中压充气柜的智能化.doc

西安高压电器研究所中压充气柜的智能化作者：陈振生 发布时间：2005-12-20 14:17:00CGIS是正在兴起的一种中压成套电器设备，它把高压开关设备中“充气隔室”产品的设计技术应用到中压产品中。由于采用了充气隔室，使这种成套中压开关设备体积小，可靠性高，可以适应多样性及多变环境条件。中压充气柜（CGIS）通常也统称GIS（Gas lnsulated Switchgear），只有在强调结构为柜式时，才叫CGIS（Cubicle-Gas lnsulated Switchgear）。目前40.5kV等级空气柜体积大、强度差，因此首先开发40.5kV等级的CGIS更为迫切；而且要同步开发具有智能化功能的CGIS产品，以适应配电自动化的要求。保证高的供电可靠性也是企业向用户承诺的主要内容。CGIS产品的保护测控技术1智能化测控装置的功能智能化测控装置的核心器件是微处理机，它充分利用数字技术和软件技术，将保护、监视、控制、测量与通信集于一身，在相同的硬件环境下，可实现多种功能：基本保护功能；控制功能，测量电量功能；通信功能；监视功能。2智能化测量装置的硬件结构智能化保护测量装置与传统的二次技术相比，其接线更加简洁、紧凑，功能更丰富，且具有更高的可靠性。智能化测量控制装置的操作面板上有完整的键盘、液晶显示、信号指示和菜单操作。装置通过采集电压、电流信号、断路器位置和状态信号及开关量输入信号，高速独立完成数据处理，完成保护、监视、控制、显示等功能，并且通过通信接口把这些信息进行上传。中压充气柜的传感技术电网的发展，传统的电磁式电压、电流互感器产品已不太适应。由于电网向小型、紧凑化发展，以满足在人口密集地少占地，并与环境协调，迫切要求断路器、互感器、变压器、隔离开关小型化；由于现代电网向输配电系统自动化发展，以提高供电可靠性，因此电网的发展对电流、电压互感器不仅提出小型化、高可靠要求，还要求它具有高、低压完全隔离、频带宽及无铁磁饱和等特点。CGIS中压充气柜需要许多传感器。1新型电子式电流互感器与传统的电磁式互感器相比，现代高压电流、电压传感器没有铁心饱和，具有传输频带宽，优异的抗干扰性，其二次容量仅在0.15VA，因此尺寸小，重量轻。（1）罗柯夫斯基电流传感器罗柯夫斯基线圈是将导线均匀地绕在一个非铁磁性环形骨架上，一次母线置于线圈中央，因此绕组线圈与母线之间的电位是隔离的。如母线电流I(t)，线圈匝数N，线圈横截面积S，线圈半径r，则在线圈上产生的感生电动势为式中，0是空气（或真空）磁导率。由罗柯夫斯基线圈测量回路的等效电路图如图1所示。罗柯夫斯基线圈电流传感器的特点：a在L很大时，一次电流I(t)= 。b误差1（在外补偿情况下可达到0.2）。c线性范围：一直到大于短路电流时才饱和。（2）小信号电流互感器常规电流互感器为了避免铁心饱和，对于运行电流和短路电流需要使用不同的线圈，即通常所称的测量用互感器及保护用互感器。由于电子技术进步，对被处理信号的能量要求极小，仅为0.10.2VA，因此可以使用小信号电流互感器完成运行电流和短路电流的测量及保护任务，即在出现短路电流时，也不会饱和。小信号电流互感器等效电路如图2所示。2新型电子式电压互感器（1）电阻式电压分压器（图3）由于测量系统输入阻抗一般为1M以上，因此它对电阻式电压分压器影响极小，如果是12kV或40.5kV系统，完全可利用图3所示的电阻式电压分压器，将一次电压变换成510V，分压比为k，由于测量系统输入阻抗1M，所以R2一般取10k左右，Tv是过电压保护装置，一旦出现R2损坏，可以限制U2电压升高，保护测量系统。为了提高电阻分压器的精度，必须采用合理结构及参数。一般在分压器的高电压端加设高压屏蔽罩，增加高压引线对分压器本体的杂散电容，可以抵消分压器本体对地杂散电容CG影响。在低压侧加设低压屏蔽罩则起到控制分压器本体对地杂散电容值。而且要合理选择R1大小，如果R1太小，分压器则会流过更多电流，致使热损耗太大，不利阻值稳定，如果R1太大，负载回路会影响分压器的分压比。（2）电容式电压分压器电容式电压分压器的构成见图4。一次母线与中间电极之间电容C1为高压臂；中间电极对地电容及R2组成低压臂，一般C2的值很小，因此可求出输出电压E2=C1R1= =C1R1E13感应式接近传感器断路器的分、合位置检测，如果用传统的有触点辅助开关，则由于污染（包括霜）现象、触头氧化现象，经常会使辅助开关触头接触不良，甚至失效。ABB集团公司所属Calor-Emag公司早已使用感应式传感器取代传统的有触点辅助开关。感应式传感器原理如图5所示。 感应式传感器的基本工作是根据导电材料中涡流损耗会引起谐振回路品质因数Q值下降，导致振荡衰减这一原理。由LC振荡回路产生的高频交变电场，在传感器的操作面处呈现较强，此时如果有一导电材料（被运动体）接近操作面，由于高频交变电场在导电材料内产生涡流，消耗了振荡回路能量，其结果使振荡幅值减小，送入后面脉冲形成级，脉冲形成级根据输入振荡幅值变化，产生上升沿很陡的脉冲，输入晶体管驱动级产生一个1030V的信号。装在传感器内发光二极管显示受控状态，在另一端面，利用一根三芯聚氟酯绝缘导线提供工作电压，并获得被测信号。通过适当选择操作面位置，感应式传感器就能很精确地检测操作位置。由于这种传感器密封在壳体内，环境变化如重污秽、腐蚀、高温、外磁场等不会影响传感器性能，由于无触头，也避免了因表面腐蚀、烧损所致的接触不良。另外，由于传感器体积小，且带外螺纹，所以安装极为方便。增加安置感应式传感器数目，可以增加观察物理量。这种感应式传感器无接触、无触点、无烧损，可使用在操作频繁场合，使用这种电子式感应式传感器，可达到免维护和高寿命。状态监视和诊断技术1SF6气体密度监测（1）SF6气体密度监测重要性为保证SE6高压设备安全运行，必须对SF6气体密度、含水量等参数进行严格监测，如果这些设备发生泄漏，SF6气体密度降低，会产生极其严重的后果：a开关设备耐压强度降低。b断路器开断容量下降。（2）监测原理及实现方法当高压设备的气室充有SF6气体后，判定其是否已满足绝缘或灭弧的要求时，常常用SF6气体密度这个概念来衡量，因为SF6气室内的绝缘强度取决于SF6气体密度值的大小，与温度无关。而密度值的大小是通过20时充气压力来体现的。为了保证SF6气体绝缘设备安全可靠运行，必须监视SF6气体密度值，而不是气体压力。a气体密度恒定时，SF6气体的击穿强度与温度无关。b压力恒定时，SF6气体的击穿强度随温度上升而降低。由于在密度一定的情况下，温度发生变化时压力也随之改变，不同的密度对应的变化曲线也各不相同。因此为了正确反映出压力的变化是由于漏气还是由温度变化所引起的，必须通过温度补偿或修正的方法，使压力指示仪表的读数无论自然环境中的温度如何变化，指示的结果始终是20时的标准压力值，将这个值等效为气室内SF6气体密度值。当发生泄漏时，密度器能立即指示出漏气引起的密度变化，当SF6气体的密度示值低于事先设定的报警值时，密度继电器会给出报警补气的接点信号，即泄漏不太多，应予补气，设备还能继续运行，以防绝缘性能降低；如严重泄漏，给出一对闭锁接点信号，将开关操作闭锁，表示这时设备已不能正常运行，万一操作，则会发生事故。（3）UP908数字式SE6密度传感器UP908型数字式SF6密度传感器原理框图见图6。图7为UP908型数字式SF6密度传感器在几个变电所的连接方式。2SF6气体含水量测量（1）水分的危害性运行中的SF6气体绝缘设备无论怎样在安装中及运行维护中严格控制，设备总会存在水蒸气。在没有电弧或电晕的隔室中，水分的危害主要是降低耐压水平，例如SF6中水分含量达到30以上时，沿面放电电压可降到干燥时的6080；有电弧或电晕的隔室中，除了降低绝缘能力，还会在电弧作用下，微量的H2O与SF6作用产生SO2、SF2等酸性物质，它们对某些金属及绝缘体产生腐蚀作用。水分含量高时，甚至还会导致开断失败。（2）目前常见检测方法离线方法：抽气及测量。在线取气，离线测量方法：重量法，露点法，电解法等。应该指出露点仪是无法测量出设备温度降低到露点时气体含水量，这是因为设备随环境温度整体降低时，由于设备内固体的吸附和吸收作用，使气体中的绝对水气压会减少，而远低于饱和水气压。（3）采用高分子电容式相对湿度传感器测量含水量方法这种传感器的关键部件是湿膜。由于感湿膜的介电常数随湿度而变化，因此通过测量传感器电容量的变化就可以求得湿度值。因为湿度RH与电容量的变化有关，而电容量信号可以转换成频率信号，如图8所示。（4）采用湿度传感器HM1520测量微水含量方法湿敏传感器选用法国公司的湿敏传感器HM1520，它适用于低湿环境测量，且长期稳定性好、抗化学腐蚀能力强、响应速度快。3断路器机械故障的监测（1）断路器合、分闸线圈电流的监测如果高压断路器的操作机构是电磁操动机构，其合、分闸线圈一般由直流电源供电，见图9。经验表明，合、分闸线圈的电流可以作为诊断机械故障的信息，合、分闸线圈的电流信号可由补偿式霍尔电流传感器给出，给出的合、分闸线圈的电流信号也示于图9。（2）行程、速度监测断路器触头刚分速度对灭弧性能影响很大，适当提高刚分速度对减少电弧能量、减少零部件的烧损有很大作用，但过分增大刚分速度不一定能提高灭弧性能，反而会加重操动机构的负担；同样断路器触头合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此，对断路器触头的行程、速度特性的测量及在线监测是很重要的。为了完成正确测量，必须选取合适的位移传感器。1）线性梯度磁场传感器 将霍尔片固定在断路器运动部件上，在霍尔片上加一恒定的控制电流，再使装有霍尔片的运动部件在线性梯度磁场中运动，则在霍尔片上建立了电压，只要测量出霍尔片上电压，就可求得触头任一瞬时的行程，即可完成断路器的触头的行程和速度测量。断路器电压等级不同，灭弧介质不同，其触头行程是不同的，例如110kV GIS断路器触头行程是120mm，10kV真空断路器触头行程是10mm。可以按触头行程大小来设计产生线性梯度磁场线圈，以满足测量位移、速度的要求。2）旋转光编码传感器 利用增量式旋转光编码传感器可以完成转动角度及方向的测量，一般把旋转光编码传感器安装在断路器操动机构的转轴上。增量式旋转光编码一般有三个码道（A、月、Z道），A道与B道相差90，每周的码条数可以根据测量分辨率选取，Z道每周一条，用来确定旋转次数。当轴转动时，编码器输出A道、B道两路相差90角的正交脉冲，输入信号处理电路，从A道、B道两信号的相对位置可确定转轴的转动方向，如果A道先于B道，为正旋转，而B道先于A道，为反旋转。再通过加、减计数器对A道、B道两路信号计数，能得到转动角度大小及方向，从而可以测出断路器运动部分运动及反弹情况，可以计算出动触头行程；分合闸同期性；平均速度；超行程；刚分后或刚合前10ms内速度等。（3）机构操动时振动信号监测断路器在完成合、分闸过程中，操动机构、连动机构及触头的运动和撞击，会产生一系列振动信号。在断路器体内，采用频率响应为几十千赫的加速度传感器可以对振动信号采集，再经信号处理单元，可以得到一系列可反映断路器振动参数的量，即可判断路器的机械特性。如果振动事件出现时间和事件强度相对正常状态下参数发生明显变化时，则说明机构已出现问题。这种加速度传感器一般是压电晶体，利用了压电效应，当沿着一定的方向对某些电介质加力而使其变形，它内部产生极化，在它的两个表面产生极性相反的电荷。4封闭箱内母线接处异常温升在线监测（1）石英温度传感器藉助“石英温度传感器”有源测量方法。天然石英晶体经过特定方向的切割后，可发现振荡频率与温度有一定关系，采取特殊的切割可以加强这一变化，因此可利用fT特性进行测温。石英晶体具有相当优越的精度和稳定比，由于所测量的值是频率，很容易和计算机配合。（2）温度测量装置ABB公司开发的母线联结处温升在线检测装置，该温度检测装置使用了石英传感器，每一个传感器有一个电流源，电流通过母线时，交变电磁场提供了温度传感器探头所需的电源，才进行温度测量。母线电流40A（50Hz）时探头能正常工作，短路故障。所产生的短路电流不会损坏传感器。因为在测量点有强的电磁场，所以通过数字信号传递方案更为适合，输出数字信号（频率）与温度有关。传感器特点是体积小、准确