智能断路器的现状与发展

摘要:本文介绍了智能化断路器的基本概念,阐述了智能化断路器主要功能,对尚有待进一步完善的问题进行了探讨,指出了智能化断路器是高压断路器领域的智能化发展方向。

关键词:智能化;断路器;发展

作者简介:刘宝忠(1962-),男,满族,辽宁丹东人,东北电网有限公司大连培训中心,高级讲师,主要研究方向:发、变电技术;王永清(1963-),男,辽宁朝阳人,东北电网有限公司大连培训中心,高级讲师,主要研究方向:发、变电技术。(辽宁 大连 116023)

断路器作为电力系统中最重要的控制元件,它的智能化是电气设备智能化乃至智能电网的基础。断路器的智能化不是通常所想的,使用计算机就达到了智能化,它必须配置最新传感器技术、微电子技术和信息传输技术,实现操动机构的可控操动。智能化设备除满足常规设备的原有功能外,还主要表现为:具有灵敏准确地获取周围大量信息的感知功能;具有对获取信息的处理能力;具有对处理结果的思维判断能力,对处理结果的再生信息的实施及有效操作的实施功能。

兼有计算机系统和传感装置的智能化断路器,通过气体密度传感器实现连续的状态监测,确定趋势走向以及检测极限值,并能在此基础上实现常规的SF6气体的锁定和报警功能;通过运动传感器和能量传感器,能够实现操作机构的状态监控;这些传感器的信号同时用于常规的位置指示和电动机控制功能;附加的电流、电压传感器为断路器的最优化功能提供了重要保障。与传统断路器相比,现行智能断路器主要具有以下功能。

一、智能化控制功能

智能控制单元是断路器智能控制化的核心,以微处理机为核心部件,综合应用传感技术、光电转换技术、数字控制技术、微电子技术和信息技术等多种现代技术,完成断路器的智能操作,实现断路器的智能化。它不断从电力系统采集某些特定信息,并据此来判别断路器当前的工作状态,同时处于操作的准备状态。当系统故障由继电保护装置发出分、合闸信号或正常操作向断路器发出操作命令后,控制单元根据一定的算法,求得与断路器工作状态对应的操动机构预定的最佳状态,并驱动执行机构操动机构调整至该状态,从而实现最优操作。

1.远端主机通信

控制单元根据主机的要求将断路器的开断记录等数据经信息传输接口上网传送至上位机,上位机经信息传输网络将操作命令及保护参数、保护及重合闸方式等配置要求传送进来。

2.自动调整操动机构

是控制单元的核心功能。它在识别断路器工作状态的基础上,自动确定与之相对应的操动机构的调整量并进行自我调整。

3.自动识别工作状态

在准确识别断路器的工作状态的前提下,进行负载电流分合以及短路电流、过载电流、小电容电流和小电感电流分断等。

4.显示记录工作状态

故障时,记录断路器每次开断情况,短路时还应记录包括开断电流的大小、开断类型短路电流的变化过程,以及拒分或拒合等信息。还可通过断路器累积开断电流的大小来表示断路器触头的烧蚀情况。

二、状态监测与诊断功能

监测与诊断是智能化设备的重要环节,计算机技术、传感技术与微电子技术的进步,使智能化断路器的监测与诊断的要求得以实现。

1.灭弧室寿命的监测与诊断

触头的电磨损主要取决于燃弧电流的大小及燃弧时间的长短。将每次开断电流的大小换算成相应的磨损量,磨损总量根据断路器的额定开断电流和额定开断次数来确定。监测与诊断功能可以记录分、合次数并进行开断电流加权累计,逾限均可自动报警。

2.机械故障的监测与诊断

断路器事故大多发生在操动机构和控制回路。智能断路器采用多种技术综合判断,包括分、合线圈电流波形监测,合分线圈回路断路监测,行程监测,监测合分速度,液压机构打压情况,弹簧机构弹簧压缩状态,传动机构和锁扣部分的工作状态,电动机工作时间;永磁机构的线圈状况及弹簧的压缩状态,分、合闸线圈电流和电压波形的检测,分、合闸速度及操作机构储能完成状况等,并且均可实现越限报警。

3.绝缘状态的监测

监测断路器气体压力和局部放电,越限报警或闭锁。智能技术将信息的的简单计算,发展为模拟人脑对不确定性的辨别、思考、预测、优化和决策。基于在线监测数据的绝缘诊断的智能技术,分为在线数据的预处理、征兆集的提取、故障类型的确定以及决策四个层次。

4.载流导体及接触部位温度的监测

载流导体和母线联接处,接头处等接触部位受振动力矩的作用,导致接触电阻增加,接触部位的温度增加。通常是利用红外光的幅射强度或将感温元件装在导体上,转换成信号传到低电位再还原成温度信号;也有利用受热发声器件将异常过热信息传到低电位接受装置的。还有直接在低电位处将红外光照到载流导体上就能从发射方获取被测体温度的非接触方法,以及利用光微薄硅温度传感器的无源测量方法。智能化断路器的智能监测与诊断系统框图如图1所示。

三、断路器的智能操作功能

断路器的智能操作将智能化技术引入到断路器的电气性能,使断路器能更好地完成开断任务和提高开断的可靠性,提高断路器的综合技术性能,无论是生产运行还是对研究制造都具有十分重要的作用和价值。

1.智能化分合速度

根据电网中发出的不同工况,智能断路器可自动选择和调整操动机构或者灭弧室合理的预定工作条件。小负载时触头以较低的速度分断,既可保证所需的灭弧能量又可减少机械损耗,而在接到短路信号时则以全速分断,获得电气和机械性能上的最佳开断效果。

2.同步分断与选相合闸

现代传感器技术使交流零点信号的拾取变得非常可靠和方便。采集到交流电压或电流变化率的零点信号后,在电压或电流零点以前或它们的变化率零点以后发出控制信号。

ABB公司推出的具有人工智能技术的断路器CAT(Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology),CAT是专为ELF型SF6断路器(敝开式)和ELK型封闭式组合电器(GIS)而开发和试验的,如图2所示。

CAT为一模块式电子,它由三个独立的分相模块所组成,可使断路器在最佳投切时刻进行每相的独立操作,减轻了投切时的瞬时过电压和电流对设备的应力。CAT安装在断路器的控制回路中,具有处理来自电压或电流互感器输入的信息的功能,并在最佳操作条件的时刻发出断路器操作脉冲。

3.断路器的零电压关合

在零电流下分断,这与断路器的同步分断与选相合闸的工况是完全一致的,同步分断可以大大提高断路器的分析能力,一台低成本的小容量开关可分断10倍以上容量的电流。选相合闸可以避免系统的不稳定,克服容性负载的合闸涌流与过电压。永磁操动机构大大提高了机构的可控性,由原来毫秒级的机构控制时间分散性进步到微秒级的电信号控制,由机械储能、机械脱扣进步到电储能、电信号直接触发动作。

四、有待完善的问题

断路器智能技术不仅是概念上的转变和理论上的发展,而且具有技术上的突破,包括众多新技术、新材料、新工艺的广泛采用。与传统断路器相比,核心问题是信息的采样传输与控制系统,其中,有的技术相对成熟,有的还处于开发研制与试运行考证,需要一个不断总结提高和完善的过程。

1.关键技术问题

(1)传感技术。局部放电、高压导体测温、高压侧电量的测量等,尤其是在光电流、电压传感技术等技术的应用上,还存在有待进一步完善的环节。(2)微机技术。智能化软件是微机技术的关键,主程序需要不断检测并显示断路器的工作状态,并与上位机传递有关的控制和状态信息,因此,智能化软件技术是否成熟也有待时间的检验。(3)抗电磁干扰技术。系统中工频及其高次谐波,高电场引起的电晕及污闪也要产生电磁辐射;二次控制回路的开关电源及大功率电磁铁动作,都会通过不同的途径耦合到二次系统,在导电回路中感应出电流,对操动机构的控制带来考验。虽然光电转换的引入,不但可以进行电气隔离,还可以保证信号传输过程不受电磁场的干扰。但是,由于智能断路器的信号传输与控制系统的工作电压和信号传递电平低,耐压水平低,外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏。(4)信号处理技术。获得监测信号只是第一步,必须进行故障诊断才能作出准确的判断与决策。例如,局部放电监测获得的复杂信号,需要进行故障诊断才能实现故障分类、故障定位、预期寿命估计等;采用机械振动法监测断路器机械状态,也需对获取信号作处理才能正确辨识。诸如此类的信号处理的可靠性,都有待于进一步考量。

2.寿命问题

由于电子设备的使用寿命要低于高压电器设备本身的寿命,解决这一个矛盾必须从设计、制造及改善运行条件几方面着手,采用模块化设计,以降低成本增加备用量,在具备完善的自检功能基础上,进行综合判断,从而提高设备的可靠性与使用寿命。

3.经济问题

当前,智能断路器的价格较传统断路器高,但在电子设备不断降价的情况下,监测设备价格也不断降低。

目前,世界上先进的工业国家,都十分看好智能化高压电器的发展前景和潜在的效益,加大了研究的投入和开发的力度。ABB公司推出的具有人工智能技术的断路器,以光电式电流传感器和电压传感器,替代了传统的电磁式电流互感器和电压互感器,解决了智能化高压电器设备中传感技术的难题,信号数字化传输大大缓解了信号传播中干扰的影响程度。这些高新技术的应用,为智能断路器的发展创造了良好的条件。可以预见,随着智能化技术的不断成熟和智能电网建设的推进,智能断路器必将替代传统断路器。

参考文献:

[1]陈晓宁,马志瀛.超高压智能操作断路器智能控制单元的研究[J].电网技术,2000,(5).

[2]邹积岩,王毅.开关智能化概念与相关的理论问题[J].高压电器,2000,(6).

[3]史保壮,杨莉,冯德开,等.智能技术在绝缘在线诊断系统中的应用[J].高压电器,2001,(1).

(责任编辑:苏宇嵬)