・工业科技・ 金属封闭高压开关柜的智能化技术 叶义红 熊国权梁超张建中 （遵义长征电器开关设备有限责任公司 ５６３０００） 摘要叙述了中压开关柜智能化的有关技术：一是智能化测控保护装置，它的核心器件是微处理 机，充分利用数字技术和软件技术，在相同的硬件环境下，可实现基本保护功能、控制功能、测量电量功 能及通讯功能；二是在线监测技术，可以对柜内母线联结处温度及断路器的机械特性进行在线监视；三 是增加对开关柜内部主要器件的自动化控制范围，及实现主断路器手车和接地开关的远程自动控制。 关键词 中压开关柜智能化控制 在线监测 远程控制 １概述 压开关柜（即一次系统）提高智能化程度。 另外，计算机技术及电磁兼容性（ＥＭＣ）水平提 配、变电网的自动化是今后发展方向。为了对 配、变电网进行运行监控和管理、运行计划模拟和 优化、运行分析和管理、用户负荷监控和故障报警， 配、变电网主站需要获取现场一次设备（成套中压 高（即能抗强电磁干扰），信息传感技术、微电子技 术、通信及数据处理技术的普遍应用和发展，也促 进了成套中压开关设备智能化进程。 开关设备、断路器及变压器等）信息，同时也需要 一智能化中压开关设备主要由硬件与软件组成： （１）可控操作的高可靠开关设备（电动进出手车和 电动接地开关已经出现）；（２）测控保护装置具有保 护、测量、监视、控制及通信等功能；（３）在线检测 量；技术档案：为了积累施工经验，资料的需要，应从 次设备不但能执行运行操作时远地主站命令，而 且也能就地完成断路器合、分闸和工作／试验位置 的切换，接地开关的合、分闸等命令，因此要求中 依据；图纸会审：做好图纸会审工作，对减少施工中的 差错，保证和提前完成施工任务，确保施工质量至关 工程一开始就建立技术档案，直到工程结束，所有资 重要；技术交底：使参与施工任务的技术人员和工人 料必须保存原始记录，如实反映情况，并有技术负责 全面了解所负担工程任务的特点，技术要求，施工工 人的正式审定意见，不可擅自修改、增补等；工程验 艺等，做到心中有数；技术复核：在施工全过程中，对 收：在每一个工程的各部位单项，尤其是隐蔽工程，完 每项技术工作的实施要有专人进行复核，防止偏差， 纠正错误，避免人为工程质量事故发生；材料检验：施 工工地所用的各类材料，如钢材、水泥、粗沙、砖等都 成一项验收一项，验收合格后方可进行下一道工序或 部位的施工，同时也为竣工验收提供完整的技术资 料。 要抽样检查，符合设计要求方可使用，以确保施工质 ２０ Ｊ０阜劈２期 装置可对ＳＦ６断路器、真空断路器、其它电器设备 及环境等进行实时监测；（４）先进的传感器可实现 各种信号可靠转换；（５）中压开关柜的结构紧凑、小 型化。 ２智能化测控保护装置功能 智能化测控装置的核心器件是微处理机，装置 充分利用数字技术和软件技术，将保护、监视、控 制、测量与通信集于一身，在相同的硬件环境下， 可实现多种功能。 ２．１基本保护功能 有方向或无方向的过流和接地故障保护；低周减 载保护；自动重合闸功能（后加速）；零序电压、过电压 和低电压保护；断路器失灵保护；电流速断、限时速断 及反时限过流保护。 ２．２控制功能 保护跳闸、合闸、手车进出、接地开关分合操作 等，远方、就地控制，各种信号控制及控制对象的显示 等，增加了手车进出、接地开关分合电动操作使配电 运行的远方操作更全面和安全。 ２．３测量电量功能 可测量相电流、相问和相对地电压、零序电压和 电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数和电能等。 ２．４通信功能 可完成与ＰＣ机就地通信或通过变电站通信系 统与远方通信，装置一般可支持ｍｏｄｂｕｓ协议和标准 通信规约ＩＥＣ８７Ｏ一５一ｌＯｌ（１０３）、ＤＮＰ３．０、ＴＣＰ佃 等；串行标准接口ＲＳ２３２、ＲＳ４８５，工业现场总线 ＣＡＮＢＵＳ、Ｌｏｎｗｏｒｋｓ等，以太网接口；支持多种通信 介质如双绞线、光纤及无线等。 ２．５监视功能 断路器状态监视、跳、合闸回路监视，和本机运行 自检。 故障记录和录波功能：可记录故障类型、发生 时间及故障量最大／最小值，也可对故障波形进行 ’上业科搜’ 记录。 ３在线监测装置 ３．１按状态维护技术 由于高压电器设备在电网中的重要性，一旦发 生事故，将引起局部或较大地区的停电，会造成巨 大的经济损失和社会影响，因此这些设备运行一段 时间后或运行中，必须进行必要的检查和维护。迄 今为止，电力部门一直采用传统的维护方式：即定 期维护技术，所谓定期维护是经过规定的一段时间 （比如１年），对设备进行规定项目维护，这些项目 是设备检查、更换零部件、解体检查等。应该说： 这种定期维护技术对减少和防止设备的故障发生 起到了良好的作用，但是这种定期维护方式存在不 少缺陷，例如在设备解体检查时，需要对断路器及 电器设备的一部分进行解体，不但作业时需要停 电，而且视其项目还需要可观费用，另外停电后设 备状态（如温度、作用电压等）和设备运行中的状 态不一致，会影响一些数据判定。 由于定期维护技术存在许多缺点，另一方面随 着科学技术发展，电子技术、光传感技术、计算机 技术、信号处理技术的发展，使传统的定期维护技 术向预见性维护方式，即按状态维护方式过渡。 与传统定期维护技术相比，按状态维护技术具 有如下优点： （１）按状态维护技术的基本点是对设备在运行 状态下实时监测及判断，因此可避免定维护所造成 的浪费及其它缺点； （２）按状态维护技术是以信息技术为基础，采 用自动管理技术来达到合理延长设备使用寿命，因 此可降低设备运行的总费用。 ３．２在线监测项ｔｌｆ ３．２。１断路器机械、电气性能监测。如合、分闸线圈 电流、操动机构特性、触头行程和速度、振动信号监 测。 ２ｏｌ０４￣２耘 ３．２．２中压开关柜内母线联结处温升检测。 ３＿３断路器机械故障的监测 ３．３．１断路器合、分闸线圈电流的监测 如果高压断路器的操作机构是电磁操动机构， 其合、分闸线圈一般由直流电源供电。经验表明： 合、分闸线圈的电流可以作为诊断机械故障的信 息，合、分闸线圈的电流讯号可由补偿式霍尔电流 传感器给出。 ３．３．２行程、速度的监测 断路器触头刚分速度对灭弧性能影响很大，适 当提高刚分速度对减少电弧能量、减少零部件的烧 损有很大作用，但过分增大刚分速度不一定能提高 灭弧性能，反而会加重操动机构的负担；同样断路 器触头合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此， 对断路器触头的行程、速度特性的测量及在线监测 是很重要的。为了完成正确测量，必须选取合适的 位移传感器。 可以选择旋转光编码传感器。利用增量式旋 转光编码传感器可以完成转动角度及方向的测量， 一般把旋转光编码传感器安装在断路器操动机构 的转轴上。 增量式旋转光编码一般有３个码道（Ａ道，Ｂ 道，ｚ道），Ａ道与Ｂ道相差９０。，每周的码条数可 以根据测量分辨率选取，Ｚ道每周一条，用来确定 旋转次数。当轴转动时，编码器输出Ａ道、Ｂ道两 路相差９０。角的正交脉冲，输入信号处理电路，从 Ａ道、Ｂ道两信号的相对位置可确定转轴的转动方 向，如果Ａ道先于Ｂ道，为正旋转，而Ｂ道先于Ａ 道，为反旋转。再通过加、减计数器对Ａ道、Ｂ道两 路信号计数，能得到转动角度大小及方向，从而可 以测出断路器运动部分运动及反弹情况，可以计算 出动触头行程；分合闸同期性；平均速度；超行程； 刚分后或刚合前１０ｍｓ内速度（主要是平均速度，最 大速度）等。 ３．４中压开关柜母线联结处温升在线检测 ２０１０年纂２期 ・工业科技・ ３．４．１母线联结处异常温升的原因 温度是一个基本的物理量，许多设备的故障是 由异常温升而造成。在正常运行时，高压电器导电 回路长期通过工作电流产生的能量转变为热能，使 电器材料温度升高，一般不会超出规定范围；但导 电回路一旦发生接触不可靠时，会使电器材料温度 升高超出规定范围，而使电器材料的机械强度、物 理性能等下降，因此在国家标准《ＧＢ３９０６—２００６３．６ ～４０．５ｋＶ交流金属封闭开关设备和控制设备》、 《ＧＢ／Ｔｌ １０２２—１９９９高压开关设备和控制设备标准的 共用技术要求》中均规定了不同电器材料允许的长 期工作温度。 两母线联结处有一个接触电阻，当电流流过 时，由于接触电阻的存在，要引起该处发热，如果 该处的温度超过规定值，则会加该接触处氧化，氧 化结果又会导致接触电阻上升，这样又促使发热加 大，温度增加，而造成故障，因此国家标准 “ＧＢ３９０６．２００６”、“ＧＢ／Ｔ１１０２２．１９９９”规定了对额定 电压３ｋＶ及以上、频率５０Ｈｚ长期工作的电器，如 断路器、隔离开关、封闭式组合电器、金属封闭开 关设备、负荷开关等产品，必须进行温升试验，以 保证设备长期通过额定工作电流下，电气联接部位 的温度不超过标准允许的数值。 ３．４．２母线温升部位温升实时监测 我公司开发的母线联结处温升在线检测装置， 其特点如下： （１）母线通过电流时，其交变电磁场提供了温 度传感器探头所需的工作电源。要求母线中通过 电流５０Ａ（５０Ｈｚ）时，传感探头就能正常工作，而短 路故障所产生的短路电流不会损坏传感器。 （２）因为在测量点处有强的电磁场，且处于高 电位，所以采用红外调制发射技术。红外发光二极 管把高电位处温度值（脉冲值）发送到低电位处的 红外接收器上。可以把几个传感器的测量值送到 同一接收器上。 （３）温度传感单元是感温探头、辅助电源及讯 号输出回路组成。可以方便地安装在母线联结处。 温度传感器特点是体积小、准确度高，耐老化性好。 我公司提供的新型温度监视系统，在一面中压 开关柜１２个接点处（母线接触处）的暴露部分安装 上这种尺寸极小的温度传感单元，其中三个传感单 元安装在母线联结处、六个装在断路器上下端的连 接线处，另三个在电缆终端。在ＫＹＮ２８柜内一般 情况下仅使用六个传感器，因为断路器上下端的梅 花触头插入式连接的故障可能性较高。 ４故障电弧保护装置 ４．１ 内部故障电弧 金属封闭高压开关柜内，由于某种如小动物、 过电压、湿度等偶然因素，内部产生电弧，当然也 有误入带电间隔、隔离开关误操作等人为原因使内 部产生电弧。大约ｌ５０００．－－２００００￣Ｃ温度电弧会直接 加热周围的绝缘气体，热能迅速通过对流、传导方 式传递，引起开关柜隔室内超压。当压力超过允许 的压力极限时，灼热气体将会冲出封闭柜体的压力 释放装置，灼热气体与瞬间压力波可能会伤害配电 室内的工作人员（例如伤害呼吸系统）；也可能会 损坏电器设备和建筑物。 故障电弧的危害程度取决于电弧电流大小及 切除时间。例如１９８５年天津变电所合闸送电时， 开关柜发生弧光故障，最后烧毁开关柜８台；在２００４ 年４月某公司配电系统中３５ｋＶ铠装移开式开关柜 产生弧光爆炸，造成开关柜电缆室爆炸变形、其后 门、侧板、侧面加强筋炸扭曲，并且配电室木门受 冲击波而打开，一扇玻璃窗炸掉。 因此，对使用在重要场合的金属封闭开关柜， 应进行内部故障飞弧试验及安置故障电弧保护装 置，故障电弧试验规定可见ＧＢ３９０６－－２００６， ＩＥＣ６２２７１－－２００标准。 ４．２故障电弧防护装置 ’上业科孜’ 一般电弧防护装置由三部分组成：保护主单 元；过流、弧光检测辅助单元；电弧光传感器。 ４．２．１电弧光传感器 作为光感应元件，安装在开关柜母线室的几个 位置，检测发生故障时突然增加的光强。 ４．２．２过流、弧光检测辅助单元 弧光检测辅助单元收集来自电弧光传感器的 光信息，再传送给主单元。过流检测辅助单元提供 过流动作信息，它是动作判据之一，可进一步保证 电弧光保护系统的动作准确性、可靠性。 ４．２．３保护主单元 它是电弧光保护系统的核心，它用于管理和控 制整个电弧光保护系统。它接收检测短路电流和 来自电弧光传感器的信息，对收集的数据处理、判 断，如果确认是电弧故障，则发出跳闸命令，使进 线断路器跳闸，即切断进线电源。如进线断路器不 能跳闸（拒动），则启动断路器失灵保护逻辑，发跳 闸命令给上一级断路器来切断电源。此外根据过 流、弧光检测辅助单元送来的信息，提供弧光故障 点和报警信号。 ５结束语 ５．１智能化成套开关设备是新一代电器产品，它融 合了计算机、信息、控制、传感器与微电子表子技术， 将每台智能化单元的通信接口与值班室计算机相连， 就可构成变电站综合自动化系统，可以就地及远方实 现保护，可以实现变电站广域监测和诊断。 ５．２计算机技术及电磁兼容性（ＥＭＣ）水平提高，使 智能化测控装置比传统的机电式测控产品更加可靠， 多年来运行已证明了这一点。 ５－３按状态维护技术建立在线监测技术、信息技术 的基础上，在线监测项目可按实际需要决定。 ５．４使用于重要场合的开关柜，应配置智能故障电 弧防护装置。 ２０１０￣２翦
