探析智能化高壓開關設備技術的發展

徐先鋒

【摘 要】經濟和社會的高速發展，對電力系統的可靠性和安全性提出了更高的要求。為了適應我國電力系統發展的需求，近年來高壓開關設備不斷向著智能化的方向發展，智能化高壓開關設備具有控制網絡化、測量數字化、狀態可視化、信息互動化和功能一體化的特征，明顯提高了開關設備的可靠性和安全性。本文在分析智能化高壓開關設備結構和特征的基礎上，探討了智能化高壓開關設備技術的發展趨勢。

【關 鍵 詞】智能化；高壓開關設備；GIS；高壓斷路器；高壓熔斷器

【中圖分類號】 V242.3+1【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0254-01

隨著智能電網建設的不斷推進，智能化高壓開關設備受到了人們越來越多的關注和重視。作為智能電網的重要輸配電設備，智能化高壓開關設備的可靠和安全運行對于電力系統的穩定運行至關重要，因此本文就智能化高壓開關設備技術的發展進行探討，以期為促進電力系統的安全運行提供一些有益的參考。

1. 智能化高壓開關設備的概述

1.1 智能化高壓開關設備的定義

智能化高壓開關設備是“十一五”時期裝備工業集傳統的機械裝置和電子產品、電子技術于一身的機電一體化新一代產品。到目前為止，智能化高壓開關設備只是一個泛指，相關專業還沒有規范的術語和定義。對于一個元件而言，可以理解為按照智能化的要求植入一個或多個元素或功能，如通信接口、傳感器等；對于開關成套設備，如開關柜、配電設備等，可以理解為對一個系統的綜合要求，諸如自動化、在線監測、互動化等。

1.2 智能化高壓開關設備的結構

智能設備是含傳感器的一次設備與智能組件的結合體，智能化高壓開關設備的組成包括以下部分：高壓開關設備、傳感器/執行器、智能組件，其中智能組件通過傳感器/執行器與高壓開關設備形成有機整體，實現與宿主設備相關的測量、控制、監測、計量和保護等功能。

智能組件（Intelligent component）是面向單一一次設備的綜合測控集，由若干智能電子裝置（IED）集合組成，在滿足相關標準要求時，還能夠承擔保護、計量等功能，強調功能實現的一體化。智能組件包括過程層網絡通信和站控層網絡通信，遵循IEC 61850通信協議；組件內可有不同的交換機配置方案，應該采用優先設置、流量控制、VLAN劃分等技術優化過程層網絡通信。

2. 智能化高壓開關設備的特征

（1）控制網絡化。智能化高壓開關設備不僅能夠完成繼電保護控制命令，還能夠根據IEC 61850規約通信，CB/DS/ES/FES能夠正確執行網絡遙控命令。

（2）測量數字化。根據IEC 61850規約通信，高壓開關設備控制器、光電壓互感器、光電流互感器和合成單元，能夠通過網絡傳輸相關數字化測量和檢測信息，分別在就地和遠方顯示一次主設備接線形式、狀態信息、報警信號及狀態監測結果。

（3）功能一體化。智能化高壓開關設備的功能是高度集成的，具體說來：相關測量、控制和監測的融合設計，傳感器植入技術和光互感器的一體化設計，各監測IED的集成設計。

（4）操作程序化。智能化高壓開關設備能夠接受程序化操作命令，自動按照規定的時間和邏輯閉鎖要求逐一完成各指令所規定的操作。

（5）信息互動化。智能化高壓開關設備包括過程層網絡通信和站控層網絡通信，遵循IEC 61850規約通信協議。智能組件內所有IED都接入過程層網絡，需要與站控層網絡有信息交互需要的IED，還要接入站控層網絡，如測控裝置等。

（6）狀態可視化。各監測IED的監測結果，按照“唯一性標識、故障部位、故障類型、風險程度”的報文格式，通過過程層網絡向主IED報告自評估結果。

（7）監控診斷遠程化。通過無線網絡通信可以實現與智能化高壓開關設備的信息交互，從而達到遠程監控診斷功能。

3. 智能化高壓開關設備技術的發展趨勢

3.1 氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）的智能化

GIS的智能化是一個跨學科的綜合課題，其是具有眾多功能和豐富通信接口的系統。在GIS智能化的實施中，關鍵問題主要包括：

（1） 智能操控回路。傳統變電站中，GIS機構操作回路和操作箱的控制回路分別由一次、二次回路廠家設計，這容易造成寄生回路和成本上升。而智能變電站中，開關智能終端的就地化使得操控回路的一體化設計成為可能，并帶來如下益處：智能GIS設計時，考慮在開關智能終端的防跳回路基礎上增加機械故障防跳機制，防跳回路在印制板上實現，能夠提高一次設備的集成化和智能化程度，同時占用空間更??；在智能GIS中，由開關智能終端統一采集位置結點信息并通過GOOSE服務轉發給各二次設備，可以大大減少輔助結點的數量；斷路器總位置信號、三相不一致信號可以在開關智能終端內通過軟件邏輯實現，不需要額外的繼電器串、并聯合成回路；取消電氣聯閉鎖的硬件回路，減少對廠家的依賴。

（2） 在線監測。目前國內GIS的故障率較高，主要運行問題集中在內絕緣、氣密性和操作機構等幾個方面，在線監測需要重點開展GIS局部放電監測、斷路器機械故障在線監測、電壽命監測等方面的工作。

（3） 電子式互感器的應用。近年來電子式互感器在我國的應用日益增多，取得了一定的工程應用經驗，但同時也暴露出如下問題：常規二次設備電磁兼容試驗不能完全滿足要求，需要對試驗手段進行完善；與繼電保護裝置的分工和配合問題；相關計量規程的修訂和合并單元的定位。

（4） 匯控柜方案。GIS的智能化伴隨著電子設備的就地化，這意味著傳統的匯控柜已經不能滿足需求，需要從以下幾個方面進行改進：完備的信息交互、全環境適應性、溫濕度控制系統可靠性的提高。

3.2 高壓斷路器的智能化

目前世界上先進的工業國家，都十分看好智能化高壓斷路器的發展前景，加大了研究的投入和開發的力度。在高壓斷路器智能化實現的過程中，還有很多需要解決的技術和問題：（1）關鍵技術問題。智能化高壓斷路器需要解決的關鍵技術問題包括微機技術、傳感技術、抗電磁干擾技術和信號處理技術。（2）壽命問題。由于電子設備的使用壽命要低于高壓電氣設備本身的壽命，要解決這一矛盾必須從設計、制造和改善運行條件等幾個方面著手，采用模塊化設計，以提高設備的使用壽命。（3）經濟問題。智能高壓斷路器的價格較傳統斷路器高，但在電子設備不斷降價的情況下，監測設備價格也在不斷降低。

3.3 高壓開關柜的智能化

智能化高壓開關柜集保護、監測、控制與故障診斷為一體，具備數字顯示、高壓開關顯示和對外的雙向數據通信等通過。智能化高壓開關柜是用新的傳感器采集信息，用計算機處理信息，用計算機網絡傳輸信息和用數字與波形顯示信息，并對開關設備的重要參數進行連續的在線監測，不僅可以提供設備現有的狀態，而且還能分析各種重要參數的變化趨勢，識別存在的故障，為設備的狀態維修提供依據，從而增大設備的維修保養周期，提高設備的利用率，減少維修保養的費用。

3.4 高壓熔斷器的智能化

現有的高壓熔斷器存在以下缺點：一是往往都是針對大過載電流的情況，即在大電流過載情況下，通過熔體自行熔斷實現分斷保護；而在低過載電流情況下，老式的噴逐式熔斷器在分段較小的短路電流時可能出現不能滅弧，甚至爆炸等問題。二是熔斷器的時間——電流特性（安秒特性）的穩定性和運行性相對較差，并且適應性單一。近年來，國內外推出了智能化熔斷器，美國通用電氣公司研究的“智能化高壓限流熔斷器”已經可以達到外形尺寸小、額定電流大和高分斷能力的要求，并且可以從外來控制熔斷器動作。

參考文獻

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