| 智能化断路器的发展前景 |
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随着电力系统越来越高的可靠性及自动化要求，无论是发电、输电、配电还是用电，都提出了监测、控制、保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设备智能化的基础。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。它必须尽可能地应用电弧自身的能量，实现运行状态的自诊断，操动机构的可控操动，并且配置最新传感器技术，微电子技术和信息传输技术，智能化的概念才比较完整。
一般来说，智能化电器设备除满足常规电器设备的原有功能外，其功能主要表现为:
1、应具有灵敏准确地获取周围大量信息的感知功能;
2、应具有对获取信息的处理能力;
3、 应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。
图1 断路器智能化工作框图
图1概要说明了一种兼有计算机系统和传感装置的智能化断路器工作原理。主要的传感器可探明气体密度，通过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信号能够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。同样，在运动传感器和能量传感器的帮助下，操作机构的状态可实现监控。另外，这些传感器的信号可同时用于常规的位置指示和电动机控制功能上。
如果需要，还可在基本系统中增加传感器。根据对周围温度的测试结果，对状态变化（以及反映出的趋势信息）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，进行时间记录十分有助于对变化趋势的预测。附加的电流电压传感器实现断路器设备功能最优化的基础。
总的来看，可以归纳智能化断路器的操作过程为: 智能控制单元不断从电力系统中采集某些特定信息，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保护装置发出分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。显然，智能控制单元是断路器智能操作实现的核心部件。
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，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前提。对于超高压断路器而言，其任务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动机构
这是控制单元的核心功能。因此控制单元必须在识别断路器工作状态的基础上确定与之相对应的操动机构的调整量。
1.3记录并显示断路器的工作状态
由于断路器在大多数运行时间内是不动作的，在此期间，本单元的任务是对断路器的工作状态不断地进行监测，同时它还记录断路器每次开断情况，包括开断电流的大小、开断类型及是否发生拒分或拒合等信息。短路时还应记录短路电流的变化过程，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。
1.4具有与远端主机进行通信的功能
控制单元可以根据主机的要求将断路器的开断记录及其他数据经信息传输接口上网传送至上位机，并通过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设备的重要环节，很难想象，智能化电器设备一旦失去了监测与诊断的技术支持，会是个什么样子。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。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: 记录合分次数，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大小及燃弧时间的长短。而燃弧时间，对实际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不必考虑。因此，人们常将注意力集中在开断电流上，研制累计开断电流记录仪。但是，累计开断电流与触头电器磨损之间并不是单值函数关系，同样的累计开断电流，如果单次开断的电流小，其磨损量要比单次开断电流大时小得多，因此，正确的方法应该是据每次开断电流的大小换算成相应的磨损量，而磨损总量应根据断路器的额定开断电流和额定开断次数来确定，而不同开断电流下的等效磨损量应由试验所得的经验曲线确定。
对于真空断路器来讲，灭弧室除了电寿命外，还有真空度的监测。大量的研究和实践证明，12kV真空断路器目前型式试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; 而真空灭弧室产品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大，更何况在实际运行中，短路开断的次数是不会很多的。相应之下，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造成的就有9次，由此可见，对真空断路器来讲，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
根据多年的大量统计资料表明，事故的70%~80%出在高压断路器的操动机构和控制回路。断路器的机械部分比较复杂，且长期不动作，比目前已经较为成熟的旋转机械的监测技术更为困难，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，传动机构和锁扣部分的工作状态，电动机工作时间;
(8)永磁机构: 线圈状况、磁性的稳定状况和弹簧的压缩状态等;
(9)关键部分的机械振动信号。高压断路器合分动作的机械振动波形十分复杂，通常包含着多个子波，看起来杂乱无章的波形实际上是多个子波的混叠，每个子波代表一个振动事件。分析振动波形，把各子波分离出来，可以得到事件的个数及各事件发生的时间和事件的强度，可以获取断路器操作过程机械部分的多个信息。对波形分析的方法很多，如小波分析、形状比较、统计过程处理等等。测量所用的加速度传感器应据所监测的目标（电磁振动、部件振动、操作振动、微粒跳动等等）的不同而合理选择。振动传感器的安装位置也应精心布置;
(10)合、分闸线圈电流和电压波形的检测。线圈电流波形中包含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、分闸机械特性: 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造成的拒分、拒合故障有很好的监视作用;
(13)操作机构储能完成状况。
判断上述所监测信号是否正常的一个基本出发点就是将其与正常状态下的情况作比较。正常状态是在某一范围内，只有通过具体条件由试验和统计处理确定。通常是将一次操作的几个波在时域、频域、幅度上作横向比较，与前几次的操作作纵向比较以得出诊断结论。
2.3绝缘状态的监测
气体断路器气体压力，越限报警，闭锁;
图2 电力设备故障诊断的分层结构
监测局部放电，用以预报绝缘事故，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。将智能技术引入到基于在线监测数据的绝缘诊断系统，将诊断机制分为四个层次，依次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，如图2所示。
研究表明，由于在线监测具有数据量大、影响因素复杂的特点，智能技术特别适合绝缘在线诊断。
在线数据的预处理阶段，采用有关方法剔除虚假点，并通过分析在线数据与环境因素的相关性，利用三次拟合曲线削弱环境对测量数据的影响。在征兆集的提取阶段，由于考虑到数据的动态特性和随机误差的影响，将待检数据与模型的残差作为故障的征兆之一，采用了相对比较法的时序分析法。研究证明这些方法是有效的。
对绝缘诊断的后两个层次，即故障类型和决策层方面，尚需积累更多的在线监测数据，以及对故障种类的模式、严重程度的在线数据特征进行深入的研究，专家知识的积累和诊断方法的完善也将是一个长期的过程。
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。导致接触电阻增加，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，其难点是高电位导体上低压工作电源的获得方法，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。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法。还有利用光微薄硅温度传感器的无源测量方法如图3所示。
图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。装置由一薄硅片构成，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不同。当该处温度变化时，因2种材料不同的热膨胀系数，在其内部产生内应力，内应力改变槽的深度。用光纤将多色光送入Fabry-perot槽，反射出的调制光也经光纤送出，调制的输出信号是用光学干涉测量方法测量的。
由Fabry-perot槽构成的光纤传感系统其组成元件耐腐蚀、小巧、测量灵敏度高，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阔的市场。
2.5监测诊断系统的总体框图
一个智能化的断路器设备或断路器设备的智能监测与诊断系统其总体方框图大致如图4。信号传输部分若是扁平电缆，则距离甚短，多为并行数据信号; 若距离较长多为串行信号，仅需两根电缆，且信号获取单元可有多个，每增一个仅多一地址编码。由于对异常程度及故障部位的诊断难度较大，计算机决策有时比较困难，很多装置还借助于人脑对信息作综合分析，以便作出最后决断，计算机只对那些确认无疑的越限值给出告警信号。
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| 出处：徐州供电公司 作者：方可行 |
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