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断路器的智能化前景

更新时间:2016-08-08 14:51:02点击次数:894次
 

随着电力系统越来越高的靠得住性及自动化要求,不管是发电、输电、配电仍是用电,都提出了监测、控制、庇护等方面的自动化和智能化的要求。断路器作为电力系统中最重要的控制元件,它的自动化和智能化是电器装备智能化的根蒂根基。断路器的智能化不是凡是所想的,使用计较机就到达了智能化。它必需尽量地运用电弧自身的能量,实现运行状态的自诊断,操念头构的可控操动,而且设置装备摆设最新传感器技术,微电子技术和信息传输技术,智能化的概念才比力完整。相对而言,西门子断路器是这其中的佼佼者,强励电气作为西门子断路器浙江省总代理,努力用智能化技术来帮客户解决一切应用问题。

   一般来说,智能化电器装备除知足常规电器装备的原有功能外,其功能主要浮现为:

  1、应具有活络准确地获取周围年夜量信息的感知功能;

  2、应具有对获守信息的处置能力;

  3 应具有对处置成效的思维判断能力,对处置成效的再生信息的实施及有用操作的实施功能。

主要的传感器可探明气体密度,经由过程监控其运动和能量变化,反映操作机构状态。气体密度传感器发出的旌旗灯号能够实现接连的状态监测,肯定趋向走向和检测极限值,并能在此根蒂根基上实现常规的SF6气体的锁定和报警功能。一样,在运动传感器和能量传感器的扶助下,操作机构的状态可实现监控。另外,这些传感器的旌旗灯号可同时用于常规的位置指示和电念头控制功能上。

  若是需要,还可在基本系统中增加传感器。凭据对周围温度的测试成效,对状态变化(和反映出的趋向信息)作出更准确的评估。对于没有串行接口至更高一级层面的系统,进行时间记实十分有助于对变化趋向的展望。附加的电流电压传感器实现断路器装备功能最优化的根蒂根基。

  总的来看,可以回纳智能化断路器的操作进程为: 智能控制单元不竭从电力系统中收集某些特定信息,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。当变电站的主控室因系统故障由继电庇护装配发出分闸旌旗灯号或正常操作向断路器发出操作饬令后,控制单元凭据一定的算法求得与断路器工作状态对应的操念头构预定的最好状态,并驱动执行机构操念头构调整至该状态,从而实现最优操作。显然,智能控制单元是断路器智能操作实现的焦点部件。

1 智能控制单元

  智能控制单元是智能化断路器的灵魂,它是以微处置机为焦点部件,综合运用传感技术、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,以完成断路器的智能操作,实现断路器的智能化。

智能控制单元的基本功能有:

1.1自动识别断路器的工作状态

  断路器的工作状态的准确识别是实现智能操作的条件。对于超高压断路器而言,其使命主要有分断短路电流、负载电流、过载电流、小容性电流和小电感性电流等。

1.2自动调整断路器的操念头构

  这是控制单元的焦点功能。是以控制单元必需在识别断路器工作状态的根蒂根基上肯定与之相对应的操念头构的调整量。

1.3记实并显示断路器的工作状态

  由于断路器在年夜大都运行时间内是不动作的,在此时代,本单元的使命是对断路器的工作状态不竭地进行监测,同时它还记实断路器每次开断情况,包括开断电流的年夜小、开断类型及是否发生拒分或拒合等信息。短路时还应记实短路电流的变化进程,以便于电力部门进行事故分析及断路器的维护。同时,也可经由过程断路器累积开断电流的年夜小来暗示断路器触头的烧蚀情况。

1.4具有与远端主机进行通讯的功能

  控制单元可以凭据主机的要求将断路器的开断记实及其他数据经信息传输接口上网传送至上位机,并经由过程上位机经信息传输网络将操作饬令及庇护参数、庇护及重合闸方式等设置装备摆设要求传送过来。

2 对断路器工作状态的监测与诊断

   监测与诊断是智能化电器装备的重要环节,很难想象,智能化电器装备一旦失往了监测与诊断的技术支持,会是个什么样子。计较机技术、传感技术与微电子技术的前进,使智能化断路器的监测与诊断的要求得以实现。它要求具有以下功能:

2.1灭弧室电寿命的监测与诊断

动作次数: 记实合分次数,逾限报警;

开断电流加权累计,即统计ΣIα(α=1.5~2)值,逾限报警。

  触头的电磨损主要取决于燃弧电流的年夜小及燃弧时间的长短。而燃弧时间,对现实使用中的断路器是难于获得的,且燃弧时间从统计和累计的角度可没必要斟酌。是以,人们常将注重力集中在开断电流上,研制累计开断电流记实仪。可是,累计开断电流与触头电器磨损之间其实不是单值函数关系,一样的累计开断电流,若是单次开断的电流小,其磨损量要比单次开断电流年夜时小得多,是以,准确的方式应当是据每次开断电流的年夜小换算成响应的磨损量,而磨损总量应凭据断路器的额定开断电流和额定开断次数来肯定,而分歧开断电流下的等效磨损量应由实验所得的经验曲线肯定。

  对于真空断路器来说,灭弧室除电寿命外,还有真空度的监测。年夜量的研究和实践证实,12kV真空断路器今朝型式实验的短路开断次数有的已做到了50次,在开断50次以后,触头的烧损厚度仅为0.6mm左右,烧损甚微; 而真空灭弧室产物允许触头烧损厚度为3mm,说明真空断路器在开断方面的余量很年夜,更况且在现实运行中,短路开断的次数是不会很多的。响应之下,真空断路器灭弧室的真空度下降的机率却要高得多,从1999年的统计资料看,全国真空断路器共发生45次事故,其中因灭弧室真空度下降酿成的就有9次,因而可知,对真空断路器来说,灭弧室真空度的监测是很重要的。

2.2断路器机械故障的监测与诊断

  凭据多年的年夜量统计资料讲明,事故的70%~80%出在高压断路器的操念头构和控制回路。断路器的机械部门比力复杂,且持久不动作,比今朝已较为成熟的旋起色械的监测技术更为坚苦,常需要采用多种技术综合判断,主要有以下几项:

  (1)合分线圈电流波形监测,非正常报警;

  (2)合分线圈回路断路监测,断路报警;

  (3)监测行程,过限报警;

  (4)监测合分速度,过限报警;

  (5)机械振动,非正常报警;

  (6)液压机构打压次数、打压时间、压力;

  (7)弹簧机构弹簧压缩状态,传念头构和锁扣部门的工作状态,电念头工作时间;

  (8)永磁机构: 线圈状态、磁性的稳定状态和弹簧的压缩状态等;

  (9)关头部门的机械振动旌旗灯号。高压断路器合分动作的机械振动波形十分复杂,凡是包括着多个子波,看起来杂乱无章的波形现实上是多个子波的混叠,每一个子波代表一个振动事务。分析振动波形,把各子波分手出来,可以获得事务的个数及各事务发生的时间和事务的强度,可以获取断路器操作进程机械部门的多个信息。对波形分析的方式很多,如小波分析、外形比力、统计进程处置等等。丈量所用的加速度传感器应据所监测的方针(电磁振动、部件振动、操作振动、微粒跳动等等)的分歧而合理选择。振动传感器的安装位置也应精心安插;

  (10)合、分闸线圈电流和电压波形的检测。线圈电流波形中包括着许多操作系统的信息,如线圈是否接通,铁芯是否卡涩,脱扣是否有障碍等等;

  (11)合、分闸机械特征: 速度、过冲、弹跳、撞击等,这些信息也可从振动波形中有所反映;

  (12)控制回路通断状态监测。这对因辅助开关不到位或接触不良酿成的拒分、拒合故障有很好的监视作用;

  (13)操作机构储能完成状态。

  判断上述所监测旌旗灯号是否正常的一个基本动身点就是将其与正常状态下的情况作比力。正常状态是在某一范围内,只有经由过程具体条件由实验和统计处置肯定。凡是是将一次操作的几个波在时域、频域、幅度上作横向比力,与前几回的操作作纵向比力以得出诊断结论。

2.3尽缘状态的监测

  气体断路器气体压力,越限报警,闭锁;

2 电力装备故障诊断的分层结构

  监测局部放电,用以预告尽缘事故,智能技术是把对信息的获取和加工推理,从代数的简单数值计较,成长为模拟人脑对不肯定性的分辨、思虑、展望、优化和决议计划。将智能技术引进到基于在线监测数据的尽缘诊断系统,将诊断机制分为四个条理,依次为在线数据的预处置、征兆集的提取、故障类型简直定和决议计划,如图2所示。

  研究讲明,由于在线监测具有数据量年夜、影响身分复杂的特点,智能技术出格适合尽缘在线诊断。

  在线数据的预处置阶段,采用有关方式剔除子虚点,并经由过程分析在线数据与情况身分的相关性,哄骗三次拟合曲线削弱情况对丈量数据的影响。在征兆集的提取阶段,由于斟酌到数据的动态特征和随机误差的影响,将待检数据与模子的残差作为故障的征兆之一,采用了相对比力法的时序分析法。研究证实这些方式是有用的。

  对尽缘诊断的后两个条理,即故障类型和决议计划层方面,尚需堆集更多的在线监测数据,和对故障种类的模式、严重水平的在线数据特征进行深进的研究,专家常识的堆集和诊断方式的完善也将是一个持久的进程。

2.4载流导体及接触部位温度的监测

  载流导体和母线联接处,接头处等接触部位的接触受振动力矩的作用而发生变化。致使接触电阻增加,接触部位的温度增加,故需要对这些部位的温度进行监测。

  这凡是是哄骗红外光的幅射强度或将感温元件装在导体上,转换成旌旗灯号传到低电位再还原成温度旌旗灯号,其难点是高电位导体上低压工作电源的获得方式,也有益用受热发声器件将异常过热信息传到低电位接受装配的。近来,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式。还有益用光微薄硅温度传感器的无源丈量方式如图3所示。

3 光微薄硅温度传感器的温度探头原理图

  图3是采用对温度敏感的Fabry-perot槽研制出的一种温度探头,Fabry-perot槽温度探头原理图如图3所示。装配由一薄硅片组成,在它中段的顶部和底部蚀刻出矩形槽,然后在薄硅片顶粘贴上一层玻璃,该玻璃的热膨胀系数与硅片的热膨胀系数分歧。当该处温度变化时,因2种材料分歧的热膨胀系数,在其内部发生内应力,内应力改变槽的深度。用光纤将多色光送进Fabry-perot槽,反射出的调制光也经光纤送出,调制的输出旌旗灯号是用光学干与丈量方式丈量的。

  由Fabry-perot槽组成的光纤传感系统其组成元件耐侵蚀、小巧、丈量活络度高,而且不受电磁干扰影响,在智能化高压电器的温度在线监测方面有广漠的市场。

2.5监测诊断系统的整体框图

  一个智能化的断路器装备或断路器装备的智能监测与诊断系统其整体方框图年夜致如图4。旌旗灯号传输部门若是扁平电缆,则距离甚短,多为并行数据旌旗灯号; 若距离较长多为串行旌旗灯号,仅需两根电缆,且旌旗灯号获取单元可有多个,每增一个仅多一地址编码。由于对异常水平及故障部位的诊断难度较年夜,计较机决议计划有时比力坚苦,很多装配还借助于人脑对信息作综合分析,以便作出最后决断,计较机只对那些确认无疑的越限值给出告警旌旗灯号。

4 诊断系统整体框图

  传感器要获取的旌旗灯号其实不只局限于前面叙述的那些,一个智能水平较高的断路器除电气、机械、尽缘各方面的劣化或变异需自行监测外,诸如气体密封状态、真空灭弧室的真空度、液压机构的液压、组合电器中避雷器的特征劣化等也应有响应的自检措施。

3 断路器的智能操作

  断路器的智能操作是智能化断路器最典型的运用,它是将智能化技术引进到断路器的电气性能中往,它使断路器能更好地完成开断使命和提高开断的靠得住性,提高断路器的综合技术性能,不管是生产运行仍是对研究制造都具有十分重要的作用和价值。今朝认为,它至少应包括以下两方面;

  一是要求断路器的操作性能可凭据电网中发出的分歧工况自动选择和调整操念头构或灭弧室合理的预定工作条件。例如: 对于自能式断路器的分断操作,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削减机械消耗,而在接到短路旌旗灯号时则以全速分断,获得电气和机械性能上的最好开断效果。今朝,此类专家系统的开发已在进行,变速操作打破了传统断路器单一分闸特征的概念,现实上是上述执行功能的智能化,是对高电压品级断路器操念头构的改造十分有益的测验考试。

  再是要求断路器在零电压下关合,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,同步分断可以年夜年夜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; 选相合闸可以免系统的不稳定,克服容性负载的合闸涌流与过电压。在电力电子领域,近年来流行一种软开关技术,使半导体开关器件在零电压下关合,在零电流下分断,可以认为: 电子操动正是实现断路器的软开关技术的关头。今朝比力迫切的运用是在:

  (1) 并联电抗器操作

  (2) 电容器组操作

  (3) 变压器操作

  (4) 输电线路操作

  每种运用对断路器和控制装配的性能提出某些要求,能从基本上解决过压问题。这对推行无功抵偿、稳定电力系统意义极年夜。运用真空触发开关和一般电磁机构真空开关已实现了这类选相合闸的并联电容器组的投切,进一步的工作将用有永磁机构的智能化断路器直接实现选相合闸。

  永磁操念头构年夜年夜提高了机构的可控性,由原来毫秒级的机构控制时间涣散性前进到微秒级的电旌旗灯号控制,由机械储能、机械脱扣前进到电储能、电旌旗灯号直接触发动作(电子脱扣)。真空断路器新的操动理论应包括两部门: 控制精度分析与靠得住性设计,高靠得住性控制电路的设计和机构运动特征分析与优化。

断路器的同步分断与选相合闸的实现

  现代传感器技术使交流零点旌旗灯号的拾取变得很是靠得住和利便。一样,我们也能够利便地取到交流电压或电流变化率的零点(对应正弦旌旗灯号的峰值)旌旗灯号。剩下的问题是控制旌旗灯号在电压或电流零点之前或它们的变化率零点以后什么时刻发出。

  今朝同步断路器的成长还需进一步的靠得住性论证和设计,它的连带意义是断路器的完全可控,其成长可能成为最典型的新概念开关电器。

  CAT(即具有人工智能技术的断路器,Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology:CAT是专为ELFSF6断路器(敝开式)和ELK型封锁式组合电器(GIS)而开发和实验的,

  CAT为一模块式电子,它由三个自力的分相模块所组成,可以使断路器在最好投切时刻进行每相的自力操作。其效果为:减轻投切时的瞬时过电压;减轻电流对装备的应力。

  对经常要使用分合闸电阻的高压断路器来说,CAT是一种可供选择的靠得住技术替换方案。CAT安装在断路器的控制回路中,具有处置来自电压或电流互感器输进的信息的功能,并在最好操作条件的时刻发出断路器操作脉冲。例如: 视电网参数分歧而异,CAT能有用地将电容器组投进时的冲击电流减低到其原有值的30%。对于有并联抵偿线路的自动重合闸,即使对长线路而言,操作过电压值也能连结在2倍(标么值)以下,在切除并联电抗器的情况下,CAT能消除在断路器内有害的电弧重燃,因而避免了电抗器尽缘的劣化。

4 智能型高压电器有关问题的探讨

  断路器智能技术不仅是概念上的转变和理论上的成长,而且是在众多领域中技术上的突破,它的实现必然会运用一些新技术、新材料、新工艺,不竭提高产物的档次和技术含量,可是在这个进程中,焦点的问题是信息的采样传输与控制系统,这些领域中,有的技术相对成熟,有的尚处于开发研制与试运行阶段,需要一个不竭总结提高和完善的阶段,具体有下列方面:

4.1 关头技术

  4.1.1 传感技术。局部放电、高压导体测温、高压侧电流和电压的丈量技术,出格是今朝正在开发研制的光电流、电压传感技术等难度较年夜的传感技术;

  4.1.2 微机技术。开发出成功的智能化软件是微机技术的关头。而软件系统中,主法式则是焦点法式。

    主法式首先完成单片机和外围接口芯片的初始化; 以后,主法式不竭检测并显示断路器的工作状态,随时准备应上位机的要求与之通讯,传递有关的控制和状态信息。

  4.1.3 抗电磁干扰技术

    研究讲明,系统中常态噪声是工频50Hz及其高次谐波,一次回路中发生的任何形式的暂态进程(如各类过电压和各类短路故障)和载波通讯旌旗灯号,城市经由过程分歧的途径耦合到二次系统。此外,高电场引发的电晕及污闪也要发生电磁辐射,二次控制回路的开关电源由于其浪涌噪声也会对电量传输带来扰动。年夜功率电磁铁动作时引发空间磁场的变化,还会在四周的导电回路中感应出电流,对操念头构中的控制电路带来考验。解决电磁兼容问题就要针对各干扰源,严酷屏障、隔离与接地措施,旌旗灯号的数字化传输可以年夜年夜减缓干扰的影响水平,引进光电转换不单可以进行电气隔离,还可以保证旌旗灯号传输进程不受电磁场的干扰。

  由于智能化断路器的旌旗灯号传输与控制系统的工作电压和旌旗灯号传递电平低,耐压水平低,外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏,而这类情况对于传统电器和谐的影响是不年夜的。是以,电磁兼容是断路器智能化的新课题。

  4.1.4 旌旗灯号处置技术。对有些技术来说,获得监测旌旗灯号只是第一步,必需进行故障诊断才能作出判断、决议计划。如局部放电监测所得复杂旌旗灯号需要进行故障诊断才能实现故障分类、故障定位、预期寿命估量等; 用机械振动法监测断路器机械状态也需对获守信号作处置才能准确辨识; 今朝对于断路器电弧状态的研究,也是从电弧电压进手,经由过程软件的处置实现对电弧状态的诊断。

4.2寿命问题

  一般来说,电子装备的使用寿命远低于高压电器装备自己的寿命,这是一个矛盾。解决的法子有:

  4.2.1提高电子装备的靠得住性,这可以从设计、制造及适当改善运行条件几方面着手;

  4.2.2应有自检功能;

  4.2.3采用综合判断;

  4.2.4对于不异功能的部件,采用模块化设计,以下降成本增加备用量,到达整体上提高电子装备的靠得住性。

4.3经济问题

  当前在计较机等装备不竭降价的情况下,监测装备价格也不竭下降。这类趋向还会继续下往。但不管若何,仍要相当经费。如日本三菱公司在’97国际电力装备及技术展览会上显示的GIS监测装备包括局部放电等约10项内容的装配,价格不跨越GIS自己的1/10。这比几年前听到的1/3要廉价很多。如采用国产装备还会廉价得多。

国外也十分关心监测技术的经济问题,并作出了很多经济分析。若有用下列公式作为采用监测装备的条件:

C<b+d•e

式中: C——监测装配每一年平均投资

B——采用监测装配后,因削减维修次数而每一年平均

勤俭的维修经费

D——采用监测装配后,因削减一次事故而每一个平均

勤俭的维修费

E——年事故率

  在不斟酌DE一项时,监测装备的合理投资为高压开关装备投资1%-2.7%,后者指频仍操作的高压开关。以上固然未斟酌因泛起事故所酿成的各类间接经济损失。非经济损失更难于计较。

  美国纽约电管局和加拿年夜魁北克水电局自1993年装配MONITEC监测系统到1996年因监测出包括机构卡滞、动作不到位和轴销断裂等5次重年夜事故征兆,保证了供电靠得住性,估量勤俭经费跨越100万美元,下降了成本,提高了市场竞争力。

  今朝,对高压断路器智能化经济问题的斟酌,总是偏重对智能化需要而购置的装备的价格;其次,再包括削减维修次数勤俭的经费和削减一次事故所勤俭的费用。按理说,这是很不够的。好比,由于实现了断路器的受控操作,断路器的开断容量可以削减,是否能选择开断容量小一些的断路器?操作过电压的倍数下降了,装备的尽缘水平能否下降?再者,由于智能化断路器科技含量高、技术进步前辈、靠得住性高而遭到用户的青睐,在竞争中中标而获利,这些潜在的经济效益能不能斟酌。总的来看,不管是研究开发机构、制造厂商仍是使用单元,把方针瞄准智能化断路器不失为明智之举。

5 智能化断路器的现状

  近年来已有很多智能化断路器面市,如西门子公司的智能式真空断路器及ABB公司近年来推出的VM1型真空断路器。

  当前,世界上进步前辈的工业国家都看好在电力系统中高压领域智能化高压电器的成长前景和潜在的效益,加年夜了研究的投进和开发的力度,  断路器智能化是一项更新换代的工作,它触及到很多领域的技术前进和立异成长,如传感技术、微电子技术、计较机技术、信息技术和断路器自己及操念头构等方面,需要更多的投进和开发。可是,可以展看,随着智能化进程上的难题一个一个地被破解,性能优越的智能化断路器终将会在不久的未来登堂进室,为人们所熟悉和喜爱。

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