèn)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(wú)論如何，仍要相當(dāng)經(jīng)費(fèi)。如日本三菱公司在’97國(guó)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(guò)GIS本身的1/10。這比幾年前聽(tīng)到的1/3要便宜不少。如采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備還會(huì)便宜得多。國(guó)外也十分關(guān)心監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)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:C式中: C——監(jiān)測(cè)裝置每年平均投資B——采用監(jiān)測(cè)裝置后，因減少維修次數(shù)而每年平均節(jié)約的維修經(jīng)費(fèi)D——采用監(jiān)測(cè)裝置后，因減少一次事故而每個(gè)平均節(jié)約的維修費(fèi)E——年事故率

　　在不考慮D·E一項(xiàng)時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)備的合理投資為高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備投資1%-2.7%，后者指頻繁操作的高壓開(kāi)關(guān)。以上當(dāng)然未考慮因出現(xiàn)事故所造成的各種間接經(jīng)濟(jì)損失。非經(jīng)濟(jì)損失更難于計(jì)算。

　　美國(guó)紐約電管局和加拿大魁北克水電局自1993年裝置MONITEC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)到1996年因監(jiān)測(cè)出包括機(jī)構(gòu)卡滯、動(dòng)作不到位和軸銷(xiāo)斷裂等5次重大事故征兆，保證了供電可靠性，估計(jì)節(jié)約經(jīng)費(fèi)超過(guò)100萬(wàn)美元，降低了成本，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　目前，對(duì)高壓斷路器智能化經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的考慮，總是偏重對(duì)智能化需要而購(gòu)置的設(shè)備的價(jià)格；其次，再包括減少維修次數(shù)節(jié)約的經(jīng)費(fèi)和減少一次事故所節(jié)約的費(fèi)用。按理說(shuō)，這是很不夠的。比如，由于實(shí)現(xiàn)了斷路器的受控操作，斷路器的開(kāi)斷容量可以減少，是否能選擇開(kāi)斷容量小一些的斷路器？操作過(guò)電壓的倍數(shù)下降了，設(shè)備的絕緣水平能否下降？再者，由于智能化斷路器科技含量高、技術(shù)先進(jìn)、可靠性高而受到用戶的青睞，在競(jìng)爭(zhēng)中中標(biāo)而獲利，這些潛在的經(jīng)濟(jì)效益能不能考慮�？偟膩�(lái)看，無(wú)論是研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、制造廠商還是使用單位，把目標(biāo)瞄準(zhǔn)智能化斷路器不失為明智之舉。

　　5智能化斷路器的現(xiàn)狀

　　近年來(lái)已有很多智能化斷路器面市，高壓領(lǐng)域典型的有東芝公司的C-GIS和ABB公司的EXK型智能化GIS，它們的特點(diǎn)都是采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和微計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，使整個(gè)組合電器的在線監(jiān)測(cè)與二次系統(tǒng)在一個(gè)計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)上。在中壓領(lǐng)域較典型的有九十年代初的富士公司的智能式真空斷路器及ABB公司近年來(lái)推出的VM1型真空斷路器。前者包括三種功能:自動(dòng)保護(hù)功能、早期維護(hù)功能和信息傳遞功能。其中保護(hù)功能指標(biāo)斷路器本體可對(duì)過(guò)電流和短路故障進(jìn)行檢測(cè)與判斷并發(fā)出指令，使斷路器可靠分閘;早期維護(hù)功能指斷路器在真空度降低、電接觸部位溫升異常以及脫扣線圈斷線時(shí)均能發(fā)出報(bào)警，提示操作人員把斷路器退出運(yùn)行進(jìn)行維修;信息傳遞功能則指除正常外加入的控制信號(hào)外斷路器狀態(tài)的信號(hào)輸出。VM1型真空開(kāi)關(guān)是ABB公司的最新產(chǎn)品，除了新穎的一體化絕緣結(jié)構(gòu)，最顯著的特色是采用了除永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)外，就是它的二次控制無(wú)觸點(diǎn)化和采用新型傳感器。開(kāi)關(guān)的位置傳感器和輔助接點(diǎn)均為無(wú)觸點(diǎn)的臨近開(kāi)關(guān)或光開(kāi)關(guān)，新型號(hào)電量傳感器信號(hào)可以直接變換成數(shù)字信號(hào)，取代了傳統(tǒng)的電磁式電壓和電流互感器。

　　當(dāng)前，世界上先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家都看好在電力系統(tǒng)中高壓領(lǐng)域智能化高壓電器的發(fā)展前景和潛在的效益，加大了研究的投入和開(kāi)發(fā)的力度，比較典型的有ABB公司推出的CAT，具有人工智能技術(shù)的斷路器，如前面所討論的，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器的受控操作; ABB公司推出的光電式電流傳感器和電壓傳感器在高壓領(lǐng)域中替代了傳統(tǒng)的電磁式電流互感器和電壓互感器，解決了智能化高壓電器設(shè)備中傳感技術(shù)的難題。目前，已經(jīng)大量應(yīng)用的信號(hào)數(shù)字化傳輸技術(shù)大大緩解了信號(hào)傳播中干擾的影響程度等，這些高新技術(shù)的應(yīng)用都為智能化斷路器技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。

　　斷路器智能化是一項(xiàng)更新?lián)Q代的工作，它涉及到很多領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展，如傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及斷路器本身及操動(dòng)機(jī)構(gòu)等方面，需要更多的投入和開(kāi)發(fā)。但是，可以展望，隨著智能化進(jìn)程上的難題一個(gè)一個(gè)地被破解，性能優(yōu)越的智能化斷路器終將會(huì)在不久的將來(lái)登堂入室，為人們所熟悉和喜愛(ài)。

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