智能化液压操动机构优化断路器设计

随着电力系统对可靠性及自动化的要求越来越高，无论是发电、输电、配电还是用电，都提出了监测、控制、保护等方面的自动化和智能化的要求。断路器作为电力系统中最重要的控制元件，它的自动化和智能化是电器设备智能化的基础，而操动机构的机械动作的稳定性和可控操动，又是断路器智能化的保障条件之一，是断路器智能化的基础。

一般来说，智能化断路器除包括液压操动机构满足常规液压操动机构的原有功能外，其增加的功能主要表现为

1）应具有灵敏准确地获取周围大量信息的感知功能；

2）应具有对获取信息的处理能力；

3）应具有对处理结果的思维判断能力，对处理结果的再生信息的实施及有效操作的实施功能。

压力传感器可探明油液压力，通过监控其压力变化，反映操作机构状态。压力传感器发出的信号能够实现连续的状态监测，确定趋势走向以及检测极限值，并能在此基础上实现常规的油液压力（储能位置）的锁定和报警功能。在速度传感器和震动传感器的帮助下，操作机构的状态可实现监控。另外，这些传感器的信号可同时用于常规的位置指示和电动机控制。温度传感器根据对周围温度以及油液温度的测试结果，对状态变化（粘度变化以及反映出的趋势信息）做出更准确的评估。

总的来看，可以归纳智能化断路器的操作过程为：智能控制单元不断从电力系统中采集某些特定信息，据此来判别断路器当前的工作状态，同时对液压操动机构的状态做出分析和发出指令，使液压操动机构随时处于操作的准备状态。当变电站的主控室因系统故障由继电保护装置发出分闸信号或正常操作向断路器发出操作命令后，控制单元根据一定的算法求得与断路器工作状态对应的操动机构预定的最佳状态，并驱动执行机构操动机构调整至该状态，从而实现最优操作。智能控制单元是断路器液压操动机构实现智能操作的核心部件。

1.智能控制单元

智能控制单元是智能化断路器的灵魂，它是以微处理机为核心部件，综合应用传感技术、光电转换技术、数字控制技术、微电子技术和信息技术等多种现代技术，以完成断路器的智能操作，实现断路器的智能化。

智能控制单元的基本功能有：

（1）自动识别断路器的工作状态

准确识别断路器的工作状态是实现智能操作的前提。对于超高压断路器而言，其任务主要有开断短路电流、负载电流、小容性电流和小电感性电流等。

（2）自动调整断路器工作状态的液压操动机构

这是控制单元的核心功能。因此控制单元必须在识别断路器工作状态的基础上确定与之相对应的液压操动机构的调整量。

（3）记录并显示断路器的工作状态

由于断路器在大多数运行时间内是不动作的，在此期间，本单元的任务是对断路器，包括液压操动机构的工作状态不断地进行监测，同时它还记录断路器每次开断的情况，包括开断电流的大小、开断类型及是否发生拒分或拒合等信息，以便于电力部门进行事故分析及断路器的维护。

（4）具有与远端主机进行通信的功能

控制单元可以根据主机的要求将断路器的开断记录及其他数据经信息传输接口上网传送至上位机，并通过上位机经信息传输网络将操作命令及保护参数、保护及重合闸方式等配置要求传送过来。

2.监测与诊断断路器工作状态

监测与诊断是智能化电器设备的重要环节，计算机技术、传感技术与微电子技术使智能化断路器的监测与诊断的功能得以实现。它具有以下功能：

（1）断路器包括液压操动机构机械故障的监测与诊断

根据多年的大量统计资料表明，事故的70%～80%出在高压断路器的操动机构和控制回路。断路器的机械部分比较复杂，且长期不动作，监测困难，需要采用多种技术综合判断，主要有以下几项：

1）合分线圈电流和电压波形监测，非正常报警；合分线圈回路断路监测，断路报警；线圈电流波形中包含着许多操作系统的信息，如线圈是否接通、铁芯是否卡涩等；

2）监测合闸、分闸时间，过限报警；

3）监测合分速度，过限报警；合、分闸机械特性包括行程、速度、缓冲、弹跳、撞击等，这些信息也可从机械特性波形中提取；

4）液压油油品、油位及油温监测，过限报警；

5）无操作时液压机构打压次数、打压时间、压力监测记录及过限报警；(www.xing528.com)

6）控制回路通断状态监测，这对因辅助开关不到位或接触不良造成的拒分、拒合故障有很好的监视作用；

7）关键部分的机械振动信号。高压断路器包括液压操动机构合分动作的机械振动波形十分复杂，通常包含着多个子波，看起来杂乱无章的波形实际上是多个子波的混叠，每个子波代表一个振动事件。分析振动波形，把各子波分离出来，可以得到事件的个数及各事件发生的时间和事件的强度，可以获取断路器操作过程机械部分的多个信息。对波形分析的方法很多，如小波分析、形状比较、统计过程处理等。测量所用的加速度传感器应根据所监测的目标（电磁振动、部件振动、操作振动等）的不同而合理选择。振动传感器的安装位置也应精心布置。

判断上述监测信号是否正常的一个基本出发点就是将其与正常状态下的情况作比较。正常状态是在某一范围内，通过具体条件由试验和统计处理确定。通常是将一次操作的几个波在时域、频域、幅度上做横向比较，与前几次的操作做纵向比较以得出诊断结论。

（2）一个智能化断路器包括液压操动机构的智能监测与诊断系统

其总体框图如图6-1所示。由于对异常程度及故障部位的诊断难度较大，计算机决策有时比较困难，很多装置还借助于人脑对信息做综合分析，以便作出最后决断，计算机只对那些确认无疑的越限值给出告警信号。

图6-1 诊断系统总体框图

3.断路器的智能操作

断路器包括液压操动机构的智能操作是智能化断路器最典型的应用，它是将智能化技术引入到断路器的电气性能中去，它使断路器能更好地完成开断任务并提高开断的可靠性，提高断路器的综合技术性能。它至少应包括断路器的同步分断与选相合闸两方面。

要求断路器的操作性能可根据电网中发出的不同工况自动选择和调整液压操动机构的预定工作条件。要求断路器在零电压下关合，在零电流下分断，这与断路器的同步分断与选相合闸的工况是完全一致的，同步分断可以大大提高断路器的分断能力；选相合闸可以避免系统的不稳定，克服容性负载的合闸涌流与过电压。

现代传感器技术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。问题是控制信号在电压或电流零点以前什么时刻发出。这就要求断路器对液压操动机构的稳定性、可靠性要求更高，使其完全可控。

4.智能型高压电器有关问题的探讨

断路器包括液压操动机构智能技术不仅是概念上的转变和理论上的发展，而且是在众多领域中技术上的突破，它的实现必然会应用一些新技术、新材料、新工艺，不断提高产品的稳定性和可靠性。具体有下列方面需要探索研究：

（1）抗电磁干扰技术

研究表明，一次回路中发生的任何形式的暂态过程（如各种过电压和各种短路故障）以及载波通讯信号，都会通过不同的途径耦合到二次系统。此外，高电场引起的电晕及污闪也要产生电磁辐射，二次控制回路的开关电源由于其浪涌噪声也会对电量传输带来扰动。大功率电磁铁动作时引起空间磁场的变化，还会在附近的导电回路中感应出电流，给液压操动机构中的控制电路带来考验。解决电磁兼容问题就要针对各干扰源，严格的屏蔽、隔离与接地措施，信号的数字化传输可以大大缓解干扰的影响程度，引入光电转换不但可以进行电气隔离，还可以保证信号传输过程不受电磁场的干扰。

由于智能化断路器的信号传输与控制系统的工作电压和信号传递电平低，耐压水平低，外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏，而这种情况对于传统电器的影响是不大的。因此，电磁兼容是断路器智能化的新课题。

（2）信号处理技术

对有些技术来说，获得监测信号只是第一步，必须进行故障诊断才能作出判断、决策。如用机械振动法监测断路器机械状态需要对获取信号做处理才能正确辨识。

（3）寿命问题

一般来说，电子设备的使用寿命远低于高压电器设备本身的寿命，这是一个矛盾。

（4）性能价格比

性能价格比是阻碍开关设备智能化发展的一个主要问题。要达到功能完善、价格合理还需要相当长的时间。但随着技术的进一步发展，智能化费用的减少，功能的完善，智能化设备将会受到越来越多电力用户的重视。智能化将是开关设备发展的重要趋势。

5.智能化断路器的现状

近年来，高压领域已有很多智能化断路器面市，它们的特点都是采用先进的传感器技术和微计算机处理技术，使整个组合电器的在线监测与二次系统在一个计算机控制平台上。它们包括三种功能：自动保护功能、早期维护功能和信息传递功能。其中，保护功能指断路器本体可对过电流和短路故障进行检测与判断并发出指令，使断路器可靠分闸；早期维护功能指断路器在六氟化硫密度降低、电接触部位温升异常以合分闸线圈断线时均能发出报警，提示操作人员把断路器退出运行进行维修；信息传递功能则指除正常加入的控制信号外，断路器状态的信号输出。

当前，世界上先进的工业国家都看好在电力系统中高压领域智能化高压电器的发展前景和潜在的效益，加大了研究的投入和开发的力度。目前，已经大量应用的信号数字化传输技术大大缓解了信号传播中干扰的影响程度等，这些高新技术的应用都为智能化断路器技术的发展创造了良好的条件。

断路器智能化涉及到很多领域的技术进步和创新发展，如传感技术、微电子技术、计算机技术、信息技术以及断路器本身及操动机构等方面，需要更多地投入和开发。随着智能化电网的发展，智能化断路器也将会有大的飞跃，依其优越的性能被用户所熟悉和喜爱。