隨著電力系統越來越高的可靠性及自動化要求，無論是發電、輸電、配電還是用電，都提出了監測、控制、保護等方面 的自動化和智能化的要求。斷路器作為電力系統中最重要的控制元件，它的自動化和智能化是電器設備智能化的基礎。 斷路器的智能化不是通常所想的，使用計算機就達到了智能化。它必須盡可能地應用電弧自身的能量，實現運行狀態的 自診斷，操動機構的可控操動，并且配置最新傳感器技術，微電子技術和信息傳輸技術，智能化的概念才比較完整。

一般來說，智能化電器設備除滿足常規電器設備的原有功能外，其功能主要表現為:

1、應具有靈敏準確地獲取周圍大量信息的感知功能;

2、應具有對獲取信息的處理能力;

3、應具有對處理結果的思維判斷能力，對處理結果的再生信息的實施及有效操作的實施功能。

圖 1 概要說明了一種兼有計算機系統和傳感裝置的智能化斷路器工作原理。主要的傳感器可探明氣體密度，通過監控 其運動和能量變化，反映操作機構狀態。氣體密度傳感器發出的信號能夠實現連續的狀態監測，確定趨勢走向以及檢測 極限值，并能在此基礎上實現常規的 SF6 氣體的鎖定和報警功能。同樣，在運動傳感器和能量傳感器的幫助下，操作機 構的狀態可實現監控。另外，這些傳感器的信號可同時用于常規的位置指示和電動機控制功能上。

圖 1 斷路器智能化工作框圖

如果需要，還可在基本系統中增加傳感器。根據對周圍溫度的測試 結果，對狀態變化(以及反映出的趨勢信息)作出更準確的評估。對 于沒有串行接口至更高一級層面的系統，進行時間記錄十分有助于對 變化趨勢的預測。附加的電流電壓傳感器實現斷路器設備功能最優化 的基礎。

總的來看，可以歸納智能化斷路器的操作過程為: 智能控制單元不 斷從電力系統中采集某些特定信息，據此來判別斷路器當前的工作狀 態，同時處于操作的準備狀態。當變電站的主控室因系統故障由繼電 保護裝置發出分閘信號或正常操作向斷路器發出操作命令后，控制單 元根據一定的算法求得與斷路器工作狀態對應的操動機構預定的最佳 狀態，并驅動執行機構操動機構調整至該狀態，從而實現最優操作。顯然，智能控制單元是斷路器智能操作實現的核心 部件。

1、智能控制單元

智能控制單元是智能化斷路器的靈魂，它是以微處理機為核心部件，綜合應用傳感技術、光電轉換技術、數字控制技 術、微電子技術和信息技術等多種現代技術，以完成斷路器的智能操作，實現斷路器的智能化。

智能控制單元的基本功能有：

1.1 自動識別斷路器的工作狀態

斷路器的工作狀態的準確識別是實現智能操作的前提。對于超高壓斷路器而言，其任務主要有分斷短路電流、負載電 流、過載電流、小容性電流和小電感性電流等。

1.2 自動調整斷路器的操動機構

這是控制單元的核心功能。因此控制單元必須在識別斷路器工作狀態的基礎上確定與之相對應的操動機構的調整量。

1.3 記錄并顯示斷路器的工作狀態

由于斷路器在大多數運行時間內是不動作的，在此期間，本單元的任務是對斷路器的工作狀態不斷地進行監測，同時 它還記錄斷路器每次開斷情況，包括開斷電流的大小、開斷類型及是否發生拒分或拒合等信息。短路時還應記錄短路電 流的變化過程，以便于電力部門進行事故分析及斷路器的維護。同時，也可通過斷路器累積開斷電流的大小來表示斷路 器觸頭的燒蝕情況。

1.4 具有與遠端主機進行通信的功能

控制單元可以根據主機的要求將斷路器的開斷記錄及其他數據經信息傳輸接口上網傳送至上位機，并通過上位機經信 息傳輸網絡將操作命令及保護參數、保護及重合閘方式等配置要求傳送過來。

2、對斷路器工作狀態的監測與診斷

監測與診斷是智能化電器設備的重要環節，很難想象，智能化電器設備一旦失去了監測與診斷的技術支持，會是個什 么樣子。計算機技術、傳感技術與微電子技術的進步，使智能化斷路器的監測與診斷的要求得以實現。它要求具有以下 功能：

2.1 滅弧室電壽命的監測與診斷

動作次數: 記錄合分次數，逾限報警;

開斷電流加權累計，即統計 ΣIα(α=1.5~2)值，逾限報警。

觸頭的電磨損主要取決于燃弧電流的大小及燃弧時間的長短。而燃弧時間，對實際使用中的斷路器是難于獲得的，且 燃弧時間從統計和累計的角度可不必考慮。因此，人們常將注意力集中在開斷電流上，研制累計開斷電流記錄儀。但是， 累計開斷電流與觸頭電器磨損之間并不是單值函數關系，同樣的累計開斷電流，如果單次開斷的電流小，其磨損量要比 單次開斷電流大時小得多，因此，正確的方法應該是據每次開斷電流的大小換算成相應的磨損量，而磨損總量應根據斷 路器的額定開斷電流和額定開斷次數來確定，而不同開斷電流下的等效磨損量應由試驗所得的經驗曲線確定。

對于真空斷路器來講，滅弧室除了電壽命外，還有真空度的監測。大量的研究和實踐證明，12kV 真空斷路器目前型式 試驗的短路開斷次數有的已做到了 50 次，在開斷 50 次以后，觸頭的燒損厚度僅為 0.6mm 左右，燒損甚微; 而真空滅弧 室產品允許觸頭燒損厚度為 3mm，說明真空斷路器在開斷方面的余量很大，更何況在實際運行中，短路開斷的次數是不 會很多的。相應之下，真空斷路器滅弧室的真空度下降的機率卻要高得多，從 1999 年的統計資料看，全國真空斷路器共 發生 45 次事故，其中因滅弧室真空度下降造成的就有 9 次，由此可見，對真空斷路器來講，滅弧室真空度的監測是很重 要的。

2.2 斷路器機械故障的監測與診斷

根據多年的大量統計資料表明， 事故的 70%~80%出在高壓斷路器的操動機構和控制回路。 斷路器的機械部分比較復雜， 且長期不動作，比目前已經較為成熟的旋轉機械的監測技術更為困難，常需要采用多種技術綜合判斷，主要有以下幾項：

(1) 合分線圈電流波形監測，非正常報警;

(2) 合分線圈回路斷路監測，斷路報警;

(3) 監測行程，過限報警;

(4) 監測合分速度，過限報警;

(5) 機械振動，非正常報警;

(6) 液壓機構打壓次數、打壓時間、壓力;

(7) 彈簧機構彈簧壓縮狀態，傳動機構和鎖扣部分的工作狀態，電動機工作時間;

(8) 永磁機構: 線圈狀況、磁性的穩定狀況和彈簧的壓縮狀態等;

(9) 關鍵部分的機械振動信號。高壓斷路器合分動作的機械振動波形十分復雜，通常包含著多個子波，看起來雜亂無 章的波形實際上是多個子波的混疊，每個子波代表一個振動事件。分析振動波形，把各子波分離出來，可以得到事件的 個數及各事件發生的時間和事件的強度，可以獲取斷路器操作過程機械部分的多個信息。對波形分析的方法很多，如小 波分析、形狀比較、統計過程處理等等。測量所用的加速度傳感器應據所監測的目標(電磁振動、部件振動、操作振動、 微粒跳動等等)的不同而合理選擇。振動傳感器的安裝位置也應精心布置;

(10) 合、分閘線圈電流和電壓波形的檢測。線圈電流波形中包含著許多操作系統的信息，如線圈是否接通，鐵芯是否 卡澀，脫扣是否有障礙等等;

(11) 合、分閘機械特性: 速度、過沖、彈跳、撞擊等，這些信息也可從振動波形中有所反映;

(12) 控制回路通斷狀態監測。這對因輔助開關不到位或接觸不良造成的拒分、拒合故障有很好的監視作用;

(13) 操作機構儲能完成狀況。

判斷上述所監測信號是否正常的一個基本出發點就是將其與正常狀態下的情況作比較。正常狀態是在某一范圍內，只 有通過具體條件由試驗和統計處理確定。通常是將一次操作的幾個波在時域、頻域、幅度上作橫向比較，與前幾次的操 作作縱向比較以得出診斷結論。

2.3 絕緣狀態的監測

氣體斷路器氣體壓力，越限報警，閉鎖。

監測局部放電，用以預報絕緣事故，智能技術是把對信息的獲取和加工推理，從代數的簡單數值計算，發展為模擬人 腦對不確定性的辨別、思考、預測、優化和決策。將智能技術引入到基于在線監測數據的絕緣診斷系統，將診斷機制分 為四個層次，依次為在線數據的預處理、征兆集的提取、故障類型的確定以及決策，如圖 2 所示。

圖2 電力設備故障診斷的分層結構

研究表明，由于在線監測具有數據量大、影響因素復雜的特點，智能技術特別適 合絕緣在線診斷。

在線數據的預處理階段，采用有關方法剔除虛假點，并通過分析在線數據與環境 因素的相關性，利用三次擬合曲線削弱環境對測量數據的影響。在征兆集的提取階 段，由于考慮到數據的動態特性和隨機誤差的影響，將待檢數據與模型的殘差作為 故障的征兆之一，采用了相對比較法的時序分析法。研究證明這些方法是有效的。

對絕緣診斷的后兩個層次，即故障類型和決策層方面，尚需積累更多的在線監測 數據，以及對故障種類的模式、嚴重程度的在線數據特征進行深入的研究，專家知 識的積累和診斷方法的完善也將是一個長期的過程。

2.4 載流導體及接觸部位溫度的監測

載流導體和母線聯接處， 接頭處等接觸部位的接觸受振動力矩的作用而發生變化。 導致接觸電阻增加，接觸部位的溫度增加，故需要對這些部位的溫度進行監測。

這通常是利用紅外光的幅射強度或將感溫元件裝在導體上，轉換成信號傳到低電 位再還原成溫度信號，其難點是高電位導體上低壓工作電源的獲得方法，也有利用 受熱發聲器件將異常過熱信息傳到低電位接受裝置的。近來，有直接在低電位處將紅外光照到載流導體上就能從發射方 獲取被測體溫度的非接觸方法。還有利用光微薄硅溫度傳感器的無源測量方法如圖 3 所示。

圖 3 光微薄硅溫度傳感器的溫度探頭原理圖

圖 3 是采用對溫度敏感的 Fabry-perot 槽研制出的一種溫度探頭， Fabry-perot 槽溫度探頭原理圖如圖 3 所示。 裝置由一薄硅片構成， 在 它中段的頂部和底部蝕刻出矩形槽，然后在薄硅片頂粘貼上一層玻 璃，該玻璃的熱膨脹系數與硅片的熱膨脹系數不同。當該處溫度變 化時，因 2 種材料不同的熱膨脹系數，在其內部產生內應力，內應 力改變槽的深度。用光纖將多色光送入 Fabry-perot 槽，反射出的調 制光也經光纖送出，調制的輸出信號是用光學干涉測量方法測量的。 由 Fabry-perot 槽構成的光纖傳感系統其組成元件耐腐蝕、小巧、測 量靈敏度高，而且不受電磁干擾影響，在智能化高壓電器的溫度在 線監測方面有廣闊的市場。

2.5 監測診斷系統的總體框圖 一

個智能化的斷路器設備或斷路器設備的智能監測與診斷系統其總體方框圖大致如圖 4。 信號傳輸部分若是扁平電纜， 則距離甚短，多為并行數據信號; 若距離較長多為串行信號，僅需兩根電纜，且信號獲取單元可有多個，每增一個僅多一 地址編碼。由于對異常程度及故障部位的診斷難度較大，計算機決策有時比較困難，很多裝置還借助于人腦對信息作綜 合分析，以便作出最后決斷，計算機只對那些確認無疑的 越限值給出告警信號。

圖 4 診斷系統總體框圖

傳感器要獲取的信號并不只局限于前面敘述的那些，一個智能程度較高的斷路器除電氣、機械、絕緣各方面的劣化或 變異需自行監測外，諸如氣體密封狀態、真空滅弧室的真空度、液壓機構的液壓、組合電器中避雷器的特性劣化等也應 有相應的自檢措施。

3、斷路器的智能操作

斷路器的智能操作是智能化斷路器最典型的應用，它是將智能化技術引入到斷路器的電氣性能中去，它使斷路器能更 好地完成開斷任務和提高開斷的可靠性，提高斷路器的綜合技術性能，無論是生產運行還是對研究制造都具有十分重要 的作用和價值。目前認為，它至少應包括以下兩方面：

一是要求斷路器的操作性能可根據電網中發出的不同工況自動選擇和調整操動機構或者滅弧室合理的預定工作條件。 例如：對于自能式斷路器的分斷操作，小負載時觸頭以較低的速度分斷，既可保證所需的滅弧能量又可減少機械損耗， 而在接到短路信號時則以全速分斷，獲得電氣和機械性能上的最佳開斷效果。目前，此類專家系統的開發已在進行，變 速操作打破了傳統斷路器單一分閘特性的概念，實際上是上述執行功能的智能化，是對高電壓等級斷路器操動機構的改 造十分有益的嘗試。

再是要求斷路器在零電壓下關合，在零電流下分斷，這與斷路器的同步分斷與選相合閘的工況是完全一致的，同步分 斷可以大大提高斷路器的分析能力，一臺低成本的小容量開關可分斷 10 倍以上容量的電流;選相合閘可以避免系統的不 穩定，克服容性負載的合閘涌流與過電壓。在電力電子領域，近年來流行一種軟開關技術，使半導體開關器件在零電壓 下關合，在零電流下分斷，可以認為，電子操動正是實現斷路器的軟開關技術的關鍵。目前比較迫切的應用是在：

并聯電抗器操作、電容器組操作、變壓器操作、輸電線路操作。

每一種應用對斷路器和控制裝置的性能提出某些要求，能從根本上解決過壓問題。這對推廣無功補償、穩定電力系統 意義極大。應用真空觸發開關和一般電磁機構真空開關已經實現了這種選相合閘的并聯電容器組的投切，進一步的工作 將用有永磁機構的智能化斷路器直接實現選相合閘。

永磁操動機構大大提高了機構的可控性，由原來毫秒級的機構控制時間分散性進步到微秒級的電信號控制，由機械儲 能、機械脫扣進步到電儲能、電信號直接觸發動作(電子脫扣) 。真空斷路器新的操動理論應包括兩部分: 控制精度分析 與可靠性設計，高可靠性控制電路的設計以及機構運動特性分析與優化。

斷路器的同步分斷與選相合閘的實現

現代傳感器技術使交流零點信號的拾取變得非常可靠和方便。同樣，我們也可以方便地取到交流電壓或電流變化率的 零點(對應正弦信號的峰值)信號。剩下的問題是控制信號在電壓或電流零點以前或它們的變化率零點以后什么時刻發 出。

目前同步斷路器的發展還需進一步的可靠性論證和設計，它的連帶意義是斷路器的完全可控，其發展可能成為最典型 的新概念開關電器。

20 世紀 90 年代 ABB 公司推出了 CAT(即具有人工智能技術的斷路器，Curcuit Breaker with Artificial Interiligence Technology):CAT 是專為 ELF 型 SF6 斷路器(敝開式)和 ELK 型封閉式組合電器(GIS)而開發和試驗的，見圖 5。

圖 5 CAT 接線示意圖

CAT 為一模塊式電子，它由三個獨立的分相模塊所組成，可使斷路 器在最佳投切時刻進行每相的獨立操作。其效果為：減輕投切時的瞬 時過電壓;減輕電流對設備的應力。

對常常要使用分合閘電阻的高壓斷路器來說，CAT 是一種可供選擇 的可靠技術替代方案。CAT 安裝在斷路器的控制回路中，具有處理來 自電壓或電流互感器輸入的信息的功能，并在最佳操作條件的時刻發 出斷路器操作脈沖。例如：視電網參數不同而異，CAT 能有效地將電 容器組投入時的沖擊電流減低到其原有值的 30%。對于有并聯補償線路的自動重合閘，即使對長線路而言，操作過電壓 值也能保持在 2 倍(標么值)以下，在切除并聯電抗器的情況下，CAT 能消除在斷路器內有害的電弧重燃，因而防止了 電抗器絕緣的劣化。

可以看出，CAT 在一起程度上實現了對斷路器的受控操作，具有智能操作的一些特點。

實際上，國外十幾年前已開始相當普遍地實際應用相位控制高壓斷路器技術，下表簡要說明相位控制高壓斷路器的作 用。

4、智能型高壓電器有關問題的探討

斷路器智能技術不僅是概念上的轉變和理論上的發展，而且是在眾多領域中技術上的突破，它的實現必然會應用一些 新技術、新材料、新工藝，不斷提高產品的檔次和技術含量，但是在這個過程中，核心的問題是信息的采樣傳輸與控制 系統，這些領域中，有的技術相對 成熟，有的尚處于開發研制與試運 行階段，需要一個不斷總結提高和 完善的階段，具體有下列面：

4.1 關鍵技術

(1)傳感技術。局部放電、高壓 導體測溫、高壓側電流和電壓的測 量技術，特別是目前正在開發研制 的光電流、電壓傳感技術等難度較 大的傳感技術;

(2)微機技術。開發出成功的智 能化軟件是微機技術的關鍵。而軟 件系統中，主程序則是核心程序。

主程序首先完成單片機和外圍接 口芯片的初始化; 之后， 主程序不斷 檢測并顯示斷路器的工作狀態，隨 時準備應上位機的要求與之通信， 傳遞有關的控制和狀態信息。

(3)抗電磁干擾技術

研究表明，系統中常態噪聲是工 頻 50Hz 及其高次諧波， 一次回路中 發生的任何形式的暫態過程(如各 種過電壓和各種短路故障)以及載 波通訊信號，都會通過不同的途徑 耦合到二次系統。此外，高電場引 起的電暈及污閃也要產生電磁輻射，二次控制回路的開關電源由于其浪涌噪聲也會對電量傳輸帶來擾動。大功率電磁鐵 動作時引起空間磁場的變化，還會在附近的導電回路中感應出電流，對操動機構中的控制電路帶來考驗。解決電磁兼容 問題就要針對各干擾源，嚴格屏蔽、隔離與接地措施，信號的數字化傳輸可以大大緩解干擾的影響程度，引入光電轉換 不但可以進行電氣隔離，還可以保證信號傳輸過程不受電磁場的干擾。

由于智能化斷路器的信號傳輸與控制系統的工作電壓和信號傳遞電平低，耐壓水平低，外界電磁場干擾很容易使其失 效或損壞，而這種情況對于傳統電器調和的影響是不大的。因此，電磁兼容是斷路器智能化的新課題。

(4)信號處理技術。對有些技術來說，獲得監測信號只是第一步，必須進行故障診斷才能作出判斷、決策。如局部放 電監測所得復雜信號需要進行故障診斷才能實現故障分類、故障定位、預期壽命估計等;用機械振動法監測斷路器機械 狀態也需對獲取信號作處理才能正確辨識;目前對于斷路器電弧狀態的研究，也是從電弧電壓入手，通過軟件的處理實 現對電弧狀態的診斷。

4.2 壽命問題

一般來說，電子設備的使用壽命遠低于高壓電器設備本身的壽命，這是一個矛盾。解決的辦法有： 提高電子設備的可靠性，這可以從設計、制造及適當改善運行條件幾方面著手;

應有自檢功能;

采用綜合判斷;

對于相同功能的部件，采用模塊化設計，以降低成本增加備用量，達到總體上提高電子設備的可靠性。

4.3 經濟問題

當前在計算機等設備不斷降價的情況下，監測設備價格也不斷降低。這種趨勢還會繼續下去。但無論如何，仍要相當 經費。如日本三菱公司在’97 國際電力設備及技術展覽會上顯示的 GIS 監測設備包括局部放電等約 10 項內容的裝置，價 格不超過 GIS 本身的 1/10。這比幾年前聽到的 1/3 要便宜不少。如采用國產設備還會便宜得多。

國外也十分關心監測技術的經濟問題，并作出了不少經濟分析。如有用下列公式作為采用監測設備的條件： C

式中：C——檢測裝置每年平均投資

B——采用監測裝置后，因減少維修次數而每年平均節約的維修經費 D——采用監測裝置后，因減少一次事故而每個平均節約的維修費 E——年事故率

在不考慮 D?E 一項時，監測設備的合理投資為高壓開關設備投資 1%-2.7%，后者指頻繁操作的高壓開關。以上當然未 考慮因出現事故所造成的各種間接經濟損失。非經濟損失更難于計算。

美國紐約電管局和加拿大魁北克水電局自 1993 年裝置 MONITEC 監測系統到 1996 年因監測出包括機構卡滯、動作不 到位和軸銷斷裂等 5 次重大事故征兆，保證了供電可靠性，估計節約經費超過 100 萬美元，降低了成本，提高了市場競 爭力。

目前，對高壓斷路器智能化經濟問題的考慮，總是偏重對智能化需要而購置的設備的價格;其次，再包括減少維修次 數節約的經費和減少一次事故所節約的費用。按理說，這是很不夠的。比如，由于實現了斷路器的受控操作，斷路器的 開斷容量可以減少，是否能選擇開斷容量小一些的斷路器?操作過電壓的倍數下降了，設備的絕緣水平能否下降?再者， 由于智能化斷路器科技含量高、技術先進、可靠性高而受到用戶的青睞，在競爭中中標而獲利，這些潛在的經濟效益能 不能考慮。總的來看，無論是研究開發機構、制造廠商還是使用單位，把目標瞄準智能化斷路器不失為明智之舉。

5、智能化斷路器的現狀

近年來已有很多智能化斷路器面市，高壓領域典型的有東芝公司的 C-GIS 和 ABB 公司的 EXK 型智能化 GIS，它們的 特點都是采用先進的傳感器技術和微計算機處理技術， 使整個組合電器的在線監測與二次系統在一個計算機控制平臺上。 在中壓領域較典型的有九十年代初的富士公司的智能式真空斷路器及 ABB 公司近年來推出的 VM1 型真空斷路器。前者 包括三種功能: 自動保護功能、 早期維護功能和信息傳遞功能。 其中保護功能指標斷路器本體可對過電流和短路故障進行 檢測與判斷并發出指令， 使斷路器可靠分閘; 早期維護功能指斷路器在真空度降低、 電接觸部位溫升異常以及脫扣線圈斷 線時均能發出報警， 提示操作人員把斷路器退出運行進行維修; 信息傳遞功能則指除正常外加入的控制信號外斷路器狀態 的信號輸出。

VM1 型真空開關是 ABB 公司的最新產品，除了新穎的一體化絕緣結構，最顯著的特色是采用了除永磁操動機構外， 就是它的二次控制無觸點化和采用新型傳感器。開關的位置傳感器和輔助接點均為無觸點的臨近開關或光開關，新型號 電量傳感器信號可以直接變換成數字信號，取代了傳統的電磁式電壓和電流互感器。

當前，世界上先進的工業國家都看好在電力系統中高壓領域智能化高壓電器的發展前景和潛在的效益，加大了研究的 投入和開發的力度，比較典型的有 ABB 公司推出的 CAT，具有人工智能技術的斷路器，如前面所討論的，在一定程度上 實現了對斷路器的受控操作; ABB 公司推出的光電式電流傳感器和電壓傳感器在高壓領域中替代了傳統的電磁式電流互 感器和電壓互感器，解決了智能化高壓電器設備中傳感技術的難題。目前，已經大量應用的信號數字化傳輸技術大大緩 解了信號傳播中干擾的影響程度等，這些高新技術的應用都為智能化斷路器技術的發展創造了良好的條件。

斷路器智能化是一項更新換代的工作，它涉及到很多領域的技術進步和創新發展，如傳感技術、微電子技術、計算機 技術、信息技術以及斷路器本身及操動機構等方面，需要更多的投入和開發。但是，可以展望，隨著智能化進程上的難 題一個一個地被破解，性能優越的智能化斷路器終將會在不久的將來登堂入室，為人們所熟悉和喜愛。