另外，計(jì)算機(jī)技術(shù)及電磁兼容性（EMC）水平提高（即能抗強(qiáng)電磁干擾），信息傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、通信及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的普遍應(yīng)用和發(fā)展，也促進(jìn)了成套中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化進(jìn)程。

智能化中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備主要由硬件與軟件組成：（1）可控操作的高可靠開(kāi)關(guān)設(shè)備；（2）測(cè)控保護(hù)裝置具有保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)視、控制及通信等功能；（3）在線檢測(cè)裝置可對(duì)SF6斷路器、油斷路器、其它電器設(shè)備及環(huán)境等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；（4）*的傳感器可實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)可靠轉(zhuǎn)換；（5）中壓開(kāi)關(guān)柜的結(jié)

 

2．1　智能化測(cè)控保護(hù)裝置的功能

智能化測(cè)控裝置的核心器件是微處理機(jī)，裝置充分利用數(shù)字技術(shù)和軟件技術(shù)，將保護(hù)、監(jiān)視、控制、測(cè)量與通信集于一身，在相同的硬件環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)多種功能。

（１） 基本保護(hù)功能：　有方向或無(wú)方向的過(guò)流和接地故障保護(hù)；低周減載保護(hù)；自動(dòng)重合閘功能（后加速）；零序電壓、過(guò)電壓和低電壓保護(hù)；斷路器失靈保護(hù)；電流速斷、*速斷及反時(shí)限過(guò)流保護(hù)。

（２） 控制功能：　保護(hù)跳閘、合閘，遠(yuǎn)方、就地控制，各種信號(hào)控制及控制對(duì)象的顯示等。

（３） 測(cè)量電量功能：　可測(cè)量相電流、相間和相對(duì)地電壓、零序電壓和電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和電能等。

（４） 通信功能：　可完成與ＰＣ機(jī)就地通信或通過(guò)變電站通信系統(tǒng)與遠(yuǎn)方通信，裝置一般可支持modbus協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約ＩＥＣ８７０—５—101（１０３）、DNP3.0、TCP/IP等；串行標(biāo)準(zhǔn)接口ＲＳ２３２、ＲＳ４８５，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線CANBUS、Lonworks等，以太網(wǎng)接口；支持多種通信介質(zhì)如雙絞線、光纖及無(wú)線等。

（５） 監(jiān)視功能：　斷路器狀態(tài)監(jiān)視、跳、合閘回路監(jiān)視和本機(jī)運(yùn)行自檢。

故障記錄和錄波功能： 可記錄故障類型、發(fā)生時(shí)間及故障量zui大/zui小值，也可對(duì)故障波形進(jìn)行記錄。

2．2　智能化測(cè)控保護(hù)裝置構(gòu)成的二次接線

一臺(tái)具有計(jì)量、控制、保護(hù)及通信等全部功能的智能化測(cè)控保護(hù)裝置安裝于開(kāi)關(guān)柜上時(shí)，二次接線工作十分簡(jiǎn)潔，智能化測(cè)控保護(hù)裝置與外部單元接線見(jiàn)圖1。用戶僅需將電壓、電流信號(hào)，斷路器狀態(tài)位置信號(hào)和出口控制信號(hào)等與開(kāi)關(guān)柜內(nèi)相應(yīng)一次元件的端子相連即可。

智能化測(cè)控保護(hù)裝置通過(guò)采集電壓、電流信號(hào)，斷路器狀態(tài)信號(hào)及其它輸入的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，接地故障狀態(tài)，獨(dú)立完成數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制及顯示故障紀(jì)錄功能，同時(shí)通過(guò)通信接口完成信息上傳。因此與傳統(tǒng)二次技術(shù)相比，智能化測(cè)控保護(hù)裝置不但功能更多、精度更高，而且二次接線更簡(jiǎn)潔。

 

3　在線監(jiān)測(cè)裝置

 

3．1　按狀態(tài)維護(hù)技術(shù)

由于高壓電器設(shè)備在電網(wǎng)中的重要性，一旦發(fā)生事故，將引起局部或較大地區(qū)的停電，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，因此這些設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后或運(yùn)行中，必須進(jìn)行必要的檢查和維護(hù)。迄今為止，電力部門一直采用傳統(tǒng)的維護(hù)方式：即定期維護(hù)技術(shù)，所謂定期維護(hù)是經(jīng)過(guò)規(guī)定的一段時(shí)間（比如5年），對(duì)設(shè)備進(jìn)行規(guī)定項(xiàng)目維護(hù)，這些項(xiàng)目是設(shè)備檢查、更換零部件、解體檢查等。應(yīng)該說(shuō)：這種定期維護(hù)技術(shù)對(duì)減少和防止設(shè)備的故障發(fā)生起到了良好的作用，但是這種定期維護(hù)方式存在不少缺陷，例如在設(shè)備解體檢查時(shí)，需要對(duì)斷路器及電器設(shè)備的一部分進(jìn)行解體，不但作業(yè)時(shí)需要停電，而且視其項(xiàng)目還需要可觀費(fèi)用，另外停電后設(shè)備狀態(tài)（如溫度、作用電壓等）和設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)不一致，會(huì)影響一些數(shù)據(jù)判定。

由于定期維護(hù)技術(shù)存在許多缺點(diǎn)，另一方面隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，電子技術(shù)、光傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的定期維護(hù)技術(shù)向預(yù)見(jiàn)性維護(hù)方式，即按狀態(tài)維護(hù)方式過(guò)渡。

與傳統(tǒng)定期維護(hù)技術(shù)相比，按狀態(tài)維護(hù)技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）按狀態(tài)維護(hù)技術(shù)的基本點(diǎn)是對(duì)設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及判斷，因此可避免定維護(hù)所造成的浪費(fèi)及其它缺點(diǎn)；

（2）按狀態(tài)維護(hù)技術(shù)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，采用自動(dòng)管理技術(shù)來(lái)達(dá)到合理延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，因此可降低設(shè)備運(yùn)行的總費(fèi)用。

圖2 是加拿大Winnipeg Manitoba附近的Dorsey 試驗(yàn)站中高壓SF6斷路器的在線檢測(cè)系統(tǒng)。在試驗(yàn)斷路器上安裝了各種類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)了電能、機(jī)械、SF6氣體在線監(jiān)測(cè)，且已得出了許多有價(jià)值的結(jié)果。3．2　在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

（1）斷路器機(jī)械、電器性能監(jiān)測(cè)。如合、分閘線圈電流、操動(dòng)機(jī)構(gòu)特性、觸頭行程和速度、振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。

（2）中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)母線聯(lián)結(jié)處溫升檢測(cè)。

3．3　斷路器機(jī)械故障的監(jiān)測(cè)

3．3．1　斷路器合、分閘線圈電流的監(jiān)測(cè)

如果高壓斷路器的操作機(jī)構(gòu)是電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其合、分閘線圈一般由直流電源供電，見(jiàn)圖3。經(jīng)驗(yàn)表明：合、分閘線圈的電流可以作為診斷機(jī)械故障的信息，合、分閘線圈的電流訊號(hào)可由補(bǔ)償式霍爾電流傳感器給出，給出的合、分閘線圈的電流訊號(hào)也示於圖3。

圖中是起始時(shí)刻，是合、分過(guò)程計(jì)時(shí)起點(diǎn)，t1為線圈中電流、磁通上升到足于驅(qū)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)，即鐵心開(kāi)始移動(dòng)的時(shí)刻；t2為鐵心已觸動(dòng)（開(kāi)始）操作機(jī)構(gòu)負(fù)載，這也是開(kāi)關(guān)觸頭開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻；t3為開(kāi)關(guān)輔助接點(diǎn)切斷電源，即電磁線圈回路斷開(kāi)的時(shí)刻。利用比較電流波形的變化或差異可以診斷出操作機(jī)構(gòu)的故障程度。3．3．2　行程、速度的監(jiān)測(cè)

斷路器觸頭剛分速度對(duì)滅弧性能影響很大，適當(dāng)提高剛分速度對(duì)減少電弧能量、減少零部件的燒損有很大作用，但過(guò)分增大剛分速度不一定能提高滅弧性能，反而會(huì)加重操動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)；同樣斷路器觸頭合閘速度對(duì)滅弧性能也有很大影響。因此，對(duì)斷路器觸頭的行程、速度特性的測(cè)量及在線監(jiān)測(cè)是很重要的。為了完成正確測(cè)量，必須選取合適的位移傳感器。

可以選擇旋轉(zhuǎn)光編碼傳感器。利用增量式旋轉(zhuǎn)光編碼傳感器可以完成轉(zhuǎn)動(dòng)角度及方向的測(cè)量，一般把旋轉(zhuǎn)光編碼傳感器安裝在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸上，這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理示于圖4。

增量式旋轉(zhuǎn)光編碼一般有3個(gè)碼道（A道，B道，Z道），A道與B道相差90°，每周的碼條數(shù)可以根據(jù)測(cè)量分辨率選取，Z道每周一條，用來(lái)確定旋轉(zhuǎn)次數(shù)。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器輸出A道、B道兩路相差90°角的正交脈沖，輸入信號(hào)處理電路，從A道、B道兩信號(hào)的相對(duì)位置可確定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如果A道先于B道，為正旋轉(zhuǎn)，而B(niǎo)道先于A道，為反旋轉(zhuǎn)。再通過(guò)加、減計(jì)數(shù)器對(duì)A道、B道兩路信號(hào)計(jì)數(shù)，能得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小及方向，從而可以測(cè)出斷路器運(yùn)動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)及反彈情況，可以計(jì)算出動(dòng)觸頭行程；分合閘同期性；平均速度；超行程；剛分后或剛合*ms內(nèi)速度（主要是平均速度，zui大速度）等。

3．4　中壓開(kāi)關(guān)柜母線聯(lián)結(jié)處溫升在線檢測(cè)

3．4．1　母線聯(lián)結(jié)處異常溫升的原因

溫度是一個(gè)基本的物理量，許多設(shè)備的故障是由異常溫升而造成。在正常運(yùn)行時(shí)，高壓電器導(dǎo)電回路長(zhǎng)期通過(guò)工作電流產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使電器材料溫度升高，一般不?huì)超出規(guī)定范圍；但導(dǎo)電回路一旦發(fā)生接觸不可靠時(shí)，會(huì)使電器材料溫度升高超出規(guī)定范圍，而使電器材料的機(jī)械強(qiáng)度、物理性能等下降，因此在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 3906-91 3~35kV金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備》、《GB/T 11022-1999 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求 》中均規(guī)定了不同電器材料允許的長(zhǎng)期工作溫度。

兩母線聯(lián)結(jié)處有一個(gè)接觸電阻，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，由于接觸電阻的存在，要引起該處發(fā)熱，如果該處的溫度超過(guò)規(guī)定值，則會(huì)加該接觸處氧化，氧化結(jié)果又會(huì)導(dǎo)致接觸電阻上升，這樣又促使發(fā)熱加大，溫度增加，而造成故障，因此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“GB 3906-91”、“GB/T 11022-1999”規(guī)定了對(duì)額定電壓3kV及以上、頻率50Hz長(zhǎng)期工作的電器，如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、封閉式組合電器、金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備、負(fù)荷開(kāi)關(guān)等產(chǎn)品，必須進(jìn)行溫升試驗(yàn)，以保證設(shè)備長(zhǎng)期通過(guò)額定工作電流下，電氣聯(lián)接部位的溫度不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許的數(shù)值。

3．4.2　用石英溫度傳感器埋入母線溫升部位溫升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

石英溫度傳感器是天然石英晶體經(jīng)過(guò)特定方向的切割后，可發(fā)現(xiàn)振蕩頻率與溫度有一定關(guān)系，采取特殊的切割可以加強(qiáng)這一變化，因此可利用f— T特性進(jìn)行測(cè)溫。

石英晶體有X、Y、Z三個(gè)結(jié)晶軸，如切片平面用X、Y描寫，則X軸Z軸的夾角為Φ，Y軸X軸的夾角為φ，則得到：

f1=f01+A（t-t0）+B（t-t0）2+C（t-t0）3

式中A、B、C分別為與切割角度有關(guān)的常數(shù)，與Φ，φ有關(guān)。f0是在t0溫度下的振蕩頻率。如果滿足Φ＝9.4°，φ＝11.6°，則在-80~250℃ 范圍內(nèi)： A＝35×10-6/度，B＝C＝0。

所以上式變?yōu)椋?f1=f01+A（t-t0）， f1與t成正比。

設(shè)t0＝0°c時(shí)， f0=28.2MHz，代入A值，得到頻率靈敏度為987.3Hz/℃,即溫度變化1℃，頻率變化近1000Hz，分辨率為0.001℃，石英晶體溫度傳感器在-80~250℃范圍內(nèi)的基本誤差在±（0.04~0.075） ℃，穩(wěn)定性約±0.007°C/每月，故具有相當(dāng)*的精度和穩(wěn)定比，由于所測(cè)量的值是頻率，很容易和計(jì)算機(jī)配合。

ABB 公司開(kāi)發(fā)的母線聯(lián)結(jié)處溫升在線檢測(cè)裝置 裝置見(jiàn)圖5，其特點(diǎn)如下：

（1）母線通過(guò)電流時(shí)，其交變電磁場(chǎng)提供了溫度傳感器探頭所需的工作電源。要求母線中通過(guò)電流40A（50Hz）時(shí)，傳感探頭就能正常工作，而短路故障所產(chǎn)生的短路電流不會(huì)損壞傳感器。

（2）因?yàn)樵跍y(cè)量點(diǎn)處有強(qiáng)的電磁場(chǎng)，且處于高電位，所以采用紅外調(diào)制發(fā)射技術(shù)。紅外發(fā)光二極管把高電位處溫度值（脈沖值）發(fā)送到低電位處的紅外接收器上。可以把幾個(gè)傳感器的測(cè)量值送到同一接收器上。

（3）溫度傳感單元是由石英晶體、輔助電源及訊號(hào)輸出回路組成?？梢苑奖愕匕惭b在母線聯(lián)結(jié)處。石英晶體溫度傳感器特點(diǎn)是體積小、準(zhǔn)確度高，耐老化性好。

1992年5月ABB提供的新型溫度監(jiān)視系統(tǒng)，在一面中壓開(kāi)關(guān)柜12個(gè)接點(diǎn)處（母線接觸處）的暴露部分安裝上這種尺寸極小的溫度傳感單元，其中三個(gè)傳感單元安裝在母線聯(lián)結(jié)處、三個(gè)裝在斷路器上端的連接線處，另三個(gè)在電纜終端。在一般情況下僅使用九個(gè)傳感器，因?yàn)閿嗦菲飨露私泳€與電纜終端的距離很近。

 

4　故障電弧保護(hù)裝置

 

4．1　內(nèi)部故障電弧

金屬封閉高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，由于某種如小動(dòng)物、過(guò)電壓、濕度等偶然因素，內(nèi)部產(chǎn)生電弧，當(dāng)然也有誤入帶電間隔、隔離開(kāi)關(guān)誤操作等人為原因使內(nèi)部產(chǎn)生電弧。大約15000~20000℃溫度電弧會(huì)直接加熱周圍的絕緣氣體，熱能迅速通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)方式傳遞，引起開(kāi)關(guān)柜隔室內(nèi)超壓。當(dāng)壓力超過(guò)允許的壓力極*，灼熱氣體將會(huì)沖出封閉柜體的壓力釋放裝置，灼熱氣體與瞬間壓力波可能會(huì)傷害配電室內(nèi)的工作人員（例如傷害呼吸系統(tǒng)）；也可能會(huì)損壞電器設(shè)備和建筑物。

故障電弧的危害程度取決于電弧電流大小及切除時(shí)間。例如1985年天津變電所合閘送電時(shí)，開(kāi)關(guān)柜發(fā)生弧光故障，zui后燒毀開(kāi)關(guān)柜8臺(tái)；在2004年4月某公司配電系統(tǒng)中35kV鎧裝移開(kāi)式開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)生弧光爆炸,造成開(kāi)關(guān)柜電纜室爆炸變形、其后門、側(cè)板、側(cè)面加強(qiáng)筋炸扭曲，并且配電室木門受沖擊波而打開(kāi)，一扇玻璃窗炸掉。

因此，對(duì)使用在重要場(chǎng)合的金屬封閉開(kāi)關(guān)柜，應(yīng)進(jìn)行內(nèi)部故障飛弧試驗(yàn)及安置故障電弧保護(hù)裝置，故障電弧試驗(yàn)規(guī)定可見(jiàn)GB3906 — 2005，IEC62271 — 200標(biāo)準(zhǔn)。

4．2　故障電弧防護(hù)裝置

ABB公司開(kāi)發(fā)的故障電弧防護(hù)裝置早已應(yīng)用于AX1開(kāi)關(guān)柜；德國(guó)Moeller公司早已研制出Arcon故障電弧防護(hù)裝置。

一般電弧防護(hù)裝置由三部分組成：保護(hù)主單元；過(guò)流、弧光檢測(cè)輔助單元；電弧光傳感器。

4.2.1　電弧光傳感器

作為光感應(yīng)元件，安裝在開(kāi)關(guān)柜母線室的幾個(gè)位置，檢測(cè)發(fā)生故障時(shí)突然增加的光強(qiáng)。

4.2.2　過(guò)流、弧光檢測(cè)輔助單元

弧光檢測(cè)輔助單元收集來(lái)自電弧光傳感器的光信息，再傳送給主單元。過(guò)流檢測(cè)輔助單元提供過(guò)流動(dòng)作信息，它是動(dòng)作判據(jù)之一，可進(jìn)一步保證電弧光保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作準(zhǔn)確性、可靠性。

　保護(hù)主單元

它是電弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心，它用于管理和控制整個(gè)電弧光保護(hù)系統(tǒng)。它接收檢測(cè)短路電流和來(lái)自電弧光傳感器的信息，對(duì)收集的數(shù)據(jù)處理、判斷，如果確認(rèn)是電弧故障，則發(fā)出跳閘命令，使進(jìn)線斷路器跳閘，即切斷進(jìn)線電源。如進(jìn)線斷路器不能跳閘（拒動(dòng)），則啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)邏輯，發(fā)跳閘命令給上一級(jí)斷路器來(lái)切斷電源。此外根據(jù)過(guò)流、弧光檢測(cè)輔助單元送來(lái)的信息，提供弧光故障點(diǎn)和報(bào)警信號(hào)。

這里還有一種方法：如果確認(rèn)是電弧故障，則啟動(dòng)快速短接開(kāi)關(guān)，使它迅速合閘，將電弧故障轉(zhuǎn)化成三相短路電流，而使上游斷路器分閘，達(dá)到迅速熄滅電弧目的。

故障電弧光保護(hù)系統(tǒng)框圖示于圖6 。

 

 

 

（1）智能化成套開(kāi)關(guān)設(shè)備是新一代電器產(chǎn)品，它溶合了計(jì)算機(jī)、信息、控制、傳感器與微子技術(shù)，將每臺(tái)智能化單元的通信接口與值班室計(jì)算機(jī)相連，就可構(gòu)成變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，可以就地及遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)變電站廣域監(jiān)測(cè)和診斷。

（2）計(jì)算機(jī)技術(shù)及電磁兼容性（EMC）水平提高，使智能化測(cè)控裝置比傳統(tǒng)的機(jī)電式測(cè)控產(chǎn)品更加可靠，多年來(lái)運(yùn)行已證明了這一點(diǎn)。

（3）按狀態(tài)維護(hù)技術(shù)建立在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可按實(shí)際需要決定。

（4）使用于重要場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)柜，應(yīng)配置智能故障電弧防護(hù)裝置。