摘要：随着电力系统的发展，我们面临的任务是研制适合我国电网特点的、规范的“国产pass系统”。本文主要介绍了pass开关智能化的概念、设计思想和pass开关智能综合控制器的主要功能，具有很好的市场前景。pass开关智能化是在微机保护的基础上，增加了许多功能，实现调度自动化、微机保护以及设备状态监控“三合一”的功能。
关键词：智能化开关；低功率电流互感器；传感器；监测
随着社会科技的发展，人们对环境保护越来越重视，有着国家工业“血液”之称的电力行业也作出了相应的规划，具有占地少、自动化程度高、维护量小对环境影响小的紧凑型变电站也就应运而生，并得到了广泛地使用。abb公司推出的pass系统以结构紧凑、安装方便、稳定可靠、智能化等特点得到了用户的青睐。但abb公司生产的pass产品自身的继电保护接口和有关协议与我国现有设备之间存在差异，而这些问题一时无法解决。为了在我国实际应用pass系统，只能将其智能系统放弃掉，用传统的设备来代替，这样大大消减了pass的特有优势。如何尽快解决这些问题，使得我们在引进吸收的基础上，提高我国电力系统和电力设备的整体水平，为此研制能够适合我国电力系统规范的“国产pass系统”就摆在我们面前。
国电博纳（北京）电气技术有限责任公司在长期从事实际工作的基础上，针对这些问题提出了完整的系列方案，简要说明如下。
一、概述
随着输变电站技术的发展，出现了的变电站，这些变电站特点是：接线越来越简化，自动化程度越来越高，占地面积越来越小，土建工作量越来越少，安装过程越来越容易,设备的运行越来越可靠，设备日常维护越来越简便。这些要求就促使组成变电站的一次开关设备在结构上更加紧凑、在操作和维护上更加智能化。pass作为这类开关的典型设备，迎合了变电站发展的要求。
从总体上来讲，pass开关智能化有两方面的内容：开关间隔层的智能化和变电站层的智能化。开关间隔层方面就是对本间隔的开关设备进行信息的采集、处理和通讯，这一部分智能化的工作包括监控选点、传感器应用、判断处理、通讯功能等，在开关间隔层安装自动化单元、保护单元和设备状态监控单元组成的“三合一”系统，可为一次开关设备的优化操作及设备状态评估提供一个技术平台，主要靠硬件器件来实现；变电站方面是对间隔自身和间隔之间的信息收集记录以及远方遥控等，这一部分智能化的主要工作是实现记录和通讯功能，主要靠软件来实现。
pass开关智能化的难点集中在开关间隔上。这部分工作涉及到设备和传感器的研制及使用，如用小功率电流互感器代替常规电流互感器来实现电流的采样、用数字sf6密度表替代机械sf6密度表来监视sf6气体密度变化等。pass开关智能化包括互感器、开关操作系统、系统控制和综合网络控制等诸多方面，除信息（物理量）采集所使用的手段外，其它每个单元都属于变电站二次设备自动控制中的辅助工艺过程，可以归属于变电站二次系统自动化的技术范畴。
pass开关智能化是在微机保护的基础上，除了过去的微机保护设备和远动装置外，又增加了开关的防误操作连锁装置、运行环境检测、开关运行状态跟踪、故障分析及定位、开关寿命分析等多方面的自动装置，把这些具有二次系统自动化功能的装置都综合于就地开关控制柜中，以便实现调度自动化、微机保护以及设备状态监控“三合一”的功能。pass开关智能化，可以大大减少定期检查次数，实现有目的的检修，减免因检查而停电造成的损失和对开关设备的人为伤害；可以节省保护和遥控设备所需的场地空间和大量的控制电缆，不但减少了成本，而且使继电保护更加安全可靠；可以使变电站控制室从日常的“繁忙事务”中解脱出来，“集中精力”从事系统、网络管理。
pass智能系统组成的变电站，主要有以下几部分组成：
1）pass开关运行状态和运行参数信息采集系统；
2）pass开关就地控制和保护单元；
3）pass开关运行状态分析系统；
4）光纤通讯系统；
5）信息记录，故障分析和定位单元。
图1智能化pass系统图
二、pass智能化设计思想
采用带铁心线圈的低功率电流互感器来代替常规的电流互感器，将常规的保护、测控单元直接就地安装，将pass开关装置、采集开关状态物理量的传感器和智能综合控制器组合起来，采用屏蔽电缆或者光纤联接，实现pass开关智能化。智能化pass开关结构图如图2。
1．采用带铁心的低功率电流互感器（lpct）
pass开关上使用的常规电流互感器是一种无奈的选择，原因是原设计的光电组合传感器的规约和检测标准还未制定出来，不具备推广的条件。笨重的干式套管ct使设备总重量提高了1/3~1/4，制造成本较高，也不便于设备的整体运输和安装。采用带铁心线圈的低功率电流互感器（lpct）是常规感应式电流互感器的发展。由于现代电子设备要求的输入功率很低，lpct可以为此实现体积很小但测量范围却很广的设计，如下图3所示为低功率铁心线圈交换器。
图3低功率铁心线圈交换器
lpct包含一次绕组、较小的铁心和损耗小的二次绕组，后者连接分流电阻rsh.二次电流is在分流电阻上产生的电压us，在幅值和相位上正比于一次电流。分流电阻集成于lpct中，rsh选取得使其对互感器的功耗近于零。因而地扩大了测量范围，电流互感器在（或偏移）一次电流下会饱和的特性将得到改善，测量和保护也可能使用同一互感器。
低功耗电流互感器的选择范围很大绝大多数的互感器即可以并入断路器也可以并入套管绝缘子上与这些互感器连接的控制设备目前可在市场上买到仅需要很低能源的模拟信号保护设备市场已有销售。我们拟使用的典型二次参数额定电流保护为0.2,计量为0.4a,额定电压660v,额定电压3千伏；重量为传统互感器的1/10.这种低功耗电流互感器在国外已经得到大量推广。典型参数如下:
2．采用监控传感器
采用的传感器有：气体密度测量传感器；测量电压电流的传感器；用于断路器、隔离开关、接地开关的传感器；反映物理现象的传感器(如：电弧放电、温度、湿度等)。
这些传感器必须满足高可靠性和寿命要求。
3．pass开关智能综合控制器
pass开关智能综合控制器，就是把开关、隔离开关的一切在线监测功能；本间隔内综合自动化要求的保护、测控、五防、通信功能；以及设置显示人机界面功能集中在一个具有双层结构的密封金属箱体内，通过互为热备用的双光纤以太网接口，与变电站的上一级监控系统连接，完成数据交换和控制功能。箱体内的各个功能部分由独立的智能模块各自完成，并通过通信有机连成一体。
pass开关智能综合控制器安装在室外，运行环境要比室内条件恶劣，在其结构、工艺上经过处理，采用双层隔热防水结构，里层实行全封闭，达到防尘防潮的目的。
4.有关pass开关控制柜的工艺要求的说明：
（1）体采用双层隔热防水结构，里层实行全封闭，达到防尘防潮的目的。在设计上，还考虑到充分利用双层之间的空气流动，有效的散发里层柜体的部分热量。
（2）柜体采用成熟的热喷锌工艺：箱体经过钝化处理，喷锌时锌材料可以渗进箱体0.2-0.3mm，可金属表层15年内不发生锈蚀问题。
（3）在全封闭的里层机柜内设有透气孔，通过选择合适的部件保证达到既驱潮透气又不能进水的目的。
（4）pcb板主部做“三防”处理。
（5）加装有温度、湿度自动控制系统，可以根据现场的外部环境进行自动加温和除湿。
（6）采用德国的多接插件，该接插件具有良好的密封特性，接线采取冷压插针，可以很好的解决端子松动和端子的锈蚀问题。（就端子的选用，专门赴外地考察了有关用户单位。对户外运行多年的设备抗锈蚀，做了详细调研。）
（7）保护单元和测控装置的接线采取凤凰插接的压接端子，可以很好的解决保护单元和测控装置端子的锈蚀问题。
三、pass开关智能综合控制器主要功能
对监测量进行在线监测和实时记录，并经过计算和逻辑判断发出指令或报警。该系统具有参数设定（根据有关的规程、开关设计参数设置判断的阀值）、实时监测、图形显示、数据显示、系统校验、操作控制（手动、自动）、信息通讯等功能。
其监视和诊断系统示意图见图4。
1．操动机构分、合闸线圈工作电流
线圈工作电流的波形，反映了铁芯运动状态和机械状态。根据电流波形的特征参数可以计算出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间，从而得到铁芯运动状态，能够发现是否有铁芯卡滞现象、铁芯的行程和铁芯吸力等参数的变化。
2．操动机构分合闸线圈工作电压的监测
根据dl/t596－1996《电力设备预防性试验规程》和gb50190－91《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》的规定：“直流或交流的分闸电磁铁，在其线圈端钮处测得的电压大于额定值的65时，断路器应可靠分闸；当此电压小于额定值的30时，不应分闸”。对线圈工作电压的监测能够得知操作回路电压的高低，可作为将来故障诊断的依据。
3．分合闸回路状态的检测
分合闸回路是否完好，是分合闸线圈顺利动作的基本保证。对此检测可预防断路器由控制回路断线故障而拒动。这样可以减少“拒动”现象发生的几率，有益于断路器稳定运行。如出现异常就报警。
4．断路器开断电流和开断次数的监测
断路器的累计开断电流是表征其电气寿命状况的重要参数，对此检测可以计算出触头电磨损情况，据电寿命计算公式可以对断路器的电寿命作诊断。
5．断路器的行程、时间的监测
断路器触头运动特性包括触头合闸特性和分闸特性。合闸和分闸运动速度特性是满足断路器灭弧室的电气性能的保证。通过行程—时间特性曲线可以间接得到断路器合、分速度曲线，能够反映断路器动作过程中有无机械卡滞或缓冲不良等异常现象，并由这些参数来判断断路器当前的状态是否正常。
6．sf6气体密度的监测
sf6在气室中的密度是保证绝缘、顺利灭弧的基本保证，它是否满足开关设备设计的要求，是保证开关正常运行的前提条件。对此检测，根据不同的密度，发出不同的指令或报警。
7．断路器、隔离接地组合开关触头位置状态的监测
作为触头位置的状态指示及相关特性分析的一个判断依据。
8．系统电压、电流信息的记录、显示等
电压、电流信号是继电保护和计量的基本信号，也是事后进行事故分析的重要信息。
9．断路器和隔离接地开关的操作机构的监测
辅助开关的状态监测并记录、储能情况监测和记录、电机电源情况出现异常报警。
10．汇控柜的监测
汇控柜绝缘、室内温度和湿度监测记录。
11．局部放电监控和火花放电判断（选项）
近几年来，各研究机构把大量的时间和努力都倾注在气体绝缘变电站的局部放电的测量上，声容或静电传感器就是该项技术。根据目前的现状，用户要求将它们放置在变电站中，这样可以在间隔层和变电站产生大量数据，难度在于如何从大量的数据中得出准确的结论，这就需要足够精确的预测制定时间表，以便对有问题部分进行维修。根据参数的不同，不同的监控系统不是功能不足就是功能过当，所以持续的局部放电监控尚无法建立这种监控系统。一般都是离线操作，即记录规律时间间隔的单个传感器信号，并与早期记录的数值进行比较。
也可以通过电弧监控判断火花放电。光传感器不间断地检查气舱是否有电弧，并发信号给间隔层和变电站层，但时由局部放电监控传统的方法采集的信号不能直接被传感器重复使用。监控软件可以进行一种程序执行分析并确定发生火花放电的气室。采用这种方法至少能确定变电站中可能需要维护的部分。
12．断路器触点的路径时间功能（选项）
采用人工智能断路器驱动装置来监测。两个位置传感器测量操纵主要接触的储能的盘式弹簧和拉杆的实际压力。在工厂安装和检验时，断路器会在不同的负荷下反复操作数次，且每次由传感器测出的路径时间数值会永久存放在产品数据库中，每次开关操作所得数值就会与产品数据库中的数值进行比较，从而得到驱动装置的实际状态。与驱动装置相关的监控值以及采样的u/i传感器的电流电压值被以优于25微秒的精确度做了时间标记，通过把这些瞬时数据与数据库的数据进行比较可得到触头的磨损程度。这样监控软件就可确定下次检验的日期。
以上采集到的数据，通过光纤通讯传到变电站主控中心或者网控中心，并根据需要进行存储和整理。这些数据用于变电站一次设备的投运和维护的比较。
四.前景展望
智能化开关电器是将计算机、信息技术与传统开关电器组合，而具有智能功能的开关电器，是上近才兴起的一种产品，由于有明显技术优势，发展速度比较快。目前国内在高档开关柜中（组装柜），智能化率已达到50以上，今后随着智能化技术更成熟，智能化单元、传感器等价格降低，会逐步在整个开关柜中普及。近来在辐射架空线系统中已开发不少智能化开关设备，如重合器、分段器、真空自动配电开关（vps5）等，但由于价格高，是sf6、真空柱上开关的2~3倍或5倍，难为县级以下，投产能力较差的用户因此"十五"有一定市场，但不会太大。gis、断路器等高压元件中，以在线监测为主的智能化技术，目前还不够成熟，有待进一步的发展和提高，预计今后5年将会有实质性的市场起动。
参考文献:
1、高压开关插接式开关系统孙岗顾霓鸿袁大陆
2、采用abb公司的pass一次设备与国产二次设备的接口问题孔伟彬
3、高压断路器原理和应用徐国政钱家骊等
4、改造、扩建和新建高压变电站的新思想作者:peterhgg/abb高压技术有限公司总工程师、dieterfüchsle/abb高压技术有限公司项目经理、alexanderkara/abb高压技术有限公司工程经理、andreasmüller/abb高压技术有限公司市场经理。