中压开关设备的智能化课件

.主要内容主要内容l中压开关设备智能化的意义中压开关设备智能化的意义l中压开关设备状态监测与健康诊断中压开关设备状态监测与健康诊断l中压开关设备的智能化操作中压开关设备的智能化操作.中压开关的智能化中压开关的智能化l在中压开关设备领域，智能化已经成为一种趋势，其动力首先来在中压开关设备领域，智能化已经成为一种趋势，其动力首先来自电力系统越来越高的可靠性要求及其越来越高的自动化程度。自电力系统越来越高的可靠性要求及其越来越高的自动化程度。现代供配电系统都要求在监测、控制及保护等方面完全自动化和现代供配电系统都要求在监测、控制及保护等方面完全自动化和智能化，开关作为最重要的电力系统控制元件，其智能化则是上智能化，开关作为最重要的电力系统控制元件，其智能化则是上述自动化与智能化的基础。为满足电力系统日益提高的可靠性要述自动化与智能化的基础。为满足电力系统日益提高的可靠性要求，电力设备的状态检修技术得到了飞速发展，这一技术要求设求，电力设备的状态检修技术得到了飞速发展，这一技术要求设备能自诊断、运行状态可控、能及时发现故障的前兆，这与开关备能自诊断、运行状态可控、能及时发现故障的前兆，这与开关智能化的基本要求是一致的。因此，中压开关作为供电设备的基智能化的基本要求是一致的。因此，中压开关作为供电设备的基本控制与保护电器，其智能化一般应从以下几个方面加以考虑：本控制与保护电器，其智能化一般应从以下几个方面加以考虑：（1）对断路器的状态应能自动监测以提高其工作的可靠性；）对断路器的状态应能自动监测以提高其工作的可靠性；（2）应根据状态监测的信息实现开关操作的智能化；）应根据状态监测的信息实现开关操作的智能化；智能化开关设备是变电站综合自动化、配电网系统自动化的智能化开关设备是变电站综合自动化、配电网系统自动化的基础，它应保证上述系统安全、可靠、经济地运行。开关的同步基础，它应保证上述系统安全、可靠、经济地运行。开关的同步操作技术是开关智能化操作的重要内容之一，对电力系统可靠运操作技术是开关智能化操作的重要内容之一，对电力系统可靠运行具有十分重要的作用，同时也可提高开关的开断和关合性能及行具有十分重要的作用，同时也可提高开关的开断和关合性能及运行可靠性。运行可靠性。.中压开关设备状态监测中压开关设备状态监测l电力设备的状态检修是当前电力系统的几大前电力设备的状态检修是当前电力系统的几大前沿课题之一。对开关电器而言，状态检修的基沿课题之一。对开关电器而言，状态检修的基础是利用现代传感器技术和计算机技术对运行础是利用现代传感器技术和计算机技术对运行中的开关进行实时状态监测，并对其健康水平中的开关进行实时状态监测，并对其健康水平进行评估或诊断。因此，研究可靠的检测装置进行评估或诊断。因此，研究可靠的检测装置和检测方法，包括监测绝缘以及电气参数的劣和检测方法，包括监测绝缘以及电气参数的劣化与故障，机械参数与物理参数的诊断等，是化与故障，机械参数与物理参数的诊断等，是开关智能化的重要组成部分。开关智能化的重要组成部分。.中压设备的状态监测与健康诊断中压设备的状态监测与健康诊断l中压设备状态监测与健康诊断是实现定期检修向状态检修的关键。中压设备状态监测与健康诊断是实现定期检修向状态检修的关键。电力设备的状态检修是当前电力系统的几大前沿课题之一。对开关电力设备的状态检修是当前电力系统的几大前沿课题之一。对开关电器而言，状态检修的基础是利用现代传感器技术和计算机技术对运行电器而言，状态检修的基础是利用现代传感器技术和计算机技术对运行中的开关进行实时状态监测，并对其健康水平进行评估或诊断。因此，中的开关进行实时状态监测，并对其健康水平进行评估或诊断。因此，研究可靠的检测装置和检测方法，包括监测绝缘以及电气参数的劣化与研究可靠的检测装置和检测方法，包括监测绝缘以及电气参数的劣化与故障，机械参数与物理参数的诊断等，是开关智能化的重要组成部分。故障，机械参数与物理参数的诊断等，是开关智能化的重要组成部分。l与变压器、发电机、电容性设备相比，中压开关设备在线监测技与变压器、发电机、电容性设备相比，中压开关设备在线监测技术起步较晚。术起步较晚。l20世纪世纪90年代，美国、日本开始研究断路器的在线监测，美国学年代，美国、日本开始研究断路器的在线监测，美国学者率先给出断路器电寿命与开断电流的关系，提出者率先给出断路器电寿命与开断电流的关系，提出“灭弧触头电灭弧触头电寿命寿命”的概念，的概念，“全工况跳合闸回路完整性监视全工况跳合闸回路完整性监视”的概念也是同的概念也是同期提出的，此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。期提出的，此时的研究工作主要是围绕着断路器状态检修进行的。随着研究的深入，都先后生产了自己的断路器在线监测装置，不随着研究的深入，都先后生产了自己的断路器在线监测装置，不过都存在着只能对其中的一个或几个状态进行监测的问题。检测过都存在着只能对其中的一个或几个状态进行监测的问题。检测结果的适用性和部分项目的检测手段仍然很不理想。结果的适用性和部分项目的检测手段仍然很不理想。.断路器状态诊断的信号断路器状态诊断的信号 用于判定断路器状态进行故障诊断的信号主要有如下用于判定断路器状态进行故障诊断的信号主要有如下几种几种:l选取断路器动作行程、三相分合闸同期性及历史数据选取断路器动作行程、三相分合闸同期性及历史数据进行分析比较来诊断操动系统的故障。进行分析比较来诊断操动系统的故障。l对分对分(合合)闸线圈电流波形进行详尽全面的分析，与正常闸线圈电流波形进行详尽全面的分析，与正常状态下的状态下的“指纹指纹”电流波形进行比较。电流波形进行比较。l根据振动信号分析来确定断路器的机械故障，采用离根据振动信号分析来确定断路器的机械故障，采用离线测量接触电阻的方法评估断路器活动接触处的劣化线测量接触电阻的方法评估断路器活动接触处的劣化状态及其载流状态。状态及其载流状态。l通过测量断路器动作时触头两端的电压，以及分通过测量断路器动作时触头两端的电压，以及分(合合)闸闸线圈线圈的电流，从这些信号中获取分线圈线圈的电流，从这些信号中获取分(合合)闸线圈时间、闸线圈时间、燃弧时间、电弧电压、电弧能量等信息。燃弧时间、电弧电压、电弧能量等信息。.断路器故障诊断的难点断路器故障诊断的难点l由于断路器是由灭弧室、操动机构等多个设备组合而由于断路器是由灭弧室、操动机构等多个设备组合而成，涉及电、磁、力学等多个方面，各种故障的表现成，涉及电、磁、力学等多个方面，各种故障的表现形式和产生机理千差万别。因此对断路器进行状态监形式和产生机理千差万别。因此对断路器进行状态监测并做出准确的故障诊断，必须了解断路器的工作特测并做出准确的故障诊断，必须了解断路器的工作特性和故障特点。由于断路器本身所具有的特性，造成性和故障特点。由于断路器本身所具有的特性，造成了断路器状态监测工作的困难，这些特性可概括的表了断路器状态监测工作的困难，这些特性可概括的表述如下述如下:l工作状态的多样性工作状态的多样性l产品结构的差异性产品结构的差异性l故障发生的随机性故障发生的随机性.断路器的状态监测和故障诊断中断路器的状态监测和故障诊断中存在的主要问题存在的主要问题目前在断路器的状态监测和故障诊断中存在的主要问题是目前在断路器的状态监测和故障诊断中存在的主要问题是:l现有的在线监测系统尚须对其设计和功能进行完善，缺乏数据积累，只现有的在线监测系统尚须对其设计和功能进行完善，缺乏数据积累，只能简单参照历史数据记录。应该使监测系统实现数据库建立功能。能简单参照历史数据记录。应该使监测系统实现数据库建立功能。l以往人们所关心的是机械参数的计算结果以往人们所关心的是机械参数的计算结果(只要结果偏离不大，就认为没只要结果偏离不大，就认为没什么问题什么问题)而对机械运动过程细节关心不多。而对机械运动过程细节关心不多。l许多系统的设计者将状态监测和故障诊断割裂来看，设计出来的系统只许多系统的设计者将状态监测和故障诊断割裂来看，设计出来的系统只是采集数据，虽然得到了大量的状态参数但基本上没有数据分析功能，是采集数据，虽然得到了大量的状态参数但基本上没有数据分析功能，数据的整理、状态特征量的提取、分析仍然要靠人工完成。数据的整理、状态特征量的提取、分析仍然要靠人工完成。l监测仪器寿命过短监测仪器寿命过短(通常不超过通常不超过10年年)，精度不够高。，精度不够高。l一般来说，状态的变化，设备由正常状态到故障的发生都是有一个过程一般来说，状态的变化，设备由正常状态到故障的发生都是有一个过程的。但是现有系统对故障机理研究尚不够透彻，监测与诊断的手段不多，的。但是现有系统对故障机理研究尚不够透彻，监测与诊断的手段不多，获取的信息也不够全面，在故障的诊断率和诊断的正确率、系统的稳定获取的信息也不够全面，在故障的诊断率和诊断的正确率、系统的稳定性等方面还存在问题。这些原因都使状态监测和故障诊断工作进展缓慢。性等方面还存在问题。这些原因都使状态监测和故障诊断工作进展缓慢。.真空断路器的特征参数及检测方法真空断路器的特征参数及检测方法l根据国内外多年的运行故障统计和国内外一些根据国内外多年的运行故障统计和国内外一些开关厂家的经验，能反映真空断路器健康状况开关厂家的经验，能反映真空断路器健康状况的参数主要有的参数主要有:真空度、动触头行程、动触头超真空度、动触头行程、动触头超行程、动触头开距、动触头速度、分行程、动触头开距、动触头速度、分(合合)闸线闸线圈电流、分圈电流、分(合合)闸时间、三相分闸时间、三相分(合合)闸不同期性、闸不同期性、合闸弹跳时间、触头的电磨损、辅助开关触点、合闸弹跳时间、触头的电磨损、辅助开关触点、绝缘和储能电机电流绝缘和储能电机电流.真空度真空度l真空度是表征真空断路器性能的最重要的参数之一，如果真空断路器的真空度是表征真空断路器性能的最重要的参数之一，如果真空断路器的真空度不能满足正常工作要求的数值，则这台真空断路器就不能承担正真空度不能满足正常工作要求的数值，则这台真空断路器就不能承担正常的工作。根据试验，要满足真空灭弧室的绝缘强度，真空度不能低于常的工作。根据试验，要满足真空灭弧室的绝缘强度，真空度不能低于6.67x102Pa，工厂制造的新灭弧室要求达到，工厂制造的新灭弧室要求达到7.5x105Pa以下，以此作以下，以此作为真空灭弧室可靠工作的保证，这也是对真空灭弧室的真空度进行监测为真空灭弧室可靠工作的保证，这也是对真空灭弧室的真空度进行监测的依据。的依据。l根据上述要求，目前实现真空度在线监测的方法主要有以下几种根据上述要求，目前实现真空度在线监测的方法主要有以下几种:1）电光变换法，利用某些光学元件如泡克尔斯）电光变换法，利用某些光学元件如泡克尔斯(Pockels)在电场中能改在电场中能改变光学性能的原理，把与真空度对应电场的变化转换成光通量的变化，变光学性能的原理，把与真空度对应电场的变化转换成光通量的变化，再经光纤传到低电场区或控制系统中进行检测。再经光纤传到低电场区或控制系统中进行检测。2）耦合电容，耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的。）耦合电容，耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的。3）利用旋转式电场探头测量屏蔽罩的直流电位）利用旋转式电场探头测量屏蔽罩的直流电位 4）内置式双波纹管检测技术，利用外界气体压力和灭弧室内腔自闭力的）内置式双波纹管检测技术，利用外界气体压力和灭弧室内腔自闭力的平衡原理实现真空度的在线监测。平衡原理实现真空度的在线监测。.机械特性机械特性l真空断路器的机械特性主要包括真空断路器的机械特性主要包括:分分(合合)闸时间、触头闸时间、触头行程、开距、超行程、分行程、开距、超行程、分(合合)闸不同期、分闸不同期、分(合合)闸平均闸平均速度、刚分速度、刚分(合合)速度、分速度、分(合合)闸最大速度、触头分闸反闸最大速度、触头分闸反弹幅值等。弹幅值等。l真空断路器的机械特性参数是保证断路器正常工作的真空断路器的机械特性参数是保证断路器正常工作的重要依据。从真空断路器动触头的行程一时间曲线、重要依据。从真空断路器动触头的行程一时间曲线、分分(合合)闸线圈电流一时间曲线以及结合刚合、刚分分位闸线圈电流一时间曲线以及结合刚合、刚分分位置信号可以确定机械特性参数置信号可以确定机械特性参数.l真空断路器机械特性的监测主要反映在对行程一时间真空断路器机械特性的监测主要反映在对行程一时间特性、分特性、分(合合)闸线圈电流的监测闸线圈电流的监测.机械特性的监测机械特性的监测1、行程一时间特性、行程一时间特性l行程一时间特性是断路器工作状态的重要表征。行程测量的基本要求是行程一时间特性是断路器工作状态的重要表征。行程测量的基本要求是:既不能影既不能影响机构原有的机械特性和绝缘性能，又要真实地反映触头行程随时间的变化。此响机构原有的机械特性和绝缘性能，又要真实地反映触头行程随时间的变化。此外，传感器还要便于安装，即监测系统的适应性要强。这就要求选用的传感器体外，传感器还要便于安装，即监测系统的适应性要强。这就要求选用的传感器体积不能太大，并且线性度和灵敏度要尽可能高。积不能太大，并且线性度和灵敏度要尽可能高。l近年来，对断路器触头行程的测量有以下三种方法近年来，对断路器触头行程的测量有以下三种方法:l光电编码器，将旋转光电编码器安装在断路器操动机构的主轴上，或者把直线光光电编码器，将旋转光电编码器安装在断路器操动机构的主轴上，或者把直线光电编码器安装在与断路器动触头连接的直线运动部件上，测量合、分闸操作时动电编码器安装在与断路器动触头连接的直线运动部件上，测量合、分闸操作时动触头的运动信号波形。触头的运动信号波形。l直流差动变压器式位移传感器，线性度好，精度高，使用寿命长、灵敏度和分辨直流差动变压器式位移传感器，线性度好，精度高，使用寿命长、灵敏度和分辨率高，具有较强的抗干扰能力，可在潮湿、大电流或强磁场等恶劣环境下工作，率高，具有较强的抗干扰能力，可在潮湿、大电流或强磁场等恶劣环境下工作，是测量高速动态位移量的理想器件。但对于是测量高速动态位移量的理想器件。但对于40.5kV及以下电压等级的断路器，其及以下电压等级的断路器，其结构非常紧凑，在动触头和绝缘拉杆附近可以用来安装传感器的空间非常有限，结构非常紧凑，在动触头和绝缘拉杆附近可以用来安装传感器的空间非常有限，而且传感器如装在动触头处，还存在高电位隔离问题。但对于结构紧凑的断路器，而且传感器如装在动触头处，还存在高电位隔离问题。但对于结构紧凑的断路器，安装不是很方便，因此，要实现较好地测量，必须对开关柜的机械结构进行改变，安装不是很方便，因此，要实现较好地测量，必须对开关柜的机械结构进行改变，这就与改动断路器的主体一致了。这就与改动断路器的主体一致了。l角位移传感器角位移传感器.分合闸线圈电流分合闸线圈电流这一波形根据铁心的运动，可以分为五个阶段这一波形根据铁心的运动，可以分为五个阶段:(l)阶段阶段1，t0-t1。线圈在。线圈在t0时刻通电，到时刻通电，到t1时刻铁心开始运动。时刻铁心开始运动。t0为断路器合、分闸命令下达时刻，是断路器合、分动作计时为断路器合、分闸命令下达时刻，是断路器合、分动作计时起点。起点。t1为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁心运动，即铁为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁心运动，即铁心开始运动的时刻。这一阶段的特点是电流呈指数上升，铁心心开始运动的时刻。这一阶段的特点是电流呈指数上升，铁心静止。这一阶段的时间与控制电源电压及线圈电阻有关。静止。这一阶段的时间与控制电源电压及线圈电阻有关。(2)阶段阶段2，tlt2。铁心运动，电流下降。铁心运动，电流下降。t2为控制电流的谷点，为控制电流的谷点，代表铁心己经触动操作机械的负载而显著减速或停止运动。代表铁心己经触动操作机械的负载而显著减速或停止运动。(3)阶段阶段3，t2t3。铁心停止运动，电流又呈指数上升。铁心停止运动，电流又呈指数上升。(4)阶段阶段4，t3-t4。这一阶段是阶段。这一阶段是阶段3的延续，电流达到近似的稳的延续，电流达到近似的稳态。态。(5)阶段阶段5，t4-t5。电流开断阶段。此阶段辅助开关分断，在辅。电流开断阶段。此阶段辅助开关分断，在辅助开关触头间产生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电助开关触头间产生电弧并被拉长，电弧电压快速升高，迫使电流迅速减小，直到熄灭。流迅速减小，直到熄灭。分合闸线圈电流的特性曲线分合闸线圈电流的特性曲线.分合闸线圈电流分合闸线圈电流l分析电流波形可知，电流有两个峰值点和一个谷值点。以分析电流波形可知，电流有两个峰值点和一个谷值点。以t0为命令时间的零点，特征参数有为命令时间的零点，特征参数有t1，t2，t3，t4，t5，I1,I2，I3等。引起线圈变化的因素很多，如电压、铁心空等。引起线圈变化的因素很多，如电压、铁心空行程、摩擦阻力、卡滞及操作机构的机械动作状况等。行程、摩擦阻力、卡滞及操作机构的机械动作状况等。lt0t1时间电流可以反映线圈的状态时间电流可以反映线圈的状态(如电阻是否正常如电阻是否正常);lt1t2时间电流的变化表征铁心运动构有无卡涩，脱扣、时间电流的变化表征铁心运动构有无卡涩，脱扣、释能机械负载变动的情况。释能机械负载变动的情况。t2一般是动触头开始运动时刻。一般是动触头开始运动时刻。从从t2以后是机构过传动系统带动动触头合、分闸的过程，以后是机构过传动系统带动动触头合、分闸的过程，即动触头运动的过程即动触头运动的过程;lt4为断路器的辅助触点切断的时刻为断路器的辅助触点切断的时刻.lt0t4时间电流的变化可以反映机械操动机构传动系统的时间电流的变化可以反映机械操动机构传动系统的工作情况。工作情况。.分合闸线圈电流分合闸线圈电流l真空断路器在每次合、分过程中，直流线圈的电流随真空断路器在每次合、分过程中，直流线圈的电流随时间变化，变化波形中蕴藏着极为重要的信息。铁心时间变化，变化波形中蕴藏着极为重要的信息。铁心及合、分闸线圈是操动机构中的重要组成部分，是控及合、分闸线圈是操动机构中的重要组成部分，是控制断路器动作的关键性元件。当线圈通过电流时，在制断路器动作的关键性元件。当线圈通过电流时，在铁心内部产生磁通，动铁心受磁力吸动，带动机械装铁心内部产生磁通，动铁心受磁力吸动，带动机械装置，使弹簧释能，使断路器合闸或分闸。置，使弹簧释能，使断路器合闸或分闸。l对分合闸线圈的测量一般采用对信号反应非常迅速的对分合闸线圈的测量一般采用对信号反应非常迅速的霍尔电流传感器，其体积小、电气性能好，不会对真霍尔电流传感器，其体积小、电气性能好，不会对真空断路器主系统的正常运行造成影响。此外，系统还空断路器主系统的正常运行造成影响。此外，系统还具有精度高、线性度动态特性好等优点，这对于保证具有精度高、线性度动态特性好等优点，这对于保证整个装置的测量稳定性及测量精度都十分有利。整个装置的测量稳定性及测量精度都十分有利。.触头的电磨损触头的电磨损l断路器的每次开断都会对触头产生一定程度的损伤，断路器的每次开断都会对触头产生一定程度的损伤，断路器触头电磨损断路器触头电磨损(又称电寿命又称电寿命)是影响断路器性能的重是影响断路器性能的重要指标。要指标。l与触头磨损有关的主要因素是开断电流的大小和燃弧与触头磨损有关的主要因素是开断电流的大小和燃弧时间的长短，用累计电弧能量来标定断路器的电寿命时间的长短，用累计电弧能量来标定断路器的电寿命是一种相对而言比较科学的方法。但是在工程实施中，是一种相对而言比较科学的方法。但是在工程实施中，这种方法操作不便，由于要求记录每次开断的燃弧时这种方法操作不便，由于要求记录每次开断的燃弧时间，存在较大的测量误差，影响判断的准确性。间，存在较大的测量误差，影响判断的准确性。l因此，在高压断路器在线监测系统的电寿命分析模块因此，在高压断路器在线监测系统的电寿命分析模块中，一般应用相对电磨损和相对电寿命的概念对断路中，一般应用相对电磨损和相对电寿命的概念对断路器的电寿命进行分析和标定。器的电寿命进行分析和标定。.真空断路器在线监测系统的实现真空断路器在线监测系统的实现1、确定特征量、确定特征量根据江苏省电力试验研究院对全国根据江苏省电力试验研究院对全国9个省市供电部门在个省市供电部门在1995-1996年投运的年投运的12kV真空断路器的调查和统计，可知引起真空断路器故障的原因包括以真空断路器的调查和统计，可知引起真空断路器故障的原因包括以下几个方面下几个方面:真空灭弧室真空度下降真空灭弧室真空度下降;操动机构和传动部件故障，如分合闸线圈烧毁，线圈回路接触不良，操动机构和传动部件故障，如分合闸线圈烧毁，线圈回路接触不良，连接件断裂、卡涩、磨损、移位和变形，轴销脱落，脱扣失灵等连接件断裂、卡涩、磨损、移位和变形，轴销脱落，脱扣失灵等:电气控制和辅助回路故障，如辅助开关失灵、中间继电器烧毁、行程电气控制和辅助回路故障，如辅助开关失灵、中间继电器烧毁、行程开关损坏等开关损坏等;其它故障，如电连接处发热、绝缘部件受潮积灰、油缓冲器漏油等。其它故障，如电连接处发热、绝缘部件受潮积灰、油缓冲器漏油等。其中，机构和传动件故障占总故障的其中，机构和传动件故障占总故障的67.6%，真空灭弧室故障占，真空灭弧室故障占18.1%，控制和辅助回路故障占控制和辅助回路故障占9.5%，其它故障占，其它故障占4.8%。可见机械故障和真空灭弧室故障是主要的故障原因。可见机械故障和真空灭弧室故障是主要的故障原因。l根据此前分析，根据断路器故障的比例，结合经济性、可行性，监测量根据此前分析，根据断路器故障的比例，结合经济性、可行性，监测量如下如下:真空度、行程一时间特性、分真空度、行程一时间特性、分(合合)闸线圈电流、开断电流。闸线圈电流、开断电流。.在线监测系统的构成在线监测系统的构成在线监测系统框图在线监测系统框图在线监测系统一般包括以下基本单元在线监测系统一般包括以下基本单元:(1)信号的变送。信号的变送由相应的传感器完成。传感器从电气设备上测量出反应真空断信号的变送。信号的变送由相应的传感器完成。传感器从电气设备上测量出反应真空断路器运行状态的物理量，并将非电信号转换成电信号，传送到装置路器运行状态的物理量，并将非电信号转换成电信号，传送到装置CPU处理单元。处理单元。(2)信号的调理。对传感器变送过来的信号进行适当的调理，对混杂在信号中的噪声进行抑信号的调理。对传感器变送过来的信号进行适当的调理，对混杂在信号中的噪声进行抑制，高信噪比。制，高信噪比。(3)数据的采集。对经过调理后的信号进行采集、转换和存储。数据的采集。对经过调理后的信号进行采集、转换和存储。(4)信号的传输。对采集到的信号传送到装置信号的传输。对采集到的信号传送到装置CPU处理单元，处理单元，(5)数据的处理数据的处理.对采集到的数据进行处理和分对采集到的数据进行处理和分析，例如数字滤波，时域分析，频域分析，利析，例如数字滤波，时域分析，频域分析，利用小波分析等等，目的是进一步提高信噪比，用小波分析等等，目的是进一步提高信噪比，为诊断提供有效可靠的数据和信息。为诊断提供有效可靠的数据和信息。(6)分析诊断。对处理过的数据和历史数据及其分析诊断。对处理过的数据和历史数据及其它信息进行比较和分析后，对真空断路器的状它信息进行比较和分析后，对真空断路器的状态或故障部位作出诊断，为状态检修提供辅助态或故障部位作出诊断，为状态检修提供辅助决策依据决策依据。.真空断路器在线监测系统的实现真空断路器在线监测系统的实现真空断路器在线监测系统结构图真空断路器在线监测系统结构图.真空断路器在线监测系统的实现真空断路器在线监测系统的实现l真空断路在线监测系统由传感器、前置机与后台机构成，其中传真空断路在线监测系统由传感器、前置机与后台机构成，其中传感器和前置机构成现场数据采集单元，分散安装于各断路器附近，感器和前置机构成现场数据采集单元，分散安装于各断路器附近，后台机位于变电站控制室，现场数据采集单元与后台机之间是通后台机位于变电站控制室，现场数据采集单元与后台机之间是通过现场总线通讯进行通信的。过现场总线通讯进行通信的。l真空断路器在线监测系统分为两层，底层为现场数据采集单元，真空断路器在线监测系统分为两层，底层为现场数据采集单元，它们对断路器动作的实时数据它们对断路器动作的实时数据(如开断电流、线圈电流、行程等如开断电流、线圈电流、行程等)进行采集、存储及处理，然后将采集、处理后的数据一并上传到进行采集、存储及处理，然后将采集、处理后的数据一并上传到后台机。后台机对现场数据采集单元上传的数据进行相应的处理，后台机。后台机对现场数据采集单元上传的数据进行相应的处理，完成处理结果的存储、显示、故障诊断、打印等功能，实现对整完成处理结果的存储、显示、故障诊断、打印等功能，实现对整个变电站所有真空断路器的在线监测与管理。个变电站所有真空断路器的在线监测与管理。l在整个系统中，每台断路器配装一个现场数据采集单元。用一台在整个系统中，每台断路器配装一个现场数据采集单元。用一台工控机作为后台机接收现场采集单元的上传数据，负责全站断路工控机作为后台机接收现场采集单元的上传数据，负责全站断路器的状态监测和设备管理。后台机和现场数据采集单元之间通过器的状态监测和设备管理。后台机和现场数据采集单元之间通过现场总线通讯实现采集数据和控制命令的传送与通信现场总线通讯实现采集数据和控制命令的传送与通信.与保护系统的集成与保护系统的集成l传统断路器采用辅助开关，它在控制断路器的分合时传统断路器采用辅助开关，它在控制断路器的分合时需要大量的联结和连接元件，这一方面增加了结构费需要大量的联结和连接元件，这一方面增加了结构费用，另一方面由于零件数的增加，使之易出现故障。用，另一方面由于零件数的增加，使之易出现故障。由于辅助开关触头的弹跳，不易确定转换时刻，也会由于辅助开关触头的弹跳，不易确定转换时刻，也会造成故障。常规辅助开关的缺点，可通过使用无触点造成故障。常规辅助开关的缺点，可通过使用无触点测量的感应式邻近开关测量的感应式邻近开关(传感器传感器)加以避免。由于传感加以避免。由于传感器的尺寸小，可安装在有利的位置，并可直接显示。器的尺寸小，可安装在有利的位置，并可直接显示。例如，例如，ABB公司的公司的VD4型真空断路器上。型真空断路器上。l操动机构内不再包括任何辅助开关或触头，而是用传操动机构内不再包括任何辅助开关或触头，而是用传感器感器(感应式邻近开关感应式邻近开关)来控制分合位置和准备状态信来控制分合位置和准备状态信号。由于感应式邻近开关不氧化，因而即使最小的信号。由于感应式邻近开关不氧化，因而即使最小的信号电流都能传输。所有元件用牢固的螺钉拧紧，避免号电流都能传输。所有元件用牢固的螺钉拧紧，避免了以后的调整。了以后的调整。.与保护系统的集成与保护系统的集成l传统链中，为了过电流保护，用一只电流互感器供电给继电器。这个继传统链中，为了过电流保护，用一只电流互感器供电给继电器。这个继电器发出脉冲给分闸线圈，直接打开电路。位置指示器和辅助触头确认电器发出脉冲给分闸线圈，直接打开电路。位置指示器和辅助触头确认电路正确无误地被开断。在大型变电站，辅助电源完全可靠地持续供电电路正确无误地被开断。在大型变电站，辅助电源完全可靠地持续供电给所有设备，而在小型变电站，不具备可靠的辅助电源。传统链不再是给所有设备，而在小型变电站，不具备可靠的辅助电源。传统链不再是可靠的。在这种情况下，传统的做法是在断路器的各相位上，装上直动可靠的。在这种情况下，传统的做法是在断路器的各相位上，装上直动式继电器，以使断路器脱扣。式继电器，以使断路器脱扣。lDPI型真空断路器（型真空断路器（AEG公司）装在侧面的操动机构内有集成保护装置，公司）装在侧面的操动机构内有集成保护装置，其中包括一只微处理器及一只低容量脱相器，可得到各种强能的过电流其中包括一只微处理器及一只低容量脱相器，可得到各种强能的过电流保护曲线保护曲线:反时限、很反时限、极反时限、正常反时限、反时限、很反时限、极反时限、正常反时限、RI和定时、和定时、RI。这些曲线阔值的确定，与线路电流和接地电流无关。这种继电器整定容这些曲线阔值的确定，与线路电流和接地电流无关。这种继电器整定容易，而且用易，而且用PC软件或从软件或从PC直接输入参数更加容易。直接输入参数更加容易。.中压开关设备的智能化操作中压开关设备的智能化操作l人们把电子技术揉和到机械领域称之为电子机械。中人们把电子技术揉和到机械领域称之为电子机械。中压开关的操动机构是一个典型的机械系统，实行电子压开关的操动机构是一个典型的机械系统，实行电子机械化是发展方向。把电子机械化的操动机构称之为机械化是发展方向。把电子机械化的操动机构称之为电子操动系统，其基本特征是尽可能地用电子控制取电子操动系统，其基本特征是尽可能地用电子控制取代机械传动、连锁与脱扣。代机械传动、连锁与脱扣。l传统操动机构的响应时间分散性大是由于其环节多、传统操动机构的响应时间分散性大是由于其环节多、累计运动公差大所致。控制时间的分散性对于交流控累计运动公差大所致。控制时间的分散性对于交流控制信号一般大于制信号一般大于10ms，即使直流操作，也在毫秒级。，即使直流操作，也在毫秒级。而电子操动系统依赖电力电子器件，保证了执行指令而电子操动系统依赖电力电子器件，保证了执行指令的时间精度可达到微秒级，即机构的响应时间可控，的时间精度可达到微秒级，即机构的响应时间可控，能在所希望的相位上动作，这是实现开关真正意义的能在所希望的相位上动作，这是实现开关真正意义的智能化的前提。智能化的前提。.中压开关设备的智能化操作中压开关设备的智能化操作 永磁机构真空断路器智能化操作的内容主要包括永磁机构真空断路器智能化操作的内容主要包括:l 能够准确无误地监测分、合闸位置；能够通过光隔离器向控制台能够准确无误地监测分、合闸位置；能够通过光隔离器向控制台发出指示或报警信号；发出指示或报警信号；l能够对电容器进行恒流恒压充电；能够对电容器进行恒流恒压充电；l能够在输入宽范围电压（能够在输入宽范围电压（65120）下输出恒定的直流电压）下输出恒定的直流电压（DC100V）；能够及时响应分、合闸信号，）；能够及时响应分、合闸信号，l并具备防跳闭锁功能；能够及时切断分、合闸线圈电流；并具备防跳闭锁功能；能够及时切断分、合闸线圈电流；l能够在电容器电压过低时闭锁分、合闸信号，使断路器不能进行能够在电容器电压过低时闭锁分、合闸信号，使断路器不能进行分、合闸操作，并能够通过光隔离器向控制台发出警告信号；分、合闸操作，并能够通过光隔离器向控制台发出警告信号；l能够在过电流过电压、欠电压时及时分闸，并能够通过光隔离器能够在过电流过电压、欠电压时及时分闸，并能够通过光隔离器向控制台发出警告信号等。向控制台发出警告信号等。.中压开关设备的智能化操作中压开关设备的智能化操作智能化操作单元由电源模块、智能化操作单元由电源模块、CPU模块、分合闸位置采样模块、分模块、分合闸位置采样模块、分合闸信号采样模块、驱动模块、电容器模块等组成。永磁机构的分、合闸信号采样模块、驱动模块、电容器模块等组成。永磁机构的分、合闸线圈必须受电励磁，从而产生电磁吸力驱动铁心运动，而且必合闸线圈必须受电励磁，从而产生电磁吸力驱动铁心运动，而且必须达到一定的励磁安匝数，才能满足真空断路器的分、合闸速度要须达到一定的励磁安匝数，才能满足真空断路器的分、合闸速度要求。求。智能化操作单元结构原理示意图智能化操作单元结构原理示意图.中压开关设备的智能化操作中压开关设备的智能化操作采样模块结构原理示意图采样模块结构原理示意图 采样模块是将电子接近开关监测到的分、合闸位置信息输入采样模块是将电子接近开关监测到的分、合闸位置信息输入RS锁存器。锁存器。电子接近开关分别监测真空断路器的合分闸位置，当监测到真空断路器到电子接近开关分别监测真空断路器的合分闸位置，当监测到真空断路器到达合闸或分闸位置时即刻发出高电平，在通过逻辑电路达合闸或分闸位置时即刻发出高电平，在通过逻辑电路RS锁存器互锁后，锁存器互锁后，将高、低电平送至将高、低电平送至CPU模块，通过逻辑计算后分别送至分、合闸逻辑驱动模块，通过逻辑计算后分别送至分、合闸逻辑驱动电路，及时切断分、合闸线圈中的脉动电流。当真空断路器的手动、自动电路，及时切断分、合闸线圈中的脉动电流。当真空断路器的手动、自动控制电路接到分、合闸命令时，则逻辑驱动控制器会根据控制电路接到分、合闸命令时，则逻辑驱动控制器会根据RS锁存器发出的锁存器发出的高、低电平自动判断真空断路器所处位置，以决定是否执行命令。高、低电平自动判断真空断路器所处位置，以决定是否执行命令。.永磁机构断路器的同步关合技术永磁机构断路器的同步关合技术l目前，断路器在开断和关合电力设备的瞬时，所处系统电压的初相角通目前，断路器在开断和关合电力设备的瞬时，所处系统电压的初相角通常都是随机的和不确定的，因此会产生不同程度的暂态过程。例如，在常都是随机的和不确定的，因此会产生不同程度的暂态过程。例如，在关合空载变压器、电容器组和空载线路时，常常产生幅值很高的涌流和关合空载变压器、电容器组和空载线路时，常常产生幅值很高的涌流和过电压。幅值很大的涌流将导致断路器触电受损、变压器绕组产生机械过电压。幅值很大的涌流将导致断路器触电受损、变压器绕组产生机械应力及继电器误动作；过电压可能导致设备局部放电，绝缘被破坏；这应力及继电器误动作；过电压可能导致设备局部放电，绝缘被破坏；这些不仅对系统中的设备不利，还影响电力系统的稳定运行。所谓同步关些不仅对系统中的设备不利，还影响电力系统的稳定运行。所谓同步关合技术是指断路器的动、静触头在系统电压波形的指定相角处关合，使合技术是指断路器的动、静触头在系统电压波形的指定相角处关合，使得空载变压器、电容器和空载线路等电力设备在对自身和系统冲击最小得空载变压器、电容器和空载线路等电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入电力系统的一种智能控制技术。的情况下投入电力系统的一种智能控制技术。l同步关合技术实现开关主触头在零电压时关合和零电流时分断以大幅度同步关合技术实现开关主触头在零电压时关合和零电流时分断以大幅度提高开关的通断特性。利用同步关合技术可以降低合闸操作暂态过程中提高开关的通断特性。利用同步关合技术可以降低合闸操作暂态过程中的过电流和过电压，从而提高电力设备的寿命和系统运行的稳定性。采的过电流和过电压，从而提高电力设备的寿命和系统运行的稳定性。采用同步关合技术可以达到以下效果用同步关合技术可以达到以下效果:(1)减小合闸操作的涌流和过电压。减小合闸操作的涌流和过电压。(2)提高电能质量和系统的稳定性。提高电能质量和系统的稳定性。(3)延长了电器的使用寿命和检修周期，降低了成本。延长了电器的使用寿命和检修周期，降低了成本。.永磁机构断路器的同步关合技术永磁机构断路器的同步关合技术l同步关合初相角的选择与真空断路器的预击穿特性有同步关合初相角的选择与真空断路器的预击穿特性有关。同时，合闸速度直接影响着断路器预击穿时间，关。同时，合闸速度直接影响着断路器预击穿时间，因此合闸速度是很重要的参数。合闸速度和断口两端因此合闸速度是很重要的参数。合闸速度和断口两端的电压以及灭弧室断口两端所能承受的电压确定了断的电压以及灭弧室断口两端所能承受的电压确定了断路器进行同步关合时的关合相位。路器进行同步关合时的关合相位。l在关合电容器组时，假设断口的电源侧受到系统正弦在关合电容器组时，假设断口的电源侧受到系统正弦交流电压的作用，而电容器上的电压为零。此时，在交流电压的作用，而电容器上的电压为零。此时，在电压过零时关合是比较理想的。然而，断路器的触头电压过零时关合是比较理想的。然而，断路器的触头在关合过程中，由于断路器合闸时间的分散性，断口在关合过程中，由于断路器合闸时间的分散性，断口间隙上要承受一定的耐压，在关合残压为零的电容器间隙上要承受一定的耐压，在关合残压为零的电容器组时，触头两端的电压为系统电压。断口所能承受电组时，触头两端的电压为系统电压。断口所能承受电压与合闸位移有关，只有关合速度足够高，才能实现压与合闸位移有关，只有关合速度足够高，才能实现同步关合。同步关合。.临界速度的确定临界速度的确定l对于对于10kV三相接地系统，当触头在关合瞬间的合闸速度大于三相接地系统，当触头在关合瞬间的合闸速度大于0.17m/s时，时，触头间耐受电压的变化率大于系统电源电压在过零点时的变化率的触头间耐受电压的变化率大于系统电源电压在过零点时的变化率的10%，可以认为，可以认为u=0.17m/s是它的临界速度。是它的临界速度。l对于三相不接地系统，临界速度为对于三相不接地系统，临界速度为u=0.29m/s。然而真空断路器在关合。然而真空断路器在关合瞬间的合闸速度一般都大于瞬间的合闸速度一般都大于0.8m/s。因此，对于真空断路器在对。因此，对于真空断路器在对10kV系系统进行同步关合时，一般都能符合上述速度的要求。统进行同步关合时，一般都能符合上述速度的要求。l对于对于35kV级系统，在电压过零点关合而不发生预击穿时的临界速度为级系统，在电压过零点关合而不发生预击穿时的临界速度为u=0.98m/s，因此对真空断路器的关合速度应有一定的要求。，因此对真空断路器的关合速度应有一定的要求。l对于对于10kV系统和系统和35kV系统，分别存在一个临界合闸速度，如果合闸速度系统，分别存在一个临界合闸速度，如果合闸速度低于该速度，真空断路器在电压过零点进行关合时，会发生预击穿；断低于该速度，真空断路器在电压过零点进行关合时，会发生预击穿；断路器关合电流的点就会偏离预定的点，合闸速度越低，偏离越严重。如路器关合电流的点就会偏离预定的点，合闸速度越低，偏离越严重。如果断路器的关合速度大于临界关合速度，真空断路器在电压过零点进行果断路器的关合速度大于临界关合速度，真空断路器在电压过零点进行关合时，不会发生预击穿现象，断路器能够在电压过零点进行关合。真关合时，不会发生预击穿现象，断路器能够在电压过零点进行关合。真空断路器进行同步关合时，考虑合闸时间的分散性为空断路器进行同步关合时，考虑合闸时间的分散性为1ms，对于，对于10kV系统和系统和35kV系统，使得关合时涌流最小的最佳预期系统，使得关合时涌流最小的最佳预期l关合点与断路器的关合速度，系统的电压以及参数有关。关合点与断路器的关合速度，系统的电压以及参数有关。.实现同步关合的操动系统实现同步关合的操动系统l实现同步关合的操动系统包括智能化检测装置和快速操动机构。前者能实现同步关合的操动系统包括智能化检测装置和快速操动机构。前者能够及时检测出开断电路的电压或电流过零瞬间并发出操作信号，后者在够及时检测出开断电路的电压或电流过零瞬间并发出操作信号，后者在接到信号后能快速分闸或合闸。接到信号后能快速分闸或合闸。l由于同步关合控制要求速度快，而且需要进行大量的浮点运算，因此控由于同步关合控制要求速度快，而且需要进行大量的浮点运算，因此控制系统应采用能进行浮点运算的数字信号处理器制系统应采用能进行浮点运算的数字信号处理器(DSP)，比如，比如TI公司的公司的TMS320浮点浮点DSP，它比单片机的工作频率高，运算速度快，专用指令，它比单片机的工作频率高，运算速度快，专用指令多，适合于同步关合技术的要求。实现方案的原理如图所示。多，适合于同步关合技术的要求。实现方案的原理如图所示。同步关合实现方案原理图同步关合实现方案原理图.实现同步关合的操动系统实现同步关合的操动系统l三相触头间隙电压和电流波形以及环境温度和三相触头间隙电压和电流波形以及环境温度和控制电压通过控制电压通过A/D转换送入转换送入DSP测控系统进行测控系统进行实时不间断采样。在接到手动或远动合闸信号实时不间断采样。在接到手动或远动合闸信号后，合闸信号将引起后，合闸信号将引起DSP系统的中断，在中断系统的中断，在中断服务程序中计算出电压过零点的时刻，并根据服务程序中计算出电压过零点的时刻，并根据当前的环境温度、控制电压和机械磨损及老化当前的环境温度、控制电压和机械磨损及老化计算出断路器的合闸时间，从而确定发合闸启计算出断路器的合闸时间，从而确定发合闸启动信号的时刻。动信号的时刻。.分相操动分相操动 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。同样，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。同样，我们也可以方便地取到交流电压或电流变化率的零点（对应正弦信号的我们也可以方便地取到交流电压或电流变化率的零点（对应正弦信号的峰值）信号。剩下的问题是控制信号在电压或电流零点以前或它们的变峰值）信号。剩下的问题是控制信号在电压或电流零点以前或它们的变化率零点以后什么时刻发出。真空开关的同步分闸首先应实现分相操动，化率零点以后什么时刻发出。真空开关的同步分闸首先应实现分相操动，同时还应满足以下几个条件：同时还应满足以下几个条件：l(1)足够高的初始分闸速度，使动触头在足够高的初始分闸速度，使动触头在12ms内达到能可靠熄灭电弧内达到能可靠熄灭电弧的开距；的开距；l(2)触头分离时刻应在过零前触头分离时刻应在过零前DT时刻，对应原开关的首开相最小燃弧时间；时刻，对应原开关的首开相最小燃弧时间；l(3)过零点的检测及可靠、及时的触发信号的给出。过零点的检测及可靠、及时的触发信号的给出。分断短路电流时，首开相分断后其余两相延时分断短路电流时，首开相分断后其余两相延时5ms后同时分断（针后同时分断（针对对10kV点不接地系统）。选相合闸的要求也是类似。点不接地系统）。选相合闸的要求也是类似。为了控制操作机构，为了控制操作机构，AEGT&G公司开发了对中压及高压断路器公用公司开发了对中压及高压断路器公用的的SYN CRI同步继电器。这种装置对关合操作的质量起着积极作用。高同步继电器。这种装置对关合操作的质量起着积极作用。高频过电压和过电流已消失。频过电压和过电流已消失。SYNCRI继电器有一个与用户友好的编程系继电器有一个与用户友好的编程系统，视其电路的类型和所需功能而定，用户可决定是否设置自动校正回统，视其电路的类型和所需功能而定，用户可决定是否设置自动校正回路。路。.