一次设备智能化关键技术专题报告

国家电网公司 （转载）易同 收录于2011-03-15 阅读数：公众公开 原文来源 我也要收藏国家电网公司“十二五”及中长期科技发展规划战略研究一次设备智能化关键技术专题报告（送审稿）国家电网公司科技部2009年11月目录第一章 概述.11. 变压器和电抗器类.42. 开关设备类.43. 互感器类.54. 电缆和避雷器及环保型压缩气体管道输电类.5第二章“十一五”科技工作总结.7第三章国内外研究现状分析.103.1变压器和电抗器类.103.1.1变压器智能化.103.1.2可控电抗器.103.1.3中、高压故障电流限制器.123.1.4 电力电子变压器.133.2开关设备类.163.3互感器类.183.4电缆和避雷器及环保型压缩气体管道输电类.213.4.1电缆智能化.213.4.3 环保型压缩气体管道输电.23第四章战略发展需求和技术发展趋势分析.254.1变压器和电抗器类.264.1.1变压器智能化.264.1.2可控电抗器.274.1.3中、高压故障电流限制器.304.1.4 电力电子变压器.324.2 开关设备类.334.3互感器类.354.4电缆和避雷器及环保型压缩气体管道输电类.364.4.1电缆的智能化.364.4.2避雷器的智能化.374.4.3环保型压缩气体管道输电技术.37第五章发展思路、总体目标和重点研究内容.395.1 发展思路.395.2 总体目标.405.3 重点技术方向和研究内容.41专题一共性技术.41方向一：通讯及一次设备智能化根模块技术.41方向二：智能模块寿命、稳定性、可靠性、性能及电磁兼容特性评估技术.41方向三：智能模块试验、检测方法、标准及试验室建设技术.42专题二变压器和电抗器类.43方向一：传统变压器、电抗器的智能化水平的提高.43方向二：新型智能变压器、电抗器技术.45专题三开关设备类.47方向一：提高传统开关设备的智能化水平.47方向二：新型智能开关设备的研究.51专题四互感器类.53方向一：交直流电网互感器数字化及信息化技术研究.53方向二：电子式互感器器的溯源技术及应用安全监护技术研究.55专题五电缆和避雷器及环保型压缩气体管道输电类.57方向一：电缆的智能化研究.57方向二：避雷器的智能化研究.59方向三：环保型压缩气体管道输电技术.60第六章中长期技术研究方向.62第七章技术发展路线图.66第八章保障措施.72国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告第一章 概述随着经济和科技的发展、社会的进步、自动化和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出，新能源的接入和智能电网的建设迫在眉睫，那么作为电力系统的基础和载体的电力系统一次设备将面临很多新的问题和挑战，同时也会经历新一轮的更新换代，其中最能代表时代发展的，也是发展最为迅速的将是融合了传感、控制、执行与通讯功能的各种一次设备的智能化。一般认为，电力系统一次设备的智能化是指使一次设备及系统具有全部或部分人工智能的方法和装置。针对智能概念和电力系统一次设备自身特征的总结，我们提出了一次设备智能化完整的概念，“一次设备智能化是指使电力系统一次设备具有准确的感知功能，正确的思维判断功能，有效的执行功能以及能与其他设备交换信息的双向通讯功能，能自动适应电网、环境及控制要求的变化，始终处于最佳运行工况的方法以及由此形成的装置设备。”具体而言，感知功能包括对设备自身的特征参数，各种运行参数以及系统参数的检测和采集；思维和判断功能也就是对自身和系统状态进行评估，并作出相应的控制，可依靠计算机和数字信号处理器（DSP）来完成；执行功能是指对电力系统一次设备的操动与调节；通讯功能是指基于标准通信协议（如IEC61850、sg186）实现与其他设备交换信息。一次设备智能化涉及的理论与技术包括电器学、高电压技术、材料科学、控制理论与控制工程、电力电子技术、现代传感器技术、数1国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告字信号处理、计算机网络和数据通信、软件工程等多个学科领域，与之相关的产业有电器、电子、机械、通信、工业设计等。一次设备智能化技术的发展，必将引领有关技术进步、推动相关产业的发展，同时也必将为社会带来大量的既有学术意义又有工业应用价值的研究成果。一次设备智能化是建设智能电网的重要组成部分，并带动智能电网技术完善和发展。一次设备的智能化是一种理念、一种方法，更是一个发展和进步的过程，其目的是通过一次设备所具有的部分或全部人工智能，在面对新能源接入带来的系统潮流剧烈波动、系统短路等严峻局面时，设备能及时处理缺陷或故障，使设备始终处于最佳工况，以提高电网的运行管理水平，满足用户对优质电力不断增长的需求。因此，一次设备的智能化不是一蹶而就的，它依赖技术进步的支持和运行需求，这两个因素的不断发展变化和持久作用促使一次设备的智能化程度不断提升。同时一次设备运行需求呈内外两个属性，一是内在自身固有需求属性，如自身可靠性需求、安全性需求、状态监测和评估需求等，二是外部需求派生属性，如系统调度控制对设备的需求、环境保护对设备的需求、大规模可再生能源分布式发电的接入对设备的需求等。这两个属性的需求内容的不断变化从而促使一次设备智能化程度逐步提升。需求是促进技术进步和实现一次设备智能化的动力，技术进步的支持是实现一次设备智能化的基础。一次设备智能化的两个主要方向是：传统一次设备智能化水平的提高和新型智能一次设备的研究。传统一次设备智能化水平的提高是2国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告指将一次设备的在线监测、状态评估、通讯技术融合集成为接口统一、便于运行和维护的标准化智能模块（智能附件），并编制相关智能软件包、技术标准和运行维护规范规程，从而使传统一次设备的智能化水平提高，新型智能一次设备的研究是指与电力电子有关，能实现一次设备功能，但原理和结构与传统一次设备有很大差距，比传统一次设备控制更灵活、智能化程度更高、使用更方便的未来新型的一次设备。这是根据一次设备本身的特殊性和重要性提出来的，分别对应的是一次设备智能化的短期和中长期目标。一次设备的基础性和重要性决定其不能短时间一步由新型智能一次设备替代传统设备，只能先对传统的一次设备智能化水平进行提高，同时也展开新型智能一次设备的研发，当条件成熟时才能用新型的智能一次设备逐步取代传统的一次设备。本报告以国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）为指导，根据“十一五”期间一次设备智能化相关技术研究执行情况的总结，结合对各种设备自身需求属性以及新能源接入、智能电网建设等外部派生需求属性的深刻分析，按传统一次设备智能化的提高和新型智能一次设备的研究两个主要任务，系统地提出了我国一次设备智能化的“十二五”及中长期的长远规划，为统一坚强智能电网的建设提供全面的服务支撑。本报告按照“十二五”对一次设备智能化技术范围的划分以及一次设备的种类，从变压器和电抗器类、开关设备类、互感器类、电缆和避雷器及环保型压缩气体管道输电类四个方面对一次设备智能化技术的“十二五”及中长期长远规划进行了阐3国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告述。1.变压器和电抗器类变压器、电抗器是电力系统输变电环节的关键设备，变压器、电抗器的安全可靠的运行是保证电网正常运行的基础。变压器、电抗器智能化按其内外属性的要求及智能电网建设需求，在“十二五”期间，将变压器和电抗器在线监测技术、变压器和电抗器状态评估技术、变压器和电抗器通讯技术提升融合，集成为智能模块，并研制相应智能软件包及相关技术标准，建立智能模块质量评价机制及运行维护规范和规程，开展规模工程示范应用，从而实现传统变压器和电抗器智能化水平提高的目标。在中长期发展战略中，研究智能单元的应用范围及经济性分析，同时对新兴的智能变压器和电抗器进行前瞻性研究，如电力电子变压器、新型可控电抗器、新型限流电抗器等，为新型智能化程度更高的未来的变压器和电抗器的应用研究奠定基础。2.开关设备类高压开关设备智能化，是建立在微电子技术、信息传感技术、计算机控制技术、伺服技术、驱动技术及精密机械技术等高度发展之上的综合技术。开关设备的智能化也是根据其内外需求属性及智能电网建设需求出发而展开的，根据开关设备自身内在安全及寿命需求以及设备之间交互需求、二次设备以及运行调度管理需求、环保需求以及大规模分布式能源接入需求等外部需求，“十二五”期间，开关设备的智能化重点是将开关运行状态、绝缘状态及操动机构状态的监测及评估技术、智能化操动机构技术、通讯技术（如遥测、遥信、遥控、4国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告遥调等）进一步模块化、一体化和国产化，提高国产化开关设备整体智能水平；与此同时，进一步提出新型专用的开关设备的研制需求，并寻求突破。中长期发展战略中，根据未来对SF6气体的限制使用，应提出满足环保要求的全密封混合式气体紧凑型开关设备技术或其他环保型灭弧绝缘介质的开关设备技术，同时对推广具有选相功能的模块化智能高压真空断路器等新型智能开关设备应用过程中，关系系统绝缘配合和绝缘水平的研究也是开关设备智能化研究的重要内容。3.互感器类互感器是智能电网建设的关键设备，根据智能电网的建设需求，“十二五”期间，传统互感器的智能化主要体现在：对原有互感器及量值溯源技术的改进；新型低负载互感器、电子式互感器及其检测技术和装备、宽频传感器、直流互感器的研究；互感器的数字化以及互感器自校验技术。在中长期战略中，新型的光电互感器、光纤互感器也是智能互感器重要的研究内容，同时测量用互感器和保护用互感器的分开实现也是互感器智能化重要的研究方向。4.电缆和避雷器及环保型压缩气体管道输电类“十二五”期间，电缆的智能化主要是针对光纤传感的埋入技术、各种新型的传感测量技术及状态评估技术做深入的研究和提升，并融合成智能单元模块，制定相应的技术标准及运行维护规范规程，建立质量评价体系并进行示范应用，从而提高传统的电缆的智能化水平，同时开展电缆光缆共享运营经济技术的前期研究，充分利用资源；避雷器的智能化主要方向是将避雷器作为一个传感器和警报器，避雷器5国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告在监视自身动作信息的同时监测系统过电压信息，并且将这些信息传递给其他一次设备，为其他设备的运行提供基础信息；同时也开展环保型压缩气体管道输电技术的前瞻性研究，为多元化、紧凑型、智能化输电奠定基础。中长期战略中，主要开展电缆和光纤共享技术的推广应用，并制定相应的运营、维护标准和法规。同时也开展环保型压缩气体管道输电技术的工程规模应用。6国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告第二章 “十一五”科技工作总结“十一五”科技发展规划并没有明确地提出智能设备技术方向，只是其他一些技术方向、技术领域涉及到智能设备方面的技术，包括：大功率电力电子领域中的可控电抗器关键技术、超高压短路电流限制器关键技术和定制电力技术中的固态开关技术；电网建设运行技术领域的输变电设备检修技术；电网自动化领域的数字化变电站技术、配电网自动化技术等。根据“十一五”科技发展规划中期执行情况评估报告，至目前为止，这些技术领域和技术方向都取得了重大的突破和阶段性的成果。由于“十二五”规划与“十一五”规划技术领域和技术方向范围的划分不一致，下面针对“十二五”规定的一次设备智能化技术领域范围，对“十一五”规划中与一次设备智能化技术有关的技术进行总结。在变压器和电抗器方面，“十一五”有两项技术与之相关：可控电抗器关键技术和超高压短路电流限制器关键技术。十一五期间，已经完成了500kV可控并联电抗器关键技术及工程应用，掌握了阻抗分级式和磁控式两种原理的500kV可控并联电抗器研发、制造、系统集成及工程应用的关键技术，今后努力的方向是建立和完善500kV、750kV、1000kV可控电抗器数学模型和仿真模型，掌握采用可控电抗器的输电网系统分析与仿真技术，研究控制保护策略及调节方法、技术标准和规程，制定运行维护规程，充分发挥可控电抗器在智能电网中的作用。超高压短路电流限制器关键技术主要研究内容7国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告是超高压电网短路电流限制器基础理论、短路电流限制器的系统分析和系统设计、故障检测算法、控制保护策略、晶闸管快速保护电容器等关键技术，目前，已经完成了快速保护电容器阀、阀基电子单元、快速旁路开关、间隙、控制保护系统等样机研制，并投入试运行；编制了示范工程的主设备技术规范、设计规范和试验规范，后续工作主要是开发出面向工程的经济型短路电流限制器装置并推广应用，提供系统设计和产品技术规范以及产品运行规程，为其在智能电网中进一步推广应用奠定基础。在开关设备方面，“十一五”也有两项技术与之相关：定制电力技术中的固态开关技术和配电网自动化技术。定制电力技术中的固态开关技术的研究方向是固态切换开关（SSTS）的理论研究、装置研制和示范工程，目前已经完成了10kV固态切换开关的开发，仿真和低压模型试验，今后需要努力的方向是进一步完善仿真模型和系统控制保护分析，进一步掌握装置研制的核心技术并国产化，将固态开关技术进一步推广到高压、超高压、特高压领域。配电网自动化技术与开关设备智能化关系密切，配电网自动化主要是由智能化的低压配电开关来实现。“十一五”期间，低压配电开关智能化方面主要的技术成就：研制了自适应配电网继电保护、测控一体化装置；各种新型配电开关、柱上式开关、组合开关柜、环网开关柜相继涌现；提出了PLC通信技术及无线传感网络WSN通信技术在配网自动化系统中的应用方案，并开展试点工程。今后努力的方向是提高产品的可靠性，改进工艺，改善二次智能控制水平，提高国产化水平，使产品进一步8国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告规范化、标准化。与互感器智能化密切相关的“十一五”技术项目是数字化变电站技术。“十一五”期间，取得的主要成绩是：研制具有自主知识产权的1000kV电容式电压互感器和1000kV GIS用电流互感器；改善了互感器量值溯源滞后局面，并研制出的现场试验用1000kV标准电压互感器和溯源用1000kV标准电压互感器，使我国标准量值溯源和量值传递领域走在世界前列；开展了互感器标准化及规范化工作，逐步实现互感器数字化技术，包括电子式互感器制造、检测与应用技术。今后需要进一步进行的工作主要是进一步完善量值溯源技术，包括数字式互感器的量值溯源技术；研发各种新型的新型互感器和传感器，如纯光学数字式电流互感器（交、直流）研究；实现互感器自校验技术等。9国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告第三章 国内外研究现状分析3.1变压器和电抗器类3.1.1变压器智能化变压器是电力系统输变电环节的关键设备，变压器的安全可靠的运行是保证电网正常运行的基础。随着智能电网的建设和大规模分布式能源的接入，系统运行工况越来越复杂，在这种情况下，如何保证变压器的安全可靠运行，国内外学者都进行了卓越有效的研究。目前欧美日等国家非常重视输电网络安全运行技术及IT 技术在运行维护中的应用，研究并使用新的诊断工具和方法评估运行中部件的预期使用寿命、风险和维修策略。针对变压器的状态监测和状态评估在国外己有较长的发展历史，在欧美等发达国家针对变压器的智能检测装置己很多，有许多成功预报设备故障的范例，一般都是专项检测装置，如色谱、局放、温度等，但是缺少多种状态参量融合的智能模块，而且状态评估手段单一。国内在变压器状态参量的检测方面也取得了一定的成果，而且有一部分已进入实用，如油色谱在线监测。但总体而言，国内在线状态检测装置可靠性与国外相比存在一定差距，状态评估方法和标准缺乏，没有标准化和规范化，也没有全面成套、融合集成的状态监测和评估的智能单元模块。3.1.2可控电抗器电抗器是电力系统中重要的设备，在电力系统中广泛的应用于限10国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告制工频过电压、消除发电机自励磁、限制操作过电压和线路容性充电功率、潜供电流抑制、限制短路电流和平波等。目前电力系统中使用的电抗器主要是固定电抗器，但随着电力工业的发展，电能质量和节能的要求的提高，固定电抗器越来越不能满足系统的要求，而根据实际需要改变电抗值的智能可控电抗器也越来越受到人们的关注。智能可控电抗器是在磁放大器的基础上发展起来的，20世纪50年代科学家把磁放大器的工作原理引入了电力系统，1955年英国通用电气公司制造了世界上第一台可控电抗器。从此，可控电抗器引起了国内外学者的广泛关注，并围绕可控电抗器结构原理，控制策略进行了广泛的研究，并大力引进新兴的电力电子技术，产生了大量研究成果和应用实例。70年代，晶闸管技术应用于电抗器，产生了晶闸管控制电抗器(TCR)。当时，BBC公司提出一种基于高抗变压器的可控电抗器，1979年，BBC公司在加拿大Kvebek郡Loreatid变电站投运了450Mvar/750kV这种可控电抗器，现仍在运行。其优点：响应速度快（10ms）；其缺点是：谐波含量大（达到6%），损耗为传统变压器的5倍，该项技术未能推广。2001年，圣彼得堡理工大学在本体设计上进行较大改进，并增加了用于滤波的补偿绕组，大大减少了这种可控电抗器的谐波损耗，BHEL公司在印度Itarsi投运了一套50Mvar/420kV这种变压器型可控电抗器，目前该系统仍然运行良好。70年代，俄罗斯提出了一种基于直流磁饱和式可控电抗器，这种电抗器是通过在电抗器中注入直流励磁，调整电抗器铁心的饱和程11国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告度，从而实现电抗器输出容量的可控。随后，俄罗斯先后在一些变电站投运了这种磁控式的可控电抗器，这些可控电抗器一直可靠运行至今。1986年，前苏联学者改进磁控式可控电抗器结构，又提出了新型的磁阀式可控电抗器，这种磁阀式可控电抗器也是通过调节直流励磁实现电抗器可控的，但是它具有不需要外接电源的优点，因此磁阀式可控电抗器很快成为研究的热点。磁阀式可控电抗器在俄罗斯和乌克兰得到了良好的应用。近些年来，国内学者和科研机构也展开了对可控电抗器的研究，在许多方面取得了丰硕的成果。2006年，中国电力科学研究院和西安变压器厂合作在国内率先生产了500kV/50MVA的油浸交流有极可控电抗器，这种可控电抗器是基于高漏抗变压器分级调节的可控电抗器，2006年9月19日在神木忻州石北500kV线路忻州开关站一次性投运成功。2007年，中国电力科学研究院与沈阳变压器厂合作，生产了国内首台500kV/120MVA磁控式可控电抗器，于2007年9月28日在500kV荆州站投运成功。目前，国内对磁阀式可控电抗器也进行了广泛研究，武汉大学、上海交通大学和华北电力大学在这方面取得了很好的成果，已经有10kV、35kV产品应用于系统。3.1.3中、高压故障电流限制器电力系统的迅速发展，单机和发电厂容量、变电站容量、城市和工业中心的负荷和负荷密度的增加，以及电力系统之间的互联，导致现代大电力系统各级电网中的短路电流水平不断增加，系统中部分地区的短路电流已经达到甚至超过断路器的遮断容量，而且上升趋势越12国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告来越明显，已经严重威胁到系统的安全运行。一旦发生短路故障，可能会造成故障线路中相关设备烧毁，后果难以想象。除改变电网结构外，故障电流限制器（fault current limiter，FCL）成为解决短路电流超标问题的新途径。目前比较成熟的故障电流限制器有：限流电抗器、高压限流熔断器、谐振型故障电流限制器。串联谐振型故障电流限制器在超高压系统中的应用，关键在于旁通电路替代型式的研究，随着容量和电压等级的提高，饱和电抗器成本和制造难度迅速增加。而电力电子和快速开关等技术的快速发展，为新型电容器保护用旁通技术的探索提供了新的思路。可控串补装置可以动态调节电容的阻抗，使其工作在感性模式和容性模式。在短路电流发生时刻，调节晶闸管阀的触发角使其工作在感性模式，相当于线路串入一个大电抗，以达到限流目的。这是利用可控串补装置的一个附加功能。随着新材料、新工艺的出现，涌现了许多基于新型器件和原理的故障电流限制器，例如基于超导技术，基于半导体变流技术，以及采用PTC（positive temperature coefficient）热敏电阻材料等。这些新技术给电力系统的发展带来了新的机遇。3.1.4 电力电子变压器自1970年美国GE公司的W. McMurray首先提出一种具有高频链接的AC/AC变换电路以来，国内外学者围绕电力电子变压器的主电路拓扑、控制策略、应用技术等方面进行了大量基础性研究并研制13国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告成功若干中低压小容量样机，具体有：1980年，美国海军的一个研究项目提出了一种由AC/AC的buck变换器构成的固态变压器。其后，日本人Koosuke Harada 于1988年根据McMurray 提出的高频变换的思路，并将其应用于UPS（Uninterruptible Power Supply）系统，使UPS系统体积减小，且电池也可直接通过变换器充电。基于类似的变换原理，Koosuke Harada 等人在1996年又提出了一种智能变压器（Intelligent transformer），通过对高频技术的使用，使得变压器体积减小，并可实现恒压、恒流，功率因数校正等功能。其研究成果在200V、3kVA的实验装置上得到实现，开关频率达到15kHz，但其缺点在于效率较低，大约在80%90%左右。1995年，由美国电力科学研究院（EPRI）赞助的一个研究项目也研制出了另一种基于AC/AC变换的固态变压器，并制作出了实验室样机。早期的电力电子变压器的理论和实现研究由于受到当时大功率电力电子器件和高压大功率变换技术发展水平的限制，所提出的各种设计方案均未能进入实用化。进入20世纪90年代末，国外在电力电子变压器的研究领域中出现了新的进展，提出了一些新的技术方案，并制作出了与配电系统电压等级相当的实验室样机。最先是美国德州A&M大学的Moonshik Kang和Enjeti提出了一种基于直接AC/AC变换的电力电子变压器的结构，大幅度地减小了变压器的体积和重量，并实现了240V/10kVA的实验室样机。同W. McMurray所提出的高频变换相似，针对较小功率的应用场合，为简化结构，降低成本，M. D. Manjrekar和R. Kieferndorf等人在buck-boost14国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告变换器的基础上提出了一种直接AC/AC变换结构的电力电子变压器，并制作了线电压为230V的实验研究系统。Ronan和Sudnoff于1999年提出了一种由输入级（高压级）、隔离级和输出级（低压级）三级结构组成的电力电子变压器，并制作了一个7.2kV/240V/10kVA的实验室样机。在国内，2000年以来才真正开展电力电子变压器方面的研究，海军工程大学及华中科技大学率先涉及这一研究领域，其后，东南大学的赵剑峰针对直接高频交流链接的电力电子变压器提出基于瞬时值控制的策略进行了仿真研究，结果表明可以较好的保证EPT输出电压恒定；华南理工的邓卫华在相关文献的基础上对于典型的电力电子变压器主电路拓扑结构和控制策略提出了改进措施，并就电力电子变压器的功能拓展进行了初步探讨；华中科大的毛承雄等提出了两种新的EPT实现拓扑结构，这两种方案都利用电位叠加原理，实现了采用低压功率器件在中高压电力系统中完成电能变换，并采用模块化设计思想，EPT由多个相同的功率模块串联而成，具有良好的扩展性，便于维护。迄今为止，在涉及电力电子变压器的各方面研究中，各国学者已经取得了显著的进展，根据不同的设计目标，提出了多种EPT的实现方案和拓扑结构并申请了相关专利，部分已制作出了相应的实验室样机，但应用于电力系统的实际装置尚未见相关报道。在电力电子变压器应用方面的研究工作，国内外总体研究水平相差不大，在主电路拓扑和控制方法等领域，国内研究单位的某些方案更有特色。15国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告3.2开关设备类开关设备的智能化是建立在开关设备在线检测与诊断技术的基础上的，而开关设备在线检测与诊断技术是建立在工业自动化技术基础之上的，工业自动化技术全面支撑着开关设备状态检测与监测技术的发展。要实现开关设备运行监测，首先要提取开关设备在运行过程中的各种表征其状态特性的特征参量，这需要使用各种各样的传感器，如电流，电压，局部放电，压力，温度，振动，气体，湿度传感器等。近年来发展起来的触头电气寿命评估方法，即采用累积触头电磨损量作为判断电气寿命依据的断路器触头电气寿命监测和诊断方法。局部放电检测是诊断电力设备绝缘状况的有效方法，它能发现设备绝缘缺陷，常用的方法有UHF超高频信号法和超声波法。目前在日本、英国DMS公司,清华大学和西安交通大学所研究的均是基于超高频信号的研究，也有已成品在挂网试运行。对于SF6断路器，可以通过气体组分在线监测，以及对SF6气体分解产物定量进行检测，进而判断断路器的运行情况。光纤温度在线测量、光电测量等新的光纤传感技术也开始在开关中使用。但是做开关设备机械特性监测的厂家较少。各国研究者开发了一些在线监测设备，多数采用单一参量进行监测，较少采用多参量综合检测的方法去研究电力设备在运行过程中绝缘状态变化规律。目前有些学者开始使用一些新的数字信号分析技术（数字滤波、神经网络、小波分析、专家系统、模糊诊断、模式识别16国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告等）用于绝缘检测中，取得了良好的效果。开关设备的智能化体现的另一个方面是选相控制技术。选相控制最早被提出是在上世纪70年代，限于当时的技术发展水平，并没有成为真正实用的产品。近年来随着断路器制造工艺、现代测控技术的不断提高，日益受到制造部门与用户的关注，成为智能化电器的研究热点。自上世纪九十年代实用化以来，选相控制断路器在欧美市场的使用数量与范围迅速扩大。选相控制断路器主要分布在中低压等级，且大多在日本、欧美等发达国家。目前国外已经开发出同步开合的断路器产品，高压、中压断路器及接触器均有相应的产品。如ABB公司20世纪90年代研制成功配有由三个独立分相模块组成的CAT模块式电子装置的HPA型中压SF6断路器，以及在VM1基础上发展的采用三相独立永磁机构的中压真空断路器（同步开关）及H型中压SF6断路器等。近年来，国内一些高等院校与研究机构对于相控开关技术在理论和可行性发明进行了探讨，也进行了不同程度的开发尝试，取得了一些阶段性成果。目前国内配装液压机构和弹簧操动机构的高压断路器均已达到控制精度要求，已大量使用选相控制产品。新型永磁操动机构自1997年问世以来，经过国内许多单位的不断改进，动作稳定性与可靠性有了很大提高，给中低压领域相控投切技术的实现提供了硬件支持。采用精确电子操动控制系统以及永磁机构的真空断路器模块能实现选相分合闸操作。由于SF6气体对环境尤其是温室效应产生很多不利影响。近来，美国伊顿公司推出了全固体绝缘的开关柜。同时，日本东芝及17国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告AEPOWER也都研制成功了全固体绝缘的小型化开关柜。这将是下一代小型化环保产品的主流。由于对配网技术的重视，目前国内外的柱上开关技术发展很快。同户内断路器相比，户外断路器所处的环境条件更恶劣，对免维护、长寿命、易于操作和安装的要求更高。因此，不断有新技术和新材料应用在户外断路器上，如户外脂环族环氧树脂。模块化和免维护产品的设计也是柱上开关必须采用的，免维护和模块化的生产和安装方式，可以给用户提供很大的方便，同时可以给用户非常灵活的选择，并为产品升级提供了可能，提高产品的环境耐受水平。由于柱上开关设备运行维护困难，迫切需要进行在线监测、远动、远控、负荷转移等智能化技术的改造，使配电自动化开关设备具备自动识别，自动隔离，自动转功的功能。3.3互感器类互感器智能化的体现之一就是数字化的电子式互感器技术，国外电子式互感器技术研究已经有30余年的研究历史，我国也有20余年。国内研究主要集中在电子式互感器样机研制上，新型样机种类不少，但是存在缺乏对一次设备综合性能整体考虑的以及缺少基础实验手段投入，国内电子式面临如下几个问题：宽频响应检测、谐波误差测试、通讯及接口等相关问题。互感器的量值溯源及现场检测技术是目前智能电网急需解决的问题，它直接影响互感器的检测精度。2000年，加拿大研制出串联18国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告结构765kV电磁式标准电压互感器，但是受临近效应影响，对使用环境要求较高，经数据处理可以满足0.02%水平；欧洲擅于电容式标准电压互感器技术，标准电容器的电压等级决定了电容式标准电压互感器的等级，但是这种结构标准电压互感器的稳定性不如电磁式标准电压互感器。2005年8月武高所将研制的765kV电磁式标准电压互感器应用于西北750kV工程现场检测，用于量值溯源的765kV电磁式标准电压互感器达到0.01级水平；2008年8月武高院又研制出1000kV交流0.01级电磁式标准电压互感器，分为量值溯源用和现场检测用两种不同结构，是世界上目前电压等级最高、准确度最高的电磁式标准电压互感器。但是，我国一次设备整体上的现场检测技术与状态检修技术与欧美国家有较大差距，现场检测设备整体性能水平不高，包括高压设备、测试设备等。大量测试设备都是外购，且存在泛用现象。同时随着电网数字化技术的发展，数字化的互感器上传信息为数字量，电能计量功能可用一组程序（代码）完成，无需物理意义上的专用电能表，实现二次设备网络虚拟化，传统形式的计量装置将发生变革。由于实现计量功能的物理模式变更，量值溯源及量值传递、电能计量网络安全监护机制需要重新建立，以保证电能计量的公正、公平、安全性。随着对电网可用率等技术要求的提高，以往停电校准互感器的模式受到制约，不仅仅是停电检测影响运行效率，更关键的是停电检测互感器可能会影响电力输送的可靠性。停电检测与实际运行状态不同，尤其是高电压等级电网大量使用的电容式电压互感器受环境条件19国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告（邻近效应）影响较大，检测结果与实际运行情况有差异。因此，国内外学者提出了互感器在线校准技术，它主要应用于电能计量装置的在线校准和一次设备在线检测、在线监测系统参考标准源的核查或校准。加拿大是开展互感器误差特性在线校准技术研究较早的国家，2002年就实现了220kV站电压互感器、电流互感器及电度表整体在线校准；2006年德国、意大利两国将互感器在线校准推广到420kV电压等级，实现420kV站不停电条件下检测电压互感器和电流互感器误差特性。国网电科院2007年开始这一技术研究，完成了配电网（10kV35kV）和输电网（110kV500kV）互感器误差特性在线校准理论分析、演算和检测装置的结构设计，目前正在开展检测装置样机研制的前期准备。个别省电力试验研究院与高校也开展了电流互感器在线校准技术研究。我国是世界直流电网（站）规模和数量最大、最多的国家。但是，我国直流场主设备仍然靠进口。以直流互感器为例，我国已经研制出500kV直流电流互感器和500kV电压互感器，但是产品技术性能尚不能和国外产品相比。宽频传感器是传统互感器的拓展。早在上世纪90年代末期，加拿大和德国合作，将电流互感器（传感器）的频域响应区间拓展到“直流2kHz”，不同频域范围的准确度水平从0.1%0.02%，用于对系统设备及线路特性进行评估，开展了验证试验，提高了一次设备及线路的状态检测水平。我国在宽频传感器技术领域开展的研究工作不多，更缺少宽频传感器的检测装置。20国家电网公司“十二五”及中长期科技发展战略研究一次设备智能化关键技术专题报告3.4电缆和避雷器及环保型压缩气体管道输电类3.4.1电缆智能化电缆智能化的概念主要是针对能在传统电缆的基础上实现电缆功