隨著社會和經濟的不斷發展, 各領域對配電網自動化的發展進程和供電穩定性提出了更高要求, 因此不僅帶動了開關柜的發展, 而且對開關裝置運行過程中的監控提出了全新要求。開關柜是以開關為基礎的成套設備, 也是中低壓開關裝置的基本工作形態。近年來, 智能開關柜的概念逐漸得到了更多智能電網研究人員的重視。智能開關柜作為開關柜、計算機技術及數字處理技術相融合的產物, 不僅包含了測量和可編程邏輯控制, 還包含了通信等功能。

智能變電站中, 開關柜是主要改造的設備, 不僅要求開關柜在使用過程中能夠精準運行, 還需要按照實際評估結果與智能電網的實際運行進行交互, 以保證智能電網的穩定安全運行。智能開關柜能夠對電網的調控進行有效優化。智能開關柜在智能配電網中的主要優勢體現在能夠實時對電氣回路中的電壓、電流、觸頭以及每個開關位置等參數進行嚴格監控。智能開關柜還能夠對開關柜的內部工作環境進行實時檢測, 檢測的主要內容有開關柜內部的溫度和濕度。當開關柜內部的溫度和濕度出現異常時, 就會針對異常情況發出警報。此外, 智能開關柜不僅能夠對內部是否存在局部放電的情況進行檢測, 而且能夠對觸頭的絕緣水平進行檢測, 當觸頭絕緣水平超過限度時, 會及時發出警報。智能開關柜在系統中自動設定檢修和維護功能, 以實現對斷路器預計電氣特性參數的實時監測。

智能電網的建設過程中, 只有充分發揮智能開關柜的技術優勢, 才能夠有效防止原有開關柜出現的機械問題和絕緣事故等。

當前的智能電網建設中, 智能開關柜設備的技術前提是在線監測與診斷。因此, 為實現全面監測開關設備, 就需要提取開關設備運行中表現出的各種不同狀態。為提取開關設備運行中的表現狀態, 就不能缺少傳感器。現階段, 使用較為廣泛的方法主要是SF₆氣體組分在線監測、局部放電監測及觸頭電氣壽命評估等。隨著傳感技術的開發和研究, 逐漸興起了幾種新型光纖傳感技術, 如光電測量、光線溫度以及在線測量等。當前的監測研究過程中, 大部分研究者仍采用傳統的單一參量手段。檢測絕緣狀態的過程中, 幾乎不會使用多參量綜合檢測手段。但是有相關人員在監測絕緣狀態的過程中, 使用了一些數字信號分析技術, 并得到了明顯的效果, 再加上當前彈簧操動機構以及國內配裝液壓機構的高壓斷路器也在一定程度上滿足了相關規定, 所以彈簧操動機構以及國內配裝液壓機構的高壓斷路器得到了長足的發展。

在各種設備都得到發展的情況下, 研制推出了全固體絕緣的開關柜。這種開關柜能夠有效減少SF₆氣體對當前環境造成的負面影響。目前, 我國智能配電網的發展趨勢對智能開關柜的發展起到了決定性作用。智能開關柜的設計方面主要是利用免維護和模塊化方式, 并且智能化開關的設備還需要具有自動識別的效果。

智能電網發展過程中, 要求智能開關柜擁有多元化的功能和內容, 但目前對智能開關柜的功能和內容還并沒有相應的規范。但是智能開關柜必須配備常規開關柜的功能, 還需要具有自檢和自控功能, 以匹配當前智能電網中綜合自動化的要求準則。為了使智能開關柜達到自檢和自控的功能, 需要在智能開關柜的設計過程中, 著重注意智能開關柜的在線監測功能和通信功能。

智能開關柜的數據通信主要包含以下5種。 (1) Transducer將監測信號傳輸到CCU。 (2) CCU與本地人機模塊進行信息交互。 (3) CCU與后臺管理系統進行信息交互。 (4) 自動控制功能。 (5) 數據管理功能。5種功能均需要智能開關柜對具體的運行數據進行錄入和顯示。

智能開關柜的設計中, 智能開關柜的監測系統主要包含兩層。其中, 底層是開關柜配備的現場檢測單元, 如圖1所示。這個現場監測單元能夠有效地對反映開關柜狀態的模擬信號和開關量進行搜集和處理, 并對搜集到的數據進行故障分析和故障報警顯示, 隨后將采集到的數據和處理后的數據傳輸到后臺管理設備。后臺管理設備是工控機, 能夠通過接收到的下位機傳輸而來的相關數據為主變電站構建出一個完整的數據管理機制, 并通過完整的數據管理機制來查詢調用各個開關柜的實際參數, 從而做到對全站開關柜的檢測和管理。此外, 后臺管理機能夠通過現場總線來完成對現場開關柜檢測模塊的數據采集和命令控制。

智能開關柜的各現場檢測單元可以根據其功能分為輸入單元、中央控制單元、開關量輸出單元、人機交互單元及通信模塊。

智能開關現場檢測單元的輸入單元就是被測現場參量的入口路徑, 是將被測現場參量轉換為cpu module端的重要功能部件。cpu module是監測模塊的核心基礎, 主要負責分析搜集到的信號, 并從分析結果中分析開關柜的運行狀態和潛藏的運行故障。輸入單元還需要負責儲存上級管理中心給出的操作指令和參數。開關量輸出單元主要負責接受中央控制模塊輸出的指令, 隨后按照所接收的指令來對開關柜進行操作控制。人機交互模塊主要負責顯示數據和發出警報。通信模塊則是關乎監測模塊能否網絡化的核心部分, 主要功能是負責完成現場檢測模塊與后臺管理機的信息傳輸。由于現階段智能開關柜在線監測存在統一的指標, 所以要盡量選擇智能控制設備和保護裝置共同運行的新型設計方案。

隨著科學技術的不斷發展, 目前開發生產出的電子式互感裝置能夠在電力測量和保護方面有著更好的表現。因此, 選擇電子式互感裝置, 以突出開關柜的智能性。通常各類型開關柜均可以選擇電子式互感裝置, 但需要結合實際情況進行選擇。例如, 10 kV的智能開關柜需要選擇小信號模擬量輸出的電流電壓一體化電子式互感裝置。測量電流是否泄漏的過程中, 由于絕緣特性的參量具有多元化的特點, 所以出于經濟性的考慮, 需要選擇檢測絕緣件的泄漏電流。

當前智能開關柜的溫度檢測方式主要包括熱紅外測溫、色片測溫、光纖光柵測溫及無線測溫。依據目前的科學技術發展趨勢, 后三種方法更符合開關柜的設計應用。經研究表明, 高壓無線測溫方式與智能開關柜的系統設計更加契合, 所以智能開關柜的設計方案選擇了無線測溫。

智能開關柜中, 要對CB真空度進行定時、定期地檢查, 以防發生事故。當前技術背景下, 真空度的檢測手段主要為離線監測和在線監測。使用這兩種手段對CB真空度進行監測時, 在線監測比離線監測更具實時性, 但檢測裝置的運行一定不能影響CB的正常運行。真空度在線監測又包含電光變換法等形式, 可以根據實際狀況進行選擇。

配電網的智能化主要體現在能夠對配電網中的設備進行在線監測, 并及時對出現的故障進行診斷。經長期實踐和研究, 中壓開關設備已經獲得了顯著成就, 目前已經可以利用合適的通信手段對變電站進行控制。數據采集和處理、信號傳輸及故障分析處理等融合構成了中壓開關設備在線監測系統, 主要運用于絕緣性能的監測、機械性能的監測以及電氣性能的監測。

隨著電子式互感裝置的研發, 電力測量和保護得到了重大突破。選擇電子式互感裝置能夠優化智能開關柜的智能性。但應用電子式互感裝置時, 需要結合實際情況, 選擇最為合適的電子式互感裝置。智能電網的不斷建設和發展使開關裝置變得更加信息化和自動化。雖然目前國內外研究人員已經在此領域做出了大量的工作, 但還未得到統一的標準。為開發出更加智能的開關柜, 需要投入更多的資源。本文針對智能開關柜的優勢和現狀進行分析, 并給出相關技術設計, 以期為相關研究人員提供幫助。