另外，計算機技術(shù)及電磁兼容性（EMC）水平提高（即能抗強電磁干擾），信息傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、通信及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的普遍應用和發(fā)展，也促進了成套中壓開關(guān)設(shè)備智能化進程。

智能化中壓開關(guān)設(shè)備主要由硬件與軟件組成：（1）可控操作的高可靠開關(guān)設(shè)備；（2）測控保護裝置具有保護、測量、監(jiān)視、控制及通信等功能；（3）在線檢測裝置可對SF6斷路器、油斷路器、其它電器設(shè)備及環(huán)境等進行實時監(jiān)測；（4）*的傳感器可實現(xiàn)各種信號可靠轉(zhuǎn)換；（5）中壓開關(guān)柜的結(jié)

 

2．1　智能化測控保護裝置的功能

智能化測控裝置的核心器件是微處理機，裝置充分利用數(shù)字技術(shù)和軟件技術(shù)，將保護、監(jiān)視、控制、測量與通信集于一身，在相同的硬件環(huán)境下，可實現(xiàn)多種功能。

（１） 基本保護功能：　有方向或無方向的過流和接地故障保護；低周減載保護；自動重合閘功能（后加速）；零序電壓、過電壓和低電壓保護；斷路器失靈保護；電流速斷、*速斷及反時限過流保護。

（２） 控制功能：　保護跳閘、合閘，遠方、就地控制，各種信號控制及控制對象的顯示等。

（３） 測量電量功能：　可測量相電流、相間和相對地電壓、零序電壓和電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和電能等。

（４） 通信功能：　可完成與ＰＣ機就地通信或通過變電站通信系統(tǒng)與遠方通信，裝置一般可支持modbus協(xié)議和標準通信規(guī)約ＩＥＣ８７０—５—101（１０３）、DNP3.0、TCP/IP等；串行標準接口ＲＳ２３２、ＲＳ４８５，工業(yè)現(xiàn)場總線CANBUS、Lonworks等，以太網(wǎng)接口；支持多種通信介質(zhì)如雙絞線、光纖及無線等。

（５） 監(jiān)視功能：　斷路器狀態(tài)監(jiān)視、跳、合閘回路監(jiān)視和本機運行自檢。

故障記錄和錄波功能： 可記錄故障類型、發(fā)生時間及故障量zui大/zui小值，也可對故障波形進行記錄。

2．2　智能化測控保護裝置構(gòu)成的二次接線

一臺具有計量、控制、保護及通信等全部功能的智能化測控保護裝置安裝于開關(guān)柜上時，二次接線工作十分簡潔，智能化測控保護裝置與外部單元接線見圖1。用戶僅需將電壓、電流信號，斷路器狀態(tài)位置信號和出口控制信號等與開關(guān)柜內(nèi)相應一次元件的端子相連即可。

智能化測控保護裝置通過采集電壓、電流信號，斷路器狀態(tài)信號及其它輸入的開關(guān)量信號，接地故障狀態(tài)，獨立完成數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)保護、控制及顯示故障紀錄功能，同時通過通信接口完成信息上傳。因此與傳統(tǒng)二次技術(shù)相比，智能化測控保護裝置不但功能更多、精度更高，而且二次接線更簡潔。

 

3　在線監(jiān)測裝置

 

3．1　按狀態(tài)維護技術(shù)

由于高壓電器設(shè)備在電網(wǎng)中的重要性，一旦發(fā)生事故，將引起局部或較大地區(qū)的停電，會造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，因此這些設(shè)備運行一段時間后或運行中，必須進行必要的檢查和維護。迄今為止，電力部門一直采用傳統(tǒng)的維護方式：即定期維護技術(shù)，所謂定期維護是經(jīng)過規(guī)定的一段時間（比如5年），對設(shè)備進行規(guī)定項目維護，這些項目是設(shè)備檢查、更換零部件、解體檢查等。應該說：這種定期維護技術(shù)對減少和防止設(shè)備的故障發(fā)生起到了良好的作用，但是這種定期維護方式存在不少缺陷，例如在設(shè)備解體檢查時，需要對斷路器及電器設(shè)備的一部分進行解體，不但作業(yè)時需要停電，而且視其項目還需要可觀費用，另外停電后設(shè)備狀態(tài)（如溫度、作用電壓等）和設(shè)備運行中的狀態(tài)不一致，會影響一些數(shù)據(jù)判定。

由于定期維護技術(shù)存在許多缺點，另一方面隨著科學技術(shù)發(fā)展，電子技術(shù)、光傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的定期維護技術(shù)向預見性維護方式，即按狀態(tài)維護方式過渡。

與傳統(tǒng)定期維護技術(shù)相比，按狀態(tài)維護技術(shù)具有如下優(yōu)點：

（1）按狀態(tài)維護技術(shù)的基本點是對設(shè)備在運行狀態(tài)下實時監(jiān)測及判斷，因此可避免定維護所造成的浪費及其它缺點；

（2）按狀態(tài)維護技術(shù)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，采用自動管理技術(shù)來達到合理延長設(shè)備使用壽命，因此可降低設(shè)備運行的總費用。

圖2 是加拿大Winnipeg Manitoba附近的Dorsey 試驗站中高壓SF6斷路器的在線檢測系統(tǒng)。在試驗斷路器上安裝了各種類型的傳感器，實現(xiàn)了電能、機械、SF6氣體在線監(jiān)測，且已得出了許多有價值的結(jié)果。3．2　在線監(jiān)測項目

（1）斷路器機械、電器性能監(jiān)測。如合、分閘線圈電流、操動機構(gòu)特性、觸頭行程和速度、振動信號監(jiān)測。

（2）中壓開關(guān)柜內(nèi)母線聯(lián)結(jié)處溫升檢測。

3．3　斷路器機械故障的監(jiān)測

3．3．1　斷路器合、分閘線圈電流的監(jiān)測

如果高壓斷路器的操作機構(gòu)是電磁操動機構(gòu)，其合、分閘線圈一般由直流電源供電，見圖3。經(jīng)驗表明：合、分閘線圈的電流可以作為診斷機械故障的信息，合、分閘線圈的電流訊號可由補償式霍爾電流傳感器給出，給出的合、分閘線圈的電流訊號也示於圖3。

圖中是起始時刻，是合、分過程計時起點，t1為線圈中電流、磁通上升到足于驅(qū)動鐵心運動，即鐵心開始移動的時刻；t2為鐵心已觸動（開始）操作機構(gòu)負載，這也是開關(guān)觸頭開始運動的時刻；t3為開關(guān)輔助接點切斷電源，即電磁線圈回路斷開的時刻。利用比較電流波形的變化或差異可以診斷出操作機構(gòu)的故障程度。3．3．2　行程、速度的監(jiān)測

斷路器觸頭剛分速度對滅弧性能影響很大，適當提高剛分速度對減少電弧能量、減少零部件的燒損有很大作用，但過分增大剛分速度不一定能提高滅弧性能，反而會加重操動機構(gòu)的負擔；同樣斷路器觸頭合閘速度對滅弧性能也有很大影響。因此，對斷路器觸頭的行程、速度特性的測量及在線監(jiān)測是很重要的。為了完成正確測量，必須選取合適的位移傳感器。

可以選擇旋轉(zhuǎn)光編碼傳感器。利用增量式旋轉(zhuǎn)光編碼傳感器可以完成轉(zhuǎn)動角度及方向的測量，一般把旋轉(zhuǎn)光編碼傳感器安裝在斷路器操動機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸上，這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理示于圖4。

增量式旋轉(zhuǎn)光編碼一般有3個碼道（A道，B道，Z道），A道與B道相差90°，每周的碼條數(shù)可以根據(jù)測量分辨率選取，Z道每周一條，用來確定旋轉(zhuǎn)次數(shù)。當軸轉(zhuǎn)動時，編碼器輸出A道、B道兩路相差90°角的正交脈沖，輸入信號處理電路，從A道、B道兩信號的相對位置可確定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向，如果A道先于B道，為正旋轉(zhuǎn)，而B道先于A道，為反旋轉(zhuǎn)。再通過加、減計數(shù)器對A道、B道兩路信號計數(shù)，能得到轉(zhuǎn)動角度大小及方向，從而可以測出斷路器運動部分運動及反彈情況，可以計算出動觸頭行程；分合閘同期性；平均速度；超行程；剛分后或剛合*ms內(nèi)速度（主要是平均速度，zui大速度）等。

3．4　中壓開關(guān)柜母線聯(lián)結(jié)處溫升在線檢測

3．4．1　母線聯(lián)結(jié)處異常溫升的原因

溫度是一個基本的物理量，許多設(shè)備的故障是由異常溫升而造成。在正常運行時，高壓電器導電回路長期通過工作電流產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使電器材料溫度升高，一般不會超出?guī)定范圍；但導電回路一旦發(fā)生接觸不可靠時，會使電器材料溫度升高超出規(guī)定范圍，而使電器材料的機械強度、物理性能等下降，因此在國家標準《GB 3906-91 3~35kV金屬封閉開關(guān)設(shè)備》、《GB/T 11022-1999 高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準的共用技術(shù)要求 》中均規(guī)定了不同電器材料允許的長期工作溫度。

兩母線聯(lián)結(jié)處有一個接觸電阻，當電流流過時，由于接觸電阻的存在，要引起該處發(fā)熱，如果該處的溫度超過規(guī)定值，則會加該接觸處氧化，氧化結(jié)果又會導致接觸電阻上升，這樣又促使發(fā)熱加大，溫度增加，而造成故障，因此國家標準“GB 3906-91”、“GB/T 11022-1999”規(guī)定了對額定電壓3kV及以上、頻率50Hz長期工作的電器，如斷路器、隔離開關(guān)、封閉式組合電器、金屬封閉開關(guān)設(shè)備、負荷開關(guān)等產(chǎn)品，必須進行溫升試驗，以保證設(shè)備長期通過額定工作電流下，電氣聯(lián)接部位的溫度不超過標準允許的數(shù)值。

3．4.2　用石英溫度傳感器埋入母線溫升部位溫升實時監(jiān)測

石英溫度傳感器是天然石英晶體經(jīng)過特定方向的切割后，可發(fā)現(xiàn)振蕩頻率與溫度有一定關(guān)系，采取特殊的切割可以加強這一變化，因此可利用f— T特性進行測溫。

石英晶體有X、Y、Z三個結(jié)晶軸，如切片平面用X、Y描寫，則X軸Z軸的夾角為Φ，Y軸X軸的夾角為φ，則得到：

f1=f01+A（t-t0）+B（t-t0）2+C（t-t0）3

式中A、B、C分別為與切割角度有關(guān)的常數(shù)，與Φ，φ有關(guān)。f0是在t0溫度下的振蕩頻率。如果滿足Φ＝9.4°，φ＝11.6°，則在-80~250℃ 范圍內(nèi)： A＝35×10-6/度，B＝C＝0。

所以上式變?yōu)椋?f1=f01+A（t-t0）， f1與t成正比。

設(shè)t0＝0°c時， f0=28.2MHz，代入A值，得到頻率靈敏度為987.3Hz/℃,即溫度變化1℃，頻率變化近1000Hz，分辨率為0.001℃，石英晶體溫度傳感器在-80~250℃范圍內(nèi)的基本誤差在±（0.04~0.075） ℃，穩(wěn)定性約±0.007°C/每月，故具有相當*的精度和穩(wěn)定比，由于所測量的值是頻率，很容易和計算機配合。

ABB 公司開發(fā)的母線聯(lián)結(jié)處溫升在線檢測裝置 裝置見圖5，其特點如下：

（1）母線通過電流時，其交變電磁場提供了溫度傳感器探頭所需的工作電源。要求母線中通過電流40A（50Hz）時，傳感探頭就能正常工作，而短路故障所產(chǎn)生的短路電流不會損壞傳感器。

（2）因為在測量點處有強的電磁場，且處于高電位，所以采用紅外調(diào)制發(fā)射技術(shù)。紅外發(fā)光二極管把高電位處溫度值（脈沖值）發(fā)送到低電位處的紅外接收器上?？梢园褞讉€傳感器的測量值送到同一接收器上。

（3）溫度傳感單元是由石英晶體、輔助電源及訊號輸出回路組成?？梢苑奖愕匕惭b在母線聯(lián)結(jié)處。石英晶體溫度傳感器特點是體積小、準確度高，耐老化性好。

1992年5月ABB提供的新型溫度監(jiān)視系統(tǒng)，在一面中壓開關(guān)柜12個接點處（母線接觸處）的暴露部分安裝上這種尺寸極小的溫度傳感單元，其中三個傳感單元安裝在母線聯(lián)結(jié)處、三個裝在斷路器上端的連接線處，另三個在電纜終端。在一般情況下僅使用九個傳感器，因為斷路器下端接線與電纜終端的距離很近。

 

4　故障電弧保護裝置

 

4．1　內(nèi)部故障電弧

金屬封閉高壓開關(guān)柜內(nèi)，由于某種如小動物、過電壓、濕度等偶然因素，內(nèi)部產(chǎn)生電弧，當然也有誤入帶電間隔、隔離開關(guān)誤操作等人為原因使內(nèi)部產(chǎn)生電弧。大約15000~20000℃溫度電弧會直接加熱周圍的絕緣氣體，熱能迅速通過對流、傳導方式傳遞，引起開關(guān)柜隔室內(nèi)超壓。當壓力超過允許的壓力極*，灼熱氣體將會沖出封閉柜體的壓力釋放裝置，灼熱氣體與瞬間壓力波可能會傷害配電室內(nèi)的工作人員（例如傷害呼吸系統(tǒng)）；也可能會損壞電器設(shè)備和建筑物。

故障電弧的危害程度取決于電弧電流大小及切除時間。例如1985年天津變電所合閘送電時，開關(guān)柜發(fā)生弧光故障，zui后燒毀開關(guān)柜8臺；在2004年4月某公司配電系統(tǒng)中35kV鎧裝移開式開關(guān)柜產(chǎn)生弧光爆炸,造成開關(guān)柜電纜室爆炸變形、其后門、側(cè)板、側(cè)面加強筋炸扭曲，并且配電室木門受沖擊波而打開，一扇玻璃窗炸掉。

因此，對使用在重要場合的金屬封閉開關(guān)柜，應進行內(nèi)部故障飛弧試驗及安置故障電弧保護裝置，故障電弧試驗規(guī)定可見GB3906 — 2005，IEC62271 — 200標準。

4．2　故障電弧防護裝置

ABB公司開發(fā)的故障電弧防護裝置早已應用于AX1開關(guān)柜；德國Moeller公司早已研制出Arcon故障電弧防護裝置。

一般電弧防護裝置由三部分組成：保護主單元；過流、弧光檢測輔助單元；電弧光傳感器。

4.2.1　電弧光傳感器

作為光感應元件，安裝在開關(guān)柜母線室的幾個位置，檢測發(fā)生故障時突然增加的光強。

4.2.2　過流、弧光檢測輔助單元

弧光檢測輔助單元收集來自電弧光傳感器的光信息，再傳送給主單元。過流檢測輔助單元提供過流動作信息，它是動作判據(jù)之一，可進一步保證電弧光保護系統(tǒng)的動作準確性、可靠性。

　保護主單元

它是電弧光保護系統(tǒng)的核心，它用于管理和控制整個電弧光保護系統(tǒng)。它接收檢測短路電流和來自電弧光傳感器的信息，對收集的數(shù)據(jù)處理、判斷，如果確認是電弧故障，則發(fā)出跳閘命令，使進線斷路器跳閘，即切斷進線電源。如進線斷路器不能跳閘（拒動），則啟動斷路器失靈保護邏輯，發(fā)跳閘命令給上一級斷路器來切斷電源。此外根據(jù)過流、弧光檢測輔助單元送來的信息，提供弧光故障點和報警信號。

這里還有一種方法：如果確認是電弧故障，則啟動快速短接開關(guān)，使它迅速合閘，將電弧故障轉(zhuǎn)化成三相短路電流，而使上游斷路器分閘，達到迅速熄滅電弧目的。

故障電弧光保護系統(tǒng)框圖示于圖6 。

 

 

 

（1）智能化成套開關(guān)設(shè)備是新一代電器產(chǎn)品，它溶合了計算機、信息、控制、傳感器與微子技術(shù)，將每臺智能化單元的通信接口與值班室計算機相連，就可構(gòu)成變電站綜合自動化系統(tǒng)，可以就地及遠方實現(xiàn)保護，可以實現(xiàn)變電站廣域監(jiān)測和診斷。

（2）計算機技術(shù)及電磁兼容性（EMC）水平提高，使智能化測控裝置比傳統(tǒng)的機電式測控產(chǎn)品更加可靠，多年來運行已證明了這一點。

（3）按狀態(tài)維護技術(shù)建立在線監(jiān)測技術(shù)、信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，在線監(jiān)測項目可按實際需要決定。

（4）使用于重要場合的開關(guān)柜，應配置智能故障電弧防護裝置。