最新5 智能开关设备汇总.docx
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最新5智能开关设备汇总
5智能开关设备
智能变电站调研
专题报告之五
智能开关调研报告
中国电力工程顾问集团公司智能电网技术中心
西南电力设计院
SOUTHWESTELECTRICPOWERDESIGNINSTITUTE
二O一一年六月 成都
智能变电站调研
专题报告之五
智能开关调研报告
批准：
审定：
审核：
校核：
编写：
智能变电站调研
专题报告
总目录
专题报告之一
总报告
专题报告之二
智能变电站状态监测系统调研报告
专题报告之三
避雷器状态监测调研报告
专题报告之四
智能变压器调研报告
专题报告之五
智能开关调研报告
专题报告之六
智能变电站互感器调研报告
专题报告之七
自动化系统调研报告
专题报告之八
智能辅助控制系统调研报告
专题报告之九
交直流一体化电源调研报告
专题报告之十
一体化信息平台调研报告
专题报告之十一
系统保护、远动、通信智能化调研报告
专题报告之十二
智能变电站土建调研报告
摘要
根据本次智能开关设备的应用现状调研工作，目前智能开关设备的主要现状如下：
（1）从已建的智能变电站的情况来看，智能开关设备的研发和生产仍然处于“电力功能元件+智能组件”的阶段，即“开关设备本体+传感器和执行器+智能组件”的方式，一体化程度仍然较低；
（2）智能开关设备的智能组件包含了智能单元、合并单元、状态监测IED3大类基本智能组件；
（3）智能单元仍未集成所有的控制单元、测量单元、电量保护、计量单元，从目前的情况来看，开关设备的电量保护、计量单元、测量单元仍未实现下放，集中布置于继电器室内；
（4）从目前的情况来看，目前的状态监测IED的大部分产品还不能实现根据传感器信息分析出所监测设备目前的运行状态，或者说只能实现部分的信息参量的分析。
在目前的条件下，状态监测IED更多的扮演的是一个数据汇总、数据转换、基础分析、数据上传的角色；
（5）根据监测对象的不同，开关设备状态监测主要监测了三个方面的状态量：
操作机构机械特性状态监测、SF6气体状态监测（压力、微水）和局部放电状态监测，但是现阶段智能开关设备SF6微水状态监测配置的必要性不高，且配置成本较高，推荐暂不配置SF6微水状态监测；
（9）智能控制柜由于采用双层柜结构且电子设备功率较高，电子设备发热现象严重。
在调研工作的基础上，报告对智能开关设备存在的问题进行了分析，即SF6微水监测的必要性以及智能组件的散热问题。
最后，报告针对目前智能开关设备存在的问题，提出了下一阶段应重点研究的内容，包括：
（1）研究智能开关设备智能组件整合的可行性，提出智能开关设备功能一体化的建议。
（2）进一步研究开关设备配置SF6微水状态监测的技术经济比较，完成专题报告编制。
（3）进一步研究智能控制柜发热的问题，提出最经济合理的解决方案。
1.概述
智能化变电站以智能一次设备和统一信息平台为基础，通过采用先进的传感器、电子、信息、通信、控制、人工智能等技术，实现变电站设备的远程监控、程序化自动运行控制、设备状态检修、运行状态自适应、智能分析决策、网络故障后的自动重构以及与调度中心信息的灵活交互，实现了一二次设备的智能化，运行管理的自动化。
变电站智能一次设备（或称智能设备）是由电力功能元件及其智能组件构成，具有测量、控制、保护、自动调节、状态监测及预警、通信功能的电气一次设备，是智能化变电站的重要组成部分。
它是智能变电站的重要特征，是智能变电站区别于传统变电站的重要标志之一。
作为变电站内最重要的电气设备，开关设备的智能化水平也直接体现了变电站的智能化程度。
电力工程顾问集团已经针对智能开关进行了专题研究。
但是，大部分专题报告对智能变压器的研究停留在理论上，对于现阶段智能变压器具体的实现方式、结构型式、智能化方式都没有足够的认识。
为掌握目前智能开关实际研发情况以及在变电站内的应用情况，同时为下阶段智能变电站的具体设计工作提供技术储备和支撑，对国内外厂家对智能开关设备的研发和生产情况、以及国内试点智能变电站内智能开关的应用情况进行了调研。
2.智能开关调研工作基本介绍
本调研报告主要结合对厦门ABB华电高压开关有限公司、新东北电气（沈阳）高压开关有限公司、西安西电开关电气有限公司的智能开关的研发和应用情况，以及延安750kV变电站、北川110kV变电站等试点智能变电站的运行情况的调研结果，对智能开关的发展现状进行了论述和分析，主要包括：
（1）智能开关基本结构型式；
（2）智能开关的智能组件分类；
（3）智能开关的智能组件功能分析；
（4）目前智能开关存在的问题分析
3.智能开关发展现状分析
智能开关对开关设备的智能化水平提出了较高要求，模糊了传统意义上的一次设备和二次设备的界线，国外开关制造公司如ABB、西门子、阿海珐等大型公司在一次设备和二次设备研发能力都较强，并在把握智能开关设备研发方向上能力比较突出。
早在上世纪90年代就已着手进行设备智能化研究，因此国外开关制造公司在智能GIS设备的研发和制造方面已走在了前面。
澳大利亚昆士兰的275kVBlackwall变电站和Braemar变电站已分别于1999年和2000年投入运行，两变电站内的高压开关全部采用ABB公司智能化PASS开关，取得了良好的运行效果。
国内开关制造公司在智能开关的研发上起步较晚，主要依托国家电网公司开展的智能化变电站试点工程的开工设计，才开始进行开关设备的智能化研发工作，目前国内三大开关厂（西开、平高、沈高）均以开发出智能化开关（GIS）样机。
国内制造公司通过在开关设备附近加装智能终端设备（如布置于汇控柜内）以实现开关设备智能化，智能终端同时具备与一次设备的电缆连接接口和光纤以太网接口功能，自身完成信息转换以实现传统一次设备和其他基于IEC61850标准智能电子设备的状态监测功能。
2010年，国家电网公司在总结近几年试点智能变电站的建设及运行经验基础上，提出了企业对高压设备智能化的标准，《高压设备智能化技术导则》（Q/GDWZ410-2010），对高压设备的智能化方向作出了指导性的规定，标准中明确提出了智能设备所要实现的五大基本功能，即测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化、信息互动化。
并在此基础上，提出了对开关设备智能化的要求项目如表1所示：
表1开关设备智能化要求项目
序号
功能
组
智能化项目
应用
建议
备注
1
测量
数值化常规测量
就地/远方操作指示
应采用
闭锁/解锁位置指示
应采用
分合闸位置指示
应采用
操作次数
应采用
控制回路断线
应采用
低油压报警
应采用
弹簧未储能报警
应采用
电机故障报警
应采用
三相不同期报警
应采用
SF6气压低报警
应采用
交直流电源失电报警
应采用
2
控制
分合闸控制
应采用
选相合闸控制
可采用
3
计量
电子式互感器
可采用
4
监测
自诊断监测
局部放电
可采用
分合闸线圈电流波形
可采用
断路器分合闸时间
可采用
断路器行程-时间曲线
可采用
断路器声学指纹
可采用
明确声学指纹特征后应用
SF6气体压力
应采用
SF6气体水分
可采用
断路器储能电机状态
宜采用
开关触头红外测温
可采用
开关设备气室温度
可采用
5
保护
集成继电保护功能
可采用
通过对开关制造厂家的调研，现阶段，各开关制造厂家在开关设备的智能化方向上均以国家电网公司提出的企业标准作出研发方向。
厦门ABB华电高压开关有限公司、新东北电气（沈阳）高压开关有限公司、西安西电开关电气有限公司三家开关制造厂家的智能化解决方案原理如图1~图3所示
图1：
厦门ABB公司开关设备智能化解决方案
图2：
西开电气公司开关设备智能化解决方案
图3：
沈高公司开关设备智能化解决方案
3.1智能开关的基本结构型式
从上述国内制造厂家提供的开关设备智能化解决方案和目前已建的智能变电站的智能开关应用情况来看，现阶段国内智能开关的研发和生产仍然处于“电力功能元件+外置智能组件”的阶段，即“变压器本体+传感器和执行器+外置智能组件”的方式。
开关设备通过附加智能组件实现智能化，智能组件下放至就地智能控制柜内，使开关设备可以根据运行的实际情况进行操作上的智能控制，同时还可根据状态检测和故障诊断的结果进行状态检修。
开关设备智能组件安装集成于智能汇控柜内，智能汇控柜内设智能终端和状态监测IED，智能终端集成了非电量保护单元，通过接收传感器信号完成变压器的非电量测量和非电量保护功能。
采用IEC61850标准规约通过光纤上传数据，同时接受站控层下达的控制指令，完成开关设备各种状态的切换。
状态监测IED汇总处理利用传感器收集到运行过程中的实时信息，并将其转换后上传。
但是由于目前技术水平和现场实际情况的限制，智能终端仍未集成所有的控制单元、电量保护、计量单元，从目前的情况来看，高电压等级开关设备的控制单元、电量保护、计量单元仍未实现下放，集中布置于继电器室内；而低电压等级变电站的开关设备的控制单元、电量保护、计量单元下放至断路器侧。
3.2智能开关的智能组件分类
根据目前智能组件实现的功能来分类，智能开关设备主要采用3大类基本智能组件：
（1）智能终端
与开关本体采用电缆连接，与保护、测控等二次设备采用光纤连接，实现对开关设备的测量和控制等功能的一种智能组件；
（2）合并单元
用以来对二次转化器的电流和/或电压数据进行相关组合，使电流和/或电压数据最终符合DL/T860标准要求的物理元件。
目前受设备制造水平的限制，合并单元多采用分立单元，随制造水平的提高，合并单元最终应与互感器整合为一体化设备；
（3）状态监测IED
安装在开关设备本体或附近，接收被监测开关设备本体传感器发送的数据，实现数据采集、加工、分析、转换，输出数据符合DL/T860标准要求的智能电子装置。
3.3智能开关的智能组件功能分析
（1）智能终端
智能终端设备具有控制、通信、状态监测等功能，主要体现在以下几个方面：
（1）通过数字化接口实现与变电站自动化系统的信息交互，执行来自系统GOOSE方式的跳合闸操作命令，并实时监测设备的操作回路完整性。
（2）通过采集系统信息使断路器在零电压下关合，在零电流下分断。
（3）实现本间隔的远动功能，如交流采样、状态信号采集、同期操作、刀闸控制、全站防误闭锁功能等。
根据智能终端设备目前的研制状况，智能终端采用外置式，集成在汇控柜内。
500kV和220kV系统按断路器单元和母线单元配置智能终端，断路器智能终端双套配置，母线单元智能终端单套配置；35kV分支断路器及母线单元均单套配置智能终端。
（2）合并单元
合并单元为电子式互感器的对外接口，接收并处理电子式互感器远端模块下发的数据，对电流电压信号进行同步，并将测量数据按规定的协议输出供二次设备使用。
合并单元与远端模块和间隔层设备均为光纤联系，可安放在就地的汇控柜内，也可安放在保护小室单独组屏布置。
（3）状态监测IED
状态监测IED利用传感器收集到运行过程中的实时信息、自动分析目前开关设备的工作状态，同时将信息上传至远方的监控系统。
它是实现智能开关设备状态可视化要求和状态检修要求的必要手段。
从目前的情况来看，开关设备状态监测IED的大部分产品还不能实现根据传感器信息分析出所监测设备目前的运行状态，或者说只能实现部分的信息参量的分析。
在目前的条件下，状态监测IED更多的扮演的是一个数据汇总、数据转换、基础分析、数据上传的角色。
根据监测对象的不同，开关设备状态监测主要监测了三个方面的状态量：
操作机构机械特性状态监测、SF6气体状态监测（压力、微水）和局部放电状态监测。
1）操作机构机械特性状态监测
断路器的机械特性，又称动作特性和物理特性。
机械特性的监测主要是通过安装于断路器操作机构内的位移传感器、霍尔小电流传感器、温度传感器、电流监测传感器等终端传感器，实时监测操作机构的机械状态。
断路器的机械特性监测的主要监测参量如下：
●断路器动作特性监测：
断路器动作特性监测设备通过监视断路器每一次跳闸动作期间的参数，来实现断路器的机械装置状态监测，记录主要开关触点的磨损状况。
●电寿命诊断：
监测参数包括分合闸过程电流波形，正常工作和分合闸过程电流幅值，电弧持续时间，分合闸动作次数、时间及日期，电弧重燃，主触头累计电磨损（以I2T或IT表征）。
●机械系统诊断：
监测参数包括线圈分合闸时间、分合闸线圈电流波形、断路器动触头行程及超行程、断路器动触头速度（包括刚分速度，刚合速度，动触头平均速度及最大速度）、断路器机械振动、断路器分/合状态。
●控制回路状态监测：
监测参数包括辅助触点动作时间。
●储能机构状态监测：
监测参数包括储能电机工作电流波形、储能电机启动次数。
2）SF6气体状态监测（压力、微水）
SF6具有良好的化学稳定性和热稳定性，在500℃以上赤热状态下也不分解，在800℃以下很稳定,，且电绝缘性和灭弧性能卓越，相同条件下，其绝缘能力为空气、氮气的2.5倍以上，灭弧能力为空气的100倍，而且气体压力越大，绝缘性能越增高。
SF6气体状态的情况直接影响开关设备的绝缘水平。
开关设备的SF6气体状态监测的主要监测参量如下：
●SF6气体压力：
当高压设备的气室充有SF6气体后，判定其是否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充气压力来体现的。
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气体密度值。
●SF6气体微水：
将含SF6气体降温，有水分或冰晶析出时的温度即为该气体微水含量对应的露点温度，这种方法最适合在湿度很低的情况下，精确的测量出被测介质的微水含量。
3）局部放电状态监测
断路器SF6局部放电监测的方法主要有脉冲电流法、超声波法、超高频法，由于脉冲电流法和超声波法的缺点比较明显，不适用于连续的状态监测，目前市场上局部放电监测系统除少数采用脉冲电流和超声波传感器进行联合监测外，主要还是基于超高频法。
目前开关设备传感器安装位置：
（1）内置式UHF传感器安装在组合电器本体增开检测孔或使用组合电器手孔位置；
（2）外置式UHF传感器安装在组合电器的盆式绝缘子（未安装屏蔽带）。
4.主要问题分析
根据目前厂家研发调研的情况及试点智能变电站内智能开关运行的调研情况，目前主要存在以下问题：
1）智能开关的功能一体化程度较低
从国内开关制造公司的解决方案来看，目前智能开关的功能一体化程度较低，基本是每个状态监测的监测量都配有一个独立的智能电子装置，如SF6气体监测、局部放电监测、断路器操作机构机械特性监测都有独立的IED，最后再汇入开关设备主IED，通过IEC61850规约上传至远方监控主机。
为数众多的IED不仅造成设备的重复配置，浪费大量资源，增加智能开关设备的投资，同时大量的电子元件布置于就地智能柜内也使得就地智能柜的体积增大，智能柜内的发热严重，严重影响设备的安全稳定运行。
造成目前智能开关设备功能一体化程度低的主要有以下几个方面原因：
a.国内开关设备制造厂家的研发水平不高，开关设备智能化，主要是将二次设备的一些控制、保护功能整合到一次开关设备上，要求开关设备的制造厂家在二次功能设计方面有较强的研发能力，而这恰恰是国内开关设备制造厂家的弱项。
目前国内制造厂家在这块上尚处于起步阶段，要实现对状态监测的各子IED的整合，还需要一个较长的过程。
b.在以往变电站建设中，对设备智能化要求不明确，往往根据业主自身的要求，来配置了状态监测功能。
状态监测的功能不全，这样导致生产状态监测的厂家众多，但各自研究的方向却不尽相同。
如做SF6气体状态监测的厂家，它对于局部放电状态监测并不在行，而做局部放电状态监测在行的厂家在机械特性状态监测却不行。
而这些状态监测生产厂家为了自身企业的发展，往往不会开放自己设备的通信规约给第三方，故而导致开关设备功能一体化推进缓慢。
c.电力行业是一个对可靠性要求较高的行业，这样导致电力行业是一个相对比较保守的行业，因此智能变电站在设备选择的时候，往往会选择比较专业，而且在以往工程中已经采用或者已经经过验证后的成熟的产品。
这样实际上在一定程度上阻碍了开关设备一体化的进程。
2）SF6微水状态监测设置问题
目前关于开关设备是否装设SF6微水状态监测存在两种不同的意见，一方面，开关制造公司认为现在开关设备的制造工艺水平相比以前有了很大提高，开关设备的密封性较好，SF6泄漏的几率极低，而微水传感器的价格虚高，SF6微水监测的必要性较小。
另一方面，运行单位认为开关设备SF6气室内微水对开关设备的危害严重，通过离线式露点仪进行定期检测的工作量较大，应装设SF6微水状态监测。
开关设备SF6气室内微水的危害主要在于：
a.SF6气体在运行中，受电弧放电或高温后，会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物，电弧消失后会又化合成稳定的SF6气体。
当气体中含有水分时，出现的氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等，危及维护人员的生命安全，对断路器的绝缘材料或金属材料造成腐蚀，使绝缘劣化，导致机械操作失灵,甚至发生设备爆炸。
b.存在于SF6气体中的水分本身一般不会对开关装置的绝缘有显著的影响。
但当这些水分以液态存在于绝缘件的表面（特别是表面存在易于导电的物质）时，会降低沿绝缘件表面的电阻，并改变了绝缘件的电场。
试验表明附着在绝缘件表面的水分可以使绝缘件的沿面放电电压降到无水时的60％～80％，容易引发开关设备内绝缘故障。
开关设备SF6气室内微水超标的主要原因及引发类别如表2所示：
表2开关设备SF6气室内微水超标的主要原因及引发类别表
序号
超标原因
解决方案
引发类别
1
充入开关设备的SF6新气中的水分超标
控制SF6新气质量关，充入断路器之前对新气进行微水测试。
施工工艺
2
在开关设备充SF6气体时，操作不当带入的水分造成超标
尽量在晴朗干燥天气进行充气，并严格按照有关规程和检修工艺操作要求进行操作。
施工工艺
3
绝缘件带入的水分；
绝缘件干燥处理完毕后立即进行密封包装，在安装现场未组装的绝缘件应存放在有干燥氮气的容器中。
施工工艺
4
吸附剂带入的水分
采用高效吸附剂，使用前进行活化处理，安装时尽量缩短暴露于大气中的时间，减少吸附剂自身带入的水分。
施工工艺
5
透过密封件渗入的水分
采用渗透率小的密封件，防止水气分子渗透。
制造工艺
6
断路器的泄漏点渗入的水分
加强断路器密封面的加工、组装的质量管理，保证密封良好。
制造工艺
由表1可以看出，造成开关设备SF6气体微水超标原因1～4均为施工工艺原因，可通过加强施工管理得以避免，而原因5～6为制造原因，必须通过提高开关制造厂家的生产水平才能避免。
据了解，目前国内开关制造厂家的生产加工工艺已日益完善，随着新材料的应用及先进的生产机具的采用，产品制造精度也越来越高。
设备自身采用“密封外壳”方案，全焊接工艺等，防止绝缘气体向外扩散，防止水蒸汽进入容器气包内。
在安装调试和现场试验完成后，通过外壳渗透作用进入开关设备SF6气室内的水气含量极小。
因而充气口、管路接头、法兰处渗漏、铝铸件砂孔等SF6气体泄漏点，是水进入开关设备内部的主要通道，由此进入SF6气体中的水份占有较大比重。
由于设备内部的水气含量较低，水气分压要远低于外界的水气压力，仅为外界水气压力的几十分之一或几百分之一，这样虽然开关设备内部气体总压力约为外界气体压力的4～6倍，水气还是会通过泄漏点进入开关设备内部。
该过程是一个持续的过程，时间越长，渗入的水气含量就越多，而开关设备SF6气体监测除了SF6微水监测外，还配有SF6气体温度和压力监测，通过对SF6气体压力的实时监测，可以实时了解开关设备是否存在泄漏点，一旦发现有泄漏尽快检修，可以有效避免开关设备内的微水超标。
据了解，除中国外其它区域对于开关设备的气体在线监测的需求只针对气体密度（压力）和温度，而国内项目大多需要同时监测气体微水、密度（压力）、温度。
《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》（GB/T8905-2008）和《电力设备预防性试验规程》（DL/T596－2005）中规定运行中SF6气体的湿度检验周期，新装及大修后1年内复测1次，如湿度符合要求，则正常运行中1～3年1次。
《安规》第194条的具体规定，SF6气体的三个检验周期时间是：
①灌装后至投运前的一次总体检验，重点检验空气、水分和杂质含量。
②运行后以三个月为周期的含水量检验，一般应连续进行三次周期性检验。
③经过检验证明，SF6气体无变化，运行已经稳定之后，则应转为以年为周期的含水量检测。
当检验出气体成份有明显变化时，往往是质量和运行问题的反应，应按规定进行报告，必要时请专家诊断、鉴定或进行有关质量复核。
SF6微水离线式检测主要采用露点仪检测，露点仪根据原理不同分为冷镜式、完全吸收电解式、Al2O3电容式、薄膜电容式、电阻式、干湿球、机械式。
其中冷镜式SF6露点仪是最准确、最可靠、最基本的测量方法，被广泛地用于标准传递，但其缺点是价格比较昂贵，并需要有经验的人操作及保养。
采用露点仪对开关设备微水含量进行测量时，需要从气室内释放出一部分SF6气体，测量时间约为5～10分钟，气体抽取流量值0.25L/min～1L/min，每次检测会造成开关设备内部SF6气体的损耗，SF6气体抽取过多会影响设备的安全运行。
如采用被测气体直接排放入大气，不仅对空气环境污染（后果无法计量），同时SF6气体每升价格为160元左右，按照每个气室每次测量最小排放量计算0.25×5=1.25升，损失为1.25×160=200元，加上人工及设备折旧费，花费约在400元。
按每年测量1次计，设备寿命20年计，累计每个气室的花费约8000元。
采用SF6微水在线监测时，都是通过安装在开关设备本体上的SF6微水传感器来采集微水信号，目前常用的微水传感器主要采用薄膜电容法，分为铝箔和高分子膜，都是靠薄膜吸收水分子，并由电子芯片确认导电率情况来测试气体中的水分含量，传感器直接与开关设备气室相通，不必从开关设备内抽出SF6气体，因而不会造成SF6气体的损耗。
图4SF6微水传感器
目前应用最广泛的微水监测器件为芬兰为VAISALA公司的微水监测模块，国内的大部分SF6微水监测产品均采用该模块，除此之外，GESyprotec（美国）的AQUAOIL系列产品、doble公司（美国）的产品在实际工程中也有应用。
经调研，宁波理工、上海思源、华电天能、华电云通朗松珂利、沈阳仪表科学研究院等微水传感器的报价如表3所示：
表3微水传感器厂家报价表
项目
宁波理工
沈阳仪表
上海思源
华电云通
微水传感器单价（万元）
1.5
1
1.2
1.5
根据表3中最低的微水传感器的价格，按传感器使用寿命10年计算，在开关设备20年的使用期算，目前配置SF6微水状态监测的全寿命周期投资至少增加2倍
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