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摘要：隨著電力系統的發展，我們面臨的任務是研制適合我國電網特點的、規范的“國產pass系統”。本文主要介紹了pass開關智能化的概念、設計思想和pass開關智能綜合控制器的主要功能，具有很好的市場前景。pass開關智能化是在微機保護的基礎上，增加了許多功能，實現調度自動化、微機保護以及設備狀態監控“三合一”的功能。
關鍵詞：智能化開關；低功率電流互感器；傳感器；監測
隨著社會科技的發展，人們對環境保護越來越重視，有著國家工業“血液”之稱的電力行業也作出了相應的規劃，具有占地少、自動化程度高、維護量小對環境影響小的緊湊型變電站也就應運而生，并得到了廣泛地使用。abb公司推出的pass系統以結構緊湊、安裝方便、穩定可靠、智能化等特點得到了用戶的青睞。但abb公司生產的pass產品自身的繼電保護接口和有關協議與我國現有設備之間存在差異，而這些問題一時無法解決。為了在我國實際應用pass系統，只能將其智能系統放棄掉，用傳統的設備來代替，這樣大大消減了pass的特有優勢。如何盡快解決這些問題，使得我們在引進吸收的基礎上，提高我國電力系統和電力設備的整體水平，為此研制能夠適合我國電力系統規范的“國產pass系統”就擺在我們面前。
國電博納（北京）電氣技術有限責任公司在長期從事實際工作的基礎上，針對這些問題提出了完整的系列方案，簡要說明如下。
一、概述
隨著輸變電站技術的發展，出現了的變電站，這些變電站特點是：接線越來越簡化，自動化程度越來越高，占地面積越來越小，土建工作量越來越少，安裝過程越來越容易,設備的運行越來越可靠，設備日常維護越來越簡便。這些要求就促使組成變電站的一次開關設備在結構上更加緊湊、在操作和維護上更加智能化。pass作為這類開關的典型設備，迎合了變電站發展的要求。
從總體上來講，pass開關智能化有兩方面的內容：開關間隔層的智能化和變電站層的智能化。開關間隔層方面就是對本間隔的開關設備進行信息的采集、處理和通訊，這一部分智能化的工作包括監控選點、傳感器應用、判斷處理、通訊功能等，在開關間隔層安裝自動化單元、保護單元和設備狀態監控單元組成的“三合一”系統，可為一次開關設備的優化操作及設備狀態評估提供一個技術平臺，主要靠硬件器件來實現；變電站方面是對間隔自身和間隔之間的信息收集記錄以及遠方遙控等，這一部分智能化的主要工作是實現記錄和通訊功能，主要靠軟件來實現。
pass開關智能化的難點集中在開關間隔上。這部分工作涉及到設備和傳感器的研制及使用，如用小功率電流互感器代替常規電流互感器來實現電流的采樣、用數字sf6密度表替代機械sf6密度表來監視sf6氣體密度變化等。pass開關智能化包括互感器、開關操作系統、系統控制和綜合網絡控制等諸多方面，除信息（物理量）采集所使用的手段外，其它每個單元都屬于變電站二次設備自動控制中的輔助工藝過程，可以歸屬于變電站二次系統自動化的技術范疇。
pass開關智能化是在微機保護的基礎上，除了過去的微機保護設備和遠動裝置外，又增加了開關的防誤操作連鎖裝置、運行環境檢測、開關運行狀態跟蹤、故障分析及定位、開關壽命分析等多方面的自動裝置，把這些具有二次系統自動化功能的裝置都綜合于就地開關控制柜中，以便實現調度自動化、微機保護以及設備狀態監控“三合一”的功能。pass開關智能化，可以大大減少定期檢查次數，實現有目的的檢修，減免因檢查而停電造成的損失和對開關設備的人為傷害；可以節省保護和遙控設備所需的場地空間和大量的控制電纜，不但減少了成本，而且使繼電保護更加安全可靠；可以使變電站控制室從日常的“繁忙事務”中解脫出來，“集中精力”從事系統、網絡管理。
pass智能系統組成的變電站，主要有以下幾部分組成：
1）pass開關運行狀態和運行參數信息采集系統；
2）pass開關就地控制和保護單元；
3）pass開關運行狀態分析系統；
4）光纖通訊系統；
5）信息記錄，故障分析和定位單元。
圖1智能化pass系統圖
二、pass智能化設計思想
采用帶鐵心線圈的低功率電流互感器來代替常規的電流互感器，將常規的保護、測控單元直接就地安裝，將pass開關裝置、采集開關狀態物理量的傳感器和智能綜合控制器組合起來，采用屏蔽電纜或者光纖聯接，實現pass開關智能化。智能化pass開關結構圖如圖2。
1．采用帶鐵心的低功率電流互感器（lpct）
pass開關上使用的常規電流互感器是一種無奈的選擇，原因是原設計的光電組合傳感器的規約和檢測標準還未制定出來，不具備推廣的條件。笨重的干式套管ct使設備總重量提高了1/3~1/4，制造成本較高，也不便于設備的整體運輸和安裝。采用帶鐵心線圈的低功率電流互感器（lpct）是常規感應式電流互感器的發展。由于現代電子設備要求的輸入功率很低，lpct可以為此實現體積很小但測量范圍卻很廣的設計，如下圖3所示為低功率鐵心線圈交換器。
圖3低功率鐵心線圈交換器
lpct包含一次繞組、較小的鐵心和損耗小的二次繞組，后者連接分流電阻rsh.二次電流is在分流電阻上產生的電壓us，在幅值和相位上正比于一次電流。分流電阻集成于lpct中，rsh選取得使其對互感器的功耗近于零。因而地擴大了測量范圍，電流互感器在（或偏移）一次電流下會飽和的特性將得到改善，測量和保護也可能使用同一互感器。
低功耗電流互感器的選擇范圍很大絕大多數的互感器即可以并入斷路器也可以并入套管絕緣子上與這些互感器連接的控制設備目前可在市場上買到僅需要很低能源的模擬信號保護設備市場已有銷售。我們擬使用的典型二次參數額定電流保護為0.2,計量為0.4a,額定電壓660v,額定電壓3千伏；重量為傳統互感器的1/10.這種低功耗電流互感器在國外已經得到大量推廣。典型參數如下:
2．采用監控傳感器
采用的傳感器有：氣體密度測量傳感器；測量電壓電流的傳感器；用于斷路器、隔離開關、接地開關的傳感器；反映物理現象的傳感器(如：電弧放電、溫度、濕度等)。
這些傳感器必須滿足高可靠性和壽命要求。
3．pass開關智能綜合控制器
pass開關智能綜合控制器，就是把開關、隔離開關的一切在線監測功能；本間隔內綜合自動化要求的保護、測控、五防、通信功能；以及設置顯示人機界面功能集中在一個具有雙層結構的密封金屬箱體內，通過互為熱備用的雙光纖以太網接口，與變電站的上一級監控系統連接，完成數據交換和控制功能。箱體內的各個功能部分由獨立的智能模塊各自完成，并通過通信有機連成一體。
pass開關智能綜合控制器安裝在室外，運行環境要比室內條件惡劣，在其結構、工藝上經過處理，采用雙層隔熱防水結構，里層實行全封閉，達到防塵防潮的目的。
4.有關pass開關控制柜的工藝要求的說明：
（1）體采用雙層隔熱防水結構，里層實行全封閉，達到防塵防潮的目的。在設計上，還考慮到充分利用雙層之間的空氣流動，有效的散發里層柜體的部分熱量。
（2）柜體采用成熟的熱噴鋅工藝：箱體經過鈍化處理，噴鋅時鋅材料可以滲進箱體0.2-0.3mm，可金屬表層15年內不發生銹蝕問題。
（3）在全封閉的里層機柜內設有透氣孔，通過選擇合適的部件保證達到既驅潮透氣又不能進水的目的。
（4）pcb板主部做“三防”處理。
（5）加裝有溫度、濕度自動控制系統，可以根據現場的外部環境進行自動加溫和除濕。
（6）采用德國的多接插件，該接插件具有良好的密封特性，接線采取冷壓插針，可以很好的解決端子松動和端子的銹蝕問題。（就端子的選用，專門赴外地考察了有關用戶單位。對戶外運行多年的設備抗銹蝕，做了詳細調研。）
（7）保護單元和測控裝置的接線采取鳳凰插接的壓接端子，可以很好的解決保護單元和測控裝置端子的銹蝕問題。
三、pass開關智能綜合控制器主要功能
對監測量進行在線監測和實時記錄，并經過計算和邏輯判斷發出指令或報警。該系統具有參數設定（根據有關的規程、開關設計參數設置判斷的閥值）、實時監測、圖形顯示、數據顯示、系統校驗、操作控制（手動、自動）、信息通訊等功能。
其監視和診斷系統示意圖見圖4。
1．操動機構分、合閘線圈工作電流
線圈工作電流的波形，反映了鐵芯運動狀態和機械狀態。根據電流波形的特征參數可以計算出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間，從而得到鐵芯運動狀態，能夠發現是否有鐵芯卡滯現象、鐵芯的行程和鐵芯吸力等參數的變化。
2．操動機構分合閘線圈工作電壓的監測
根據dl/t596－1996《電力設備預防性試驗規程》和gb50190－91《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》的規定：“直流或交流的分閘電磁鐵，在其線圈端鈕處測得的電壓大于額定值的65時，斷路器應可靠分閘；當此電壓小于額定值的30時，不應分閘”。對線圈工作電壓的監測能夠得知操作回路電壓的高低，可作為將來故障診斷的依據。
3．分合閘回路狀態的檢測
分合閘回路是否完好，是分合閘線圈順利動作的基本保證。對此檢測可預防斷路器由控制回路斷線故障而拒動。這樣可以減少“拒動”現象發生的幾率，有益于斷路器穩定運行。如出現異常就報警。
4．斷路器開斷電流和開斷次數的監測
斷路器的累計開斷電流是表征其電氣壽命狀況的重要參數，對此檢測可以計算出觸頭電磨損情況，據電壽命計算公式可以對斷路器的電壽命作診斷。
5．斷路器的行程、時間的監測
斷路器觸頭運動特性包括觸頭合閘特性和分閘特性。合閘和分閘運動速度特性是滿足斷路器滅弧室的電氣性能的保證。通過行程—時間特性曲線可以間接得到斷路器合、分速度曲線，能夠反映斷路器動作過程中有無機械卡滯或緩沖不良等異常現象，并由這些參數來判斷斷路器當前的狀態是否正常。
6．sf6氣體密度的監測
sf6在氣室中的密度是保證絕緣、順利滅弧的基本保證，它是否滿足開關設備設計的要求，是保證開關正常運行的前提條件。對此檢測，根據不同的密度，發出不同的指令或報警。
7．斷路器、隔離接地組合開關觸頭位置狀態的監測
作為觸頭位置的狀態指示及相關特性分析的一個判斷依據。
8．系統電壓、電流信息的記錄、顯示等
電壓、電流信號是繼電保護和計量的基本信號，也是事后進行事故分析的重要信息。
9．斷路器和隔離接地開關的操作機構的監測
輔助開關的狀態監測并記錄、儲能情況監測和記錄、電機電源情況出現異常報警。
10．匯控柜的監測
匯控柜絕緣、室內溫度和濕度監測記錄。
11．局部放電監控和火花放電判斷（選項）
近幾年來，各研究機構把大量的時間和努力都傾注在氣體絕緣變電站的局部放電的測量上，聲容或靜電傳感器就是該項技術。根據目前的現狀，用戶要求將它們放置在變電站中，這樣可以在間隔層和變電站產生大量數據，難度在于如何從大量的數據中得出準確的結論，這就需要足夠精確的預測制定時間表，以便對有問題部分進行維修。根據參數的不同，不同的監控系統不是功能不足就是功能過當，所以持續的局部放電監控尚無法建立這種監控系統。一般都是離線操作，即記錄規律時間間隔的單個傳感器信號，并與早期記錄的數值進行比較。
也可以通過電弧監控判斷火花放電。光傳感器不間斷地檢查氣艙是否有電弧，并發信號給間隔層和變電站層，但時由局部放電監控傳統的方法采集的信號不能直接被傳感器重復使用。監控軟件可以進行一種程序執行分析并確定發生火花放電的氣室。采用這種方法至少能確定變電站中可能需要維護的部分。
12．斷路器觸點的路徑時間功能（選項）
采用人工智能斷路器驅動裝置來監測。兩個位置傳感器測量操縱主要接觸的儲能的盤式彈簧和拉桿的實際壓力。在工廠安裝和檢驗時，斷路器會在不同的負荷下反復操作數次，且每次由傳感器測出的路徑時間數值會永久存放在產品數據庫中，每次開關操作所得數值就會與產品數據庫中的數值進行比較，從而得到驅動裝置的實際狀態。與驅動裝置相關的監控值以及采樣的u/i傳感器的電流電壓值被以優于25微秒的精確度做了時間標記，通過把這些瞬時數據與數據庫的數據進行比較可得到觸頭的磨損程度。這樣監控軟件就可確定下次檢驗的日期。
以上采集到的數據，通過光纖通訊傳到變電站主控中心或者網控中心，并根據需要進行存儲和整理。這些數據用于變電站一次設備的投運和維護的比較。
四.前景展望
智能化開關電器是將計算機、信息技術與傳統開關電器組合，而具有智能功能的開關電器，是上近才興起的一種產品，由于有明顯技術優勢，發展速度比較快。目前國內在高檔開關柜中（組裝柜），智能化率已達到50以上，今后隨著智能化技術更成熟，智能化單元、傳感器等價格降低，會逐步在整個開關柜中普及。近來在輻射架空線系統中已開發不少智能化開關設備，如重合器、分段器、真空自動配電開關（vps5）等，但由于價格高，是sf6、真空柱上開關的2~3倍或5倍，難為縣級以下，投產能力較差的用戶因此"十五"有一定市場，但不會太大。gis、斷路器等高壓元件中，以在線監測為主的智能化技術，目前還不夠成熟，有待進一步的發展和提高，預計今后5年將會有實質性的市場起動。
參考文獻:
1、高壓開關插接式開關系統孫崗顧霓鴻袁大陸
2、采用abb公司的pass一次設備與國產二次設備的接口問題孔偉彬
3、高壓斷路器原理和應用徐國政錢家驪等
4、改造、擴建和新建高壓變電站的新思想作者:peterhgg/abb高壓技術有限公司總工程師、dieterfüchsle/abb高壓技術有限公司項目經理、alexanderkara/abb高壓技術有限公司工程經理、andreasmüller/abb高壓技術有限公司市場經理。