1 序言 从事发电与配电的一些公司一直是以提供廉价的电力为奋斗目标。因此，在选择需要的设备和配件时，可靠性作为关键性的选择标准。可靠性高，维修就少，从而维修费用也少。这样，相应的可以减少供电价格。因此，要努力减少维修设备、材料和人力。在设备方面，需要准确知道运行设备状态的最新数据及任何可能发生的故障。目前，实际上使用两级告警系统，以监测断路器正确的工作顺序并发出信号。第一级告警任务是指示设备不受限制的操作，当到第二级时，设备受到严格制约，以致无法操作。 为了减少这些不利于运行的因素，必需尽可能早的检测出故障。因此操作人员要定期巡视他们的设备，并要记录和计算出断路器的运行数据，这包括定期读变电站气体密度测量表，并记录转数计读数、起动次数以及辅助工时。在某些情况下，已用数据组和一些类似系统评价这种资料Ⅲ。这就有可能发现问题，并能确定极限值到达之前的保留时间，然而远不是为在线记录和评价状态数据作准备。考虑到大大地提高了原有工艺的可靠性，而且需要维修也大大的减少，人们大概很难预料对新的或改进的诊断程序会有什么要求。我们以第二代SF6断路器与例子，进行详细而简短地讨论这个问题。一方面，对选择的断路器的研究表明，还没有任何需要去打开断路器室来检查。即使使用寿命超过20年后，一般都未接近最大允许的总开断短路电流数。高压部件故障率低也说明了这点（图1）。 在另一方面，其它类型的故障对设备的可用性继续有值得考虑的重要性。这些类型故障分析表明操作机构的故障是最普通的，约为总数的40~45%。第二个和第三个最普通的问题与SF6气体泄漏、辅助设备以及二次电路的故障有关，占总数的20-30%。推行诊断技术，对变电站及其设备的操作者来说，有很大好处。事实上，可靠性提高便可以延长变电站及其设备定期检测的时间间隔。 同时，由于在线诊断技术可以对故障进行定位，从而进一步提高了维修效率。随着60年代集成电路和70年代微型处理机的出现，越来越多的电子元件开始组合在高压变电站的二次控制设备内。首先，需要引入机械、信号向电子信号转化技术，进一步发展则引入以微型处理机为基础的数字处理技术。 随着时间的推移，依据发电厂二次系统的不同要求，在不同的二次功能单元（控制、监测和摇制）及选择保护，上述技术导入在逐步进行。 当最初将数字处理技术用于变电站控制系统时，是以计算机处理中心为基础，对信号进行处理，从而使得包括开关设备在内的各种信息的集中处理变为现实。这种结构基本上满足了用户的基本要求。他们在二个研究组中，研究出工厂控制系统的主要结构，曾以单独推荐书发表口钉，它的实际优点，是随着微电子学的出现，能直接把高性能的运算器安装在设备内。每一间隔诊断设备的投资问题，以下例子说明，假设每一间隔投资约一百万马克，寿命约30年。延长一年的使用寿命，大概能提供约33000马克的诊断费用。上述概算没有考虑由于诊断系统的定位技术从而节约的维修金额。2 工况选择及其监测方法 对需要监测的工况选择，主要准则是工况要适合提高断路器可靠性和工作效率以及减少维修。因此，首先要分析故障及造成维修的原因。在一台封闭式组合电器（GIS）中的断路器，在全部技术方面，一定要满足最高要求。因此，能把其故障率看作封闭式组合电器（GIS）整机的典型事例。从图1及其它一些研究中，很清楚地知道现代单压式SF6断路器最频繁发生的一些故障，其原因如下： SF6气体泄露、操作机构发生故障、二次及辅助线路的故障占多数。首先要考虑这些故障。相对而言，一次回路其它部件发生的故障经常的可靠性要小得多。但因为此类故障影响可能的扩散性，所以这些部件仍然很重要。对于一台封闭式组合电器（GIS）整机，也必需考虑绝缘不良。在高压封闭式组合电器（GIS）故障统计中，绝缘故障是造成一定故障率的主要原因。故障率随标称电压增大而增加。2.1 监测机械条件和气体密度 封闭式组合电器（GIS）的整机诊断，首先意味着微型计算机具有多功能的优点。按照这种概念，使用微型计算机主系统，不仅仅是要控制断路器，而且也是要对它进行监测。这种控制与监测二功能组合，具有最佳的协同作用效果。因此，使整个系统更加简练，系统进一步整机化是可能的。可以利用监测传感器所获得的数据进行控制。这种概念影响选择传感器工艺，控制功能元件输入端是断路器的运动特性和驱动点以及气体密度。根据运转曲线，弹簧能以及气体密度传感器预先规定的数值，能够得到这些数据。这样便可省去常用的辅助开关、密度计及其接线与微型计算机系统的接口。此外，微型计算机系统自检能力也可用在这些部件上。通过这种方法，能进一步节省费用，而且可靠性也进一步得到明显的提高。传感器及其与系统的接线都是高压断路器的部件，因此会直接受到严重的电磁干扰源的影响。在这些情况下，也要保护控制系统绝对正确的运行。因此，如果使用传感器，电磁兼容性（EMC）对于断路器控制是最重要的。为了排除因不合适的电磁兼容性造成的功能障碍，而且也为了在常用的设备上得以改进，应该尽可能地使传感器与微型计算机系统产生电流耦合。因此下面的传感器是建立在无源光学原理上。微型计算机通过光导纤维连接线把光线送给传感器。光导纤维电缆也传输光传感器信号。无源光传感器和光导纤维连接线实际上是不受电磁干扰的。由于可靠性及经济性，数字信号传感器具有许多优点。在这种情况下，微型计算机能够直接处理传感器信号。用这种方法是最佳地使用微型计算机功能，不但没有损害精确度，而且还省掉了模拟数字（AD）转换步骤。2.1.1 气体密度传感器 封闭式组合电器早在市场上能买到根据应变计基本原理制成的电子密度传感器时，就已投入运行。根据下面叙述的气体密度光学传感器．被常用的布尔登管式密度计证明是很好的。用编码盘来代替接触系统，光导纤维能显示编码盘位置。取用三条迹线轨，足以满足监测。因为用了葛莱码，能避免多次变换迹线编码。迹线编码的变化预示气体密度到了报警阻塞线。所以没有降低断路控制需要的精确度，而且它与迹线的数量无关。不改变密度计刻度和指针。这样读密度能不受微型计算机系统运行的影响。此外，一般根据这种模拟读数可以给断路器充气。图2是气体密度光学传感器样机。2.1.2 光程曲线传感器 图3a说明这种传感器原理。主要元件是一个编码盘。它与操作机构的主杆轴联接。该杆通过连杆直接驱动断路器。就像这种密度传感器，提供有反射光栅的三种迹线。所以二个传感器能使用同样的光学装置。迹线1的黑色与白色杆会描绘出操作机构监测的行程曲线。当断路器运行时，等距的几个杆通过光学装置。微型计算机计算最大与最小的灯光信号之间的时间间隔，并储存在它自己的存储器内，作进一步分析。迹线2和3提供控制所需要的终端数据。所以再不需要常用轴向开关起这种作用。利用分拎迹线保证能发出二个位置规定的绝对信号。传感器也能用来监测与控制隔离开关。图3b是一台传感器样机。2.1.3 弹簧能量光学传感器 如图4展示的这类传感器，与光程曲线传感器仅在编码盘的图样上有区别。既然是这样，把编码盘连接在机构的曲轴上。机构与闭合弹簧及驱动主杆的180°凸轴二个部件连接。这种传感器也兼有监测与控制功能。迹线1的360。图样能在运行时运态记录弹簧张力。根据分析这种记录能确定并监测操作机构的弹簧备用能。迹线2与3提供满足控制需要的最大和最小的弹簧张力数据。因此，在这种情况下，再也不需要常用的辅助开关起这些作用了。叙述的三种传感器能满足监测主要故障状态和控制断路器这两种用途。将来在使用新的电流和电压传感器的基础上新增加的功能，将会讲一步提高监测功能。2.2 电流传感器与电压传感器 图5是光导纤维电流传感器的光耦与检测装置的样机。这种传感器原理是建立在法拉第效应上。装置在右侧要与供电给激光二极管的电源连接。激光二极管发射的光束，穿过电流磁场被装置左侧能看见的光导纤维吸收。然后被安装在顶部和立方体右手侧的二块印刷电路板，把它转换成电信号。微型计算机系统判断信号，最后它计算出极化平面角和电流。光导纤维电压传感器仍然处在开始研制阶段。能预料到，今后从经济上考虑便会用电容分压器原理研制电压传感器。 在此期间仍可利用非常用电流和电压传感器。必需在传统电流和电压的基础上，考虑研制更多监测功能。用这种方法，能够在基础上早期研制阶段研制的那些新增加的监测功能经验。2.3 绝缘监测传感器 绝缘系统才华是一个复杂的过程。鉴定绝缘特性最重要的可测定的量是局部放电（p,d）特性和阻抗特性（p,d）。这些特性能用电、音响、中光学的方式测量。对于六氟化硫封闭式组合电器（GIS）来说，一般都认为局部放电信号是判断关于绝缘性能的最好的数据参数。用（IEC270）普通的电气方法进行在线局部放电（p,d）测量时的噪音级，主要妨碍取得足够的灵敏度。对于完全封闭的办法，例如，带一些接头的封闭式组合电器（GIS），按照（IEC270）规定常用的测量方法能取得只差3%的灵敏度。如同实验经验表明那样，这种灵敏度应该足以满足判断。但是对于封闭式组合电器（GIS），因为与架空线路连接，系统电压较高，用常规的局部放电（p.d）测量电路和噪音级，大约在10pC到100pC范围内。因为这些办法噪音级太高，而且又妨碍成功地绝缘判断。所以检测（p.d）局部放电的其它的一些方法正在研究中。所谓超高频方法就是特别注意绝缘判断。该方法就是使用天线测定电磁场高次谐行波，以致造成局部放电。传感器（天线）工作在0.5到2千兆赫频率范围内。该频率范围噪音很小。可以把这些传感器如同一个整部件，例如作屏蔽电极，安装在高压封闭式组合电器内。能从窗频带或在宽频带范围内选出信号。消除典型故障方法的灵敏性和衰减沿封闭式组合电器的行波，这些均需在成功使用这种系统前解决，因为这有利于使用一般的电气局部放电测量方法或许用噪声抑制技术，因为这种方法现有许多实验经验能用来说明不停机测定的信号。特别是现有一个测量电路的检查和试验的标准程序以及在成套设备，可能用一台传感器测定局部放电，其效果不亚于超高频方法。3 整机控制功能和监测系统 图6的图解说明传感器系统和软件程序，它们起监测与控制作用。整机诊断是建立在程序系统原理上，程序能逐步进行，按照运行经验和断路器控制程序，进行每一步的操作要求都是重要的。3.1 第一步 第一步使全部的那些传感器都必须对断路器进行控制，即气体密度传感器光程曲线传感器和弹簧能量传感器。此外，如上所述，这些传感器给监测开始二个最重要的故障情况提供充分的资料。再说，关于现在记录二次电路与辅助电路时常发生的故障，第一步的传感器提供既可靠又可利用的明显增加的基本原则。那是因为他们能利用的明显增加的基本原则，那是因为他们能利用微型计算机的自监测功能来监测整个系统，包括监测高压断路器外围的一传感器。3.1.1 控制功能 系统控制软件根据气体密度传感器信号计算出式组合电器间隔内的气体极限值。这些数据是中断输入、加热与发信号。从光程曲线传感器信号，知道断路器的位置，这样使微型计算机软件能进行下列功能： 重合闸闭锁时间、相位误差、联锁、位置信号、磨擦接触脉冲、切换循环计算器。 弹簧能量传感器信号驱使微型计算机、测定断路器操作机构弹簧的位置。对于下列操作来说，这是基础。 弹簧进行电动机控制、发出弹簧拉紧与释放的信号、校正弹簧储能时间。 关于隔离开关和接地开关，按照光程曲线传感器的信号能够进行下列作业。 发出终端位置信号、探测母线保持装置的位置、运算、联锁、电动机控制与校正操作时间。3.1.2 监测功能 微型计算机从气体密度传感器的输入端能计算出泄漏率，而且能把它与预先规定的值加以对比。同样地能确定气体密度值达到临界值之前的剩余时间。若它低于用户确定的时间，便会发出报警信号。同样能推测趋向和在一些操作周期之前，没出保留的时间以便做必要检查。用这方法在初期和一些能预先安排的维护中，自动地没出可能发生的故障。光行程曲线传感器能监测下列参数。 分闸时间、合闸时间、触头速度与触头运动中阻尼，要把这些值和断路器预先规定的极限值对比。在这种对比中，能发现事故预兆。在操作机构不正常的情况下，在运行中发生故障之前能预先很好地发出早期警报。操作机构的设计原则，允许用下列方法确定合闸弹簧的储备能。由于它的角度180。靠近末端的凸输能在中性点外面自由地继续旋转。这里由于弹簧改变方向而造成扭矩，致使曲轴运转减速和弹簧储备能量。弹簧能量传感器迹线1的信号使微型计算机记录合闸运转时，凸输运转角度过大。用此方法便能监测机构的储备能量。3.2 第二步 第二步，增添的一些光导纤维电流传感器能使监测系统完美。一方面电流传感器取代常用电流互感器，并向数字测量系统传送电流信号。另一方面这些传感器给断路器操作与运转状态监控，创造了值得重视的最佳条件。由于能同时测定行程曲线和电流传感器信号，才能有这些新的性能。同时知道行程曲线和电流时间曲线，可以计算出燃弧时间，进而确定触头磨损。根据电流量和燃弧时间，利用经验数据，便能估计出触头开始时的磨损，今后随着工作经验的积累，会逐步地改进这种方法。用此方法将能在更换触头之前，留有愈来愈可靠的预报时间。 此外，测量与断路器行程曲线成比例的电流相位角，便于同步跳闸作业。同步跳闸的目的是要把开断大电流时的燃弧时间，减到最少并保证开断小电流，特别是开断电容电流时，燃弧时间是中等的。这样就获得了开关间隙更高的绝缘强度，有利于减少开断大电流时的触头磨损，因为减少了断路器的应力，所以提高了安全系数。从而进一步地提高了可靠性。也进一步地延长维护的时间间隔。此外，计划推广光导纤维电压传感器或电容分压器。这些电压传感器能使一些断路器同时合闸，导致电容器组、变压器和电抗器的应力更小，3.3 第三步 第三步计划推广光导纤维局部放电检测系统，以便能记录诊断绝缘系统的某些变化。根据局部放电（p,d）测得值与测量电压的相互关系，使更多的信息得到利用。例如故障类型和地点。适宜的维护、准备替换件、评估保持的绝缘寿命以及最佳的绝缘系统，这些可能是绝缘诊断取得的。然而目前正好是全面开始研究绝缘监测，所以还有下面许多未解决的问题。 应该测量哪些参数? 需要什么样的灵敏度? 局部放电与设备寿命之间有什么样的相互关系?经过基本试验研究，一定要提出这些问题。从样机诊断封闭式组合电器（GIS）系统可以积累更多的知识。 4 仪器4.1 正是这第一次，就在变电站的控制与保护系统中断级子程序的一些组件上完成了整机诊断程序。中断级子程序是变电站一个分级控制系统。其部件应有成套设备和励磁控制电平。提供适合控制与监测以及保护的功能。这种适应功能，因励磁设备一般成为分散型或者用较低电平的微型计算机控制设备。指定每一间隔要控制、监测与保护一台或更多台的励磁设备。中断级子程序的基本原理是这样：关于这些功能因其全部处理与计算只需分配各自间隔数据，无需其它间隔的其他数据。在指定励磁设备内，功能应当自动地进行。以保证在励磁控制电平上，进行全部功能处理，尽量做到有效处理，这里仅传递简要数据。此外，应特殊要求，经常有可能收到更详细的数据。 成套设备控制水平越高，这包括成套装置及其操作装置的控制水平越高。成套设备包括中心能操作整个变电站，而且要处理超过一些单独的间隔数据，包括几个或全部间隔的数据。这里还要收集事故信号并在励磁设备的电平上主要发布指令。例子就是会遥控子系统以及联锁系统。利用设备操作装置以及连接设备进行局部控制变电站和设备的控制系统和进行检验，归档和记录事故信号与测得数值。用星形连接的光导纤维电路把机组与所有的励磁装置，以及机组的控制装置连接起来。用星形连接光导纤维来交换系列数据。按照[EC870—5规定］要用标准中断级子系统A的规程把保护励磁装置连接起来。 在研制成套设备控制系统中，特别强调所有组件的电磁设备互换性（EMC）。特别是直接把励磁装置接在开关柜的控制盘上。这些励磁装置的电磁设备互换性是结合原技术研制成的，而且在电磁脉冲模拟计算中[图7]得到了成功的证明。4.2 进行诊断作业 随着数字成套设备控制技术的推广，显著地减少了一次与二次工业技术的接合部位的困难。由于有了软件和通信信道才能利用一个测量信号，来进行各种不同的处理作业。这样才能把一次与二次工业技术接合部位的信号量减到最少，也才能使用减少了大量信号开关的设备控制系统。首次在一次工业技术的结构设计上产生了一些变化。图8是装有使励磁装置与控制柜成整体的128kV间隔样机。 第二步是把控制断路器的驱动电动机的作业移到成套装置控制系统的分散的励磁装置。使用这些程序，与常用的电路系统使用一些接触器比较，能获得很大的节约。普通使用实时信号测量，即使在开关操作时，更容易预测一次技术设备会怎样运转，而且能指出在一些地方可能发生故障。下一步是推广新的传感器和智能分析方法，以便首次能做整机诊断。能利用记录断路器位置，来计算电力断路器切换循环次数。用成套设备的控制装置内的软件计算器计算断路器许多的机械动作，永久地保存这些动作，在操作者想要看时又能在荧光屏上显示它们。如果常做设备试验意图，在保护跳闸，正常的操作跳闸和空载开合之间分出是哪种，可以较好地分析开关接触器的磨损，并能与计算切换循环的普通方法作对比。 根据有20mA接口的应变电阻片型气体密度传感器，设计了现代气体密度测量方法。虽然要求敷设的电缆很少，仍可以利用20mA电流来继续检测各种不同气体空间的类似泄漏。在控制与监视励磁装置情况下，把模拟电流值数字化，可以做进一步处理。进一步处理首先包括监测几个不同的极限值，利用它们发出警告信号和事故报警信号。即使发生事故，会自动地向电力断路器发出动作信号。在成套设备控制系统内，如同测得的值那样，会显示出检测的泄漏值。这意味着作为上一步，能以模拟数值形式远程传输这些泄漏值。而且也能在成套设备操作装置上显示和打印归档，永久保存。还能在荧光屏上显示检测泄漏的时基动向。图9是在成套设备操作装置的显示荧光屏上，示出这种运转泄漏检测值的图示。5 摘要与展望 现在诊断程序保证电气成套装置与设备的可靠运行。虽然传统的方法主要依靠人去测量和评估设备状态数据，在线诊断仍需要一个微分近似值。在本论文内，我们已经看到怎样利用现代成套设备控制系统，已经能不要操作者去测量和评估设备状态数据。第一批传感器已经在使用，像示出的应变测量仪表型气{本密度传感器样机。这是一台特别有把握的样机。这种现代传感器具有结合大功率控制技术和辅助分析软件的诸多优点。多方面改进研制便宜的光导纤维传感器，定会影响诊断学将来的发展。它们结构简单，经久耐用，而且是具有电子警报与分析系统的完美典型设备。因此，是能期望电流诊断学的显著发展。即使目前操作者不能检测出传感器的状态，不久的将来就能测出。这必然会引起成套设备控制系统的变化。例如连接一次技术设备的变化。一定要考虑变电站利用，这是因为电子或者控制系统的一些故障，不仅能造成一些一次事故，而且也会造成二次事故。若电子传感器和控制系统的制造厂在最开始时没有把自监测装置装进他们的系统内，因此可推测出，还得加癍这种系统，方可利用。自监测装置应经常检验系统，而且立刻报告整个系统的事故，包括传感器以及传输通道的事故。由此可见利用电子元件比常用的二次元件提高了可靠性。现在确信，就气体断路器而言，功能会成为成套设备控制系统的一个整体部分，到这种程序变电站才算是一个完整的。另一方面，关于一般的断路器设备内的自主控制与监测的跳闸系统，会更好地满足用户的要求。即使在由不同制造厂制造的设备组成的成套设备的情况下，标准使系统串联连接，供成套设备控制系统选择，在任何情况下都能这么说这么做。经常在线诊断会得到最佳运行，延长设备寿命以及更有效的维护而且提高工作效率。
