智能型气体绝缘封闭式高压开关柜研究

沈阳高压成套开关股份有限公司 李万健

随着新科技新技术的不断发展与落地，绿色能源、智能电网等概念的提出，高压开关柜的智能化发展已是必然趋势。综合继电保护装置的出现已使高压开关柜的智能化得到了较大的发展，但高压开关柜的智能化水平仍需不断提高，本文从六氟化硫气体绝缘封闭式开关柜的运行状态监测、运行温度监测、局部放电超声波监测、断路器主要技术参数的监测、三工位开关位置监测、六氟化硫气体状态监测、故障记录与故障分析等方面对智能型气体绝缘封闭式高压开关柜进行了研究探讨，提出了高压开关柜智能化的可行性方案。

1 开关柜运行状态监测

目前，高压开关柜的继电保护普遍完成了从继电器保护回路向集成微机综合保护装置的升级，隔离开关分合闸状态、接地开关分合闸状态、断路器分合闸状态、电压值、电流值、功率、功率因数、低气压报警、高气压报警、继电保护动作等状态值及参数均可集成到综合保护装置，保护逻辑的实现、保护定值的设定、远程控制、数据传输也均可通过综合保护装置实现，开关柜的智能化正在快速发展。

虽然开关柜的主要状态量已集成至综合保护装置，通过综合保护装置可以实现远方查看状态量、异常报警、远程操控，综合保护也可依据保护逻辑与定值实现继电保护动作，但是高压电的主要电能参数通过互感器提供，精确度受互感器精度影响，而状态量多是通过辅助开关或限位开关模拟真实的一次电气状态。辅助开关与限位开关通过一系列机械联动结构与一次电气元件连接，对于防护等级严格的气体绝缘高压开关柜，一次元件全部密封于高压气室内，且无法观测，辅助开关与限位开关需要经过多个连接件方能与一次元器件形成联锁，对断路器与隔离开关，辅助开关多与操作机构连接，需通过操作机构与一次元件形成联锁，结构更加复杂，因此存在辅助开关状态与一次电气状态不符的可能，且辅助开关与限位开关只能提供“0、1”状态，无法提供较为精确的位置。

为了解决辅助开关与限位开关只能提供“0、1”状态，无法提供较为精确的位置的问题，可以使用传感器技术。传感器技术已在各行各业中广泛应用，技术稳定，但需要注意高电压环境下的电场与磁场对传感器的影响，为提供更高的稳定性与可靠性，使用传感器的同时，不应放弃机械的辅助开关与限位开关。

2 运行温度监测

开关柜主回路的运行温度是开关柜稳定安全运行的重要指标，温升过高会导致铜排导电性能降低，也会使绝缘件加速老化，机械性能与绝缘性能降低。主回路的温升突然升高预示着故障隐患的发生概率的提高，须及时排除问题，否则可能造成严重事故，因此时刻观察主回路的温度十分有必要，尤其是母线搭接面、灭弧室触头、螺栓连接处等位置。对于GIS 柜可在气箱开密封孔，安装红外测温探头或可视化红外测温摄像头，通过红外测温探头或可视化红外测温摄像头监测主要位置的温度变化。

3 局部放电超声波监测

40.5kV 气体绝缘封闭式开关柜的局部放电指标一般是小于等于10pc，对局部放电的要求较高，当局部放电增高时会导致绝缘件加速老化绝缘性能降低，长期存在较高的局部放电值将对电气元件与绝缘件造成严重且不可逆的损坏，会降低开关柜的使用寿命，严重时可能引起一次绝缘故障。因此，对开关柜进行局部放电检测十分有必要。局部放电试验属于预防性试验，以往局部放电的试验条件需要在停电检修时进行，无法实现带电监测。随着局部放电超声波技术的发展，使带电监测局部放电指标成为可能。当然目前的超声波技术还无法准确测量局部放电值，但可以监测局部放电量的变化，通过数据收集对比，可以判断局部放电指标是否因故障造成放电量的急剧增高，有助于及时发现故障、排查故障，防止故障扩大化。不同原因引起的局部放电在超声波监测下的波形各有不同，具体特点见表1[1]。

表1 典型放电原因在超声波监测下的特点概述

4 断路器主要技术参数的监测

气体绝缘封闭式开关柜的断路器密封于六氟化硫气室内，断路器的机械特性试验需要在气室开放状态下进行。对于已经送电运行的GIS 开关柜，如需进行触头开距的测量，需要将开关柜停电退出运行状态并完成维护接地，之后回收气室内六氟化硫气体，打开气室，方可进行测量。测量完成后，还需对气室抽真空充六氟化硫气体，因此作业周期长，且耗费的六氟化硫气体较多，成本较大，对于维修停电时间较短或者不可轻易停电的项目很难进行此项测量。开关柜在带电运行过程中，想测量每一次断路器动作的触头开距更是无法实现。而触头开距可以有效检测断路器的机械性能与电气性能，对于开关柜的稳定运行具有较大意义。

断路器触头开距的测量可以考虑应用位移传感器来实现，这样在开关柜送电运行过程中，可监测断路器每一次动作的触头开距。在断路器真空灭弧室动触头下端处安装位移传感器，断路器每一次动作时，位移传感器将测量真空灭弧室动触头的位移量。位移传感器测量的数值，通过线缆经密封接线法兰从气室传送到仪表门的数字显示屏，通过数字显示屏的通讯传至后台智能装置上。运营人员可直观看到断路器每次动作的触头开距数值，并根据定值范围判定断路器是否存在异常。需要注意的是，位移传感器位于高压气室内，需充分考虑绝缘距离、局部放电与电磁干扰，数据线需选用屏蔽线，屏蔽层可靠接地，传感器置于“钟罩型”屏蔽罩内，屏蔽罩不得与传动机构干涉，同时需发挥电磁屏蔽与均匀电场的作用。

断路器机构分合闸动作时带动真空灭弧室动触头，真空灭弧室动触头拉杆垂直上下运动，合闸时垂直向上运动，分闸时垂直向下运动。动触头拉杆的运动会通过连接销与“U”型连接架带动位移传感器的万向接头拉杆，测量运动距离，拉杆由合闸状态转为分闸状态的位移差（或由分闸状态转为合闸状态的位移差）即为断路器的触头开距。分合闸转换完成后，比对位位移量是否在定值范围内，可判断断路器是否合闸到位或者是否分闸到位。

断路器的合闸时间、分闸时间、三相同期目前还无法实时测量，只能在停电状态下测量，对气体绝缘封闭式开关柜，可在气室后部增加验电孔，通过验电孔测量断路器的机械特性，这样不用开启气室，可以减少测试时间与测试成本。通过验电孔也可测量分闸速度与合闸速度，将气室内位移传感器的数据线连接到机械特性测试仪上便可测量分闸速度与合闸速度。

断路器的触头开距，合、分闸时间，三相同期，合、分闸速度是开关柜的重要技术参数，也是智能开关柜需要监测与定期记录统计的重要数据，对开关柜具有重要意义。

5 三工位开关位置的监测

气体绝缘封闭式开关柜的三工位开关的一次动静触头均内置于密闭的气室内，从外部无法观测。三工位开关的动作是旋转电机驱动齿轮、凸轮、链条，由链条驱动三工位开关主轴实现三工位开关的母线连接、接地状态、隔离状态。三工位开关的位置状态由辅助开关提供，旋转电机到位停止由操作机构箱内的行程开关发出，这两种开关均位于操作机构箱，一次动静触头与母线位于封闭气室内通过三工位主轴与外部联动，而操作机构箱与三工位开关主轴通过链条连接，因此，并不能精确显示三工位开关的位置状态，辅助开关只能提供闭点、开点两种状态，不能提供一次触头精确的旋转角度，同时如链条拉断，辅助开关将于三工位主轴失去联锁，辅助开关位置与三工位开关位置不符，传递的位置信号将失真。

在三工位开关主轴上安装动态倾角仪，在仪表门上安装数字显示屏，三工位开关转动时，通过动态倾角仪的测量角度，测量三工位开关主轴与水平线的夹角，反映三工位开关的实时状态，测量的倾角角度通过R485通信线传至数字显示屏，也可传送至智能控制器与综合保护装置，运营人员可根据角度范围定值判定三工位开关是否到达母线连接、接地状态、隔离状态三个位置，具体的角度范围见表2。

表2 三工位开关位置状态与测量角度对照

模拟母线与三工位辅助开关可以指示三工位开关的位置状态，但这两者均安装在三工位机构上，需通过栏杆、三工位机构主轴、传动链条、齿轮等部件与三工位主轴联动，一旦其中一个部件损坏，其指示将与三工位开关的实际位置不符，存在安全隐患。而倾角测试仪的安装板焊接在三工位开关主轴的齿轮盘上，倾角测试仪随三工位开关主轴转动，测量不同位置的倾角角度，可精确指示三工位开关的位置状态，测量的倾角角度通过R485通信线传至数字显示屏，运行人员可以将角度值与模拟母线和电气位置信号（三工位辅助开关位置）进行比对，并核对角度值是否在定值范围内，判断三工位开关是否切换到位。如发现异常，可以及时维修整改，避免发生事故。测量的角度值也可传送至智能控制器或后台保护装置，为保护逻辑提供必要的精确数据。另外，此方案可以缩短故障处理时间，故障处理者可以通过精确的角度测量值与额定值的比对，判断三工位开关的实际位置与触头搭接情况，在气室外部调节三工位开关主轴使其角度值与额定值匹配，便可在不打开气室的情况下快速处理故障，可极大地缩短故障处理时间，减少故障处理成本。

6 气体状态监测

高压开关柜使用的六氟化硫气体纯度一般在99.99%以上，但随着高压开关柜的送电运行，柜内发生放电会导致六氟化硫纯度的降低，柜内的故障放电与电弧放电会产生硫化物、氟化物、碳化物，六氟化硫气体各个成分的含量可分析发生放电的种类，初步判断柜内的运行状态，定期检测六氟化硫气的纯度与成分含量对预防事故的发生有重要意义[2]。

7 故障记录与故障分析

当供电系统发生故障时，故障录波装置会记录发生故障时的各种参数，包括故障时的三相电压与电流的波形幅值相位、零序电压与电流的波形幅值相位、故障持续时间、保护动作时间、保护返回时间、断路器跳闸时间等，专业人员通过现场的故障情况与各种参数相结合来分析得出故障原因，还无法通过智能化软件直接分析故障，这需要在后续的发展中逐步创新发展。

8 结语

智能型气体绝缘封闭式开关设备需要将开关柜的各个技术参数与运行参数集成于一体，并通过计算机技术完成各个参数可远程实时查阅观看、开关柜动作智能化，故障诊断智能化，开关柜远程控制与监测等。智能型气体绝缘开关柜在运行状态监测、运行温度监测、局部放电超声波监测、断路器主要技术参数的监测、三工位开关位置监测、六氟化硫气体状态监测、继电保护工作原理的实现等方面已经有了较大的发展，但很多参数仍无法实时监控，保护逻辑的实现仍需更加完善，智能元器件传感器元件在高压电与磁场中的稳定性与精确性也需不断提高，相信通过不断探索与创新，气体绝缘封闭式高压开关柜智能化的发展将取得阶段性的成果。