智能斷路器工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

摘 要：智能斷路器具有數(shù)字化的接口，可以將位置信息、狀態(tài)信息、分合閘命令通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸。本文介紹了智能斷路器基本原理、工作模式和工作過程。和傳統(tǒng)的斷路器相比較，智能斷路器有著其自身的優(yōu)點(diǎn)。隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和各種產(chǎn)品的研發(fā)，智能斷路器將逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，數(shù)字化變電站成為建設(shè)和研究的熱點(diǎn)。數(shù)字化變電站的核心在于一次設(shè)備的智能化與二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化。對于斷路器這種極其重要的電力一次設(shè)備而言，其智能化的實(shí)現(xiàn)有十分重要的意義。斷路器智能化在于運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，通斷精確，智能控制和信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化等。隨著電力電子技術(shù)和自動控制理論的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對傳感器技術(shù)和人工智能的深入研究和綜合應(yīng)用，智能斷路器的功能得到了極大的擴(kuò)展和完善。

一、什么是智能斷路器

斷路器按其使用范圍分為高壓斷路器和低壓斷路器，高低壓界線劃分比較模糊，一般將3kV以上的稱為高壓電器。

低壓斷路器又稱自動開關(guān)，它是一種既有手動開關(guān)作用，又能自動進(jìn)行失壓、欠壓、過載、和短路保護(hù)的電器。它可用來分配電能，不頻繁地啟動異步電動機(jī)，對電源線路及電動機(jī)等實(shí)行保護(hù)，當(dāng)它們發(fā)生嚴(yán)重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路，其功能相當(dāng)于熔斷器式開關(guān)與過欠熱繼電器等的組合。而且在分?jǐn)喙收想娏骱笠话悴恍枰兏悴考?，己獲得了廣泛的應(yīng)用。

高壓斷路器(或稱高壓開關(guān))是變電所主要的電力控制設(shè)備，具有滅弧特性，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，它能切斷和接通線路及各種電氣設(shè)備的空載和負(fù)載電流;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，它和繼電保護(hù)配合，能迅速切斷故障電流，以防止擴(kuò)大事故范圍.因此，高壓斷路器工作的好壞，直接影響到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，無論是工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活都對電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量提出了越來越高的要求:能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷供電，即使斷電也必須要求斷電時間盡可能的短，停電范圍盡可能的小。這就要求供電系統(tǒng)具有比較高的自動化程度和智能化水平，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)一些故障時系統(tǒng)中的智能保護(hù)設(shè)備能及時識別故障類型，快速切除系統(tǒng)中的故障部分，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，使整個系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。除了要能正常分合相關(guān)系統(tǒng)額定電流外，還要在相關(guān)系統(tǒng)故障時能快速有選擇性地可靠分?jǐn)嘞嚓P(guān)系統(tǒng)短路故障電流，且不能出現(xiàn)越級跳閘或拒動現(xiàn)象。

當(dāng)繼電保護(hù)或控制裝置發(fā)出外部跳閘指令，當(dāng)指令到達(dá)斷路器時，斷路器的控制裝置確定斷路器是否做好執(zhí)行分合操作的準(zhǔn)備，如果好了則控制裝置負(fù)責(zé)完成該指令操作，反之，如果斷路器沒做好準(zhǔn)備，則控制裝置閉鎖所要求的操作，斷路器就不能完成相應(yīng)的指令操作。為此斷路器需要相應(yīng)的控制監(jiān)視回路，如氣體密度、斷路器的分合位置等。此外要求控制回路監(jiān)視反映斷路器運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，如果這些參數(shù)有改變就會閉鎖該斷路器使之不允許動作，并向運(yùn)行值班人員發(fā)出警告，以便運(yùn)行人員及時采取行動。以龍口市供電公司的變電站為例，一般的10kV或35kV出線開關(guān)柜的二次回路中，斷路器的分合位置和彈簧儲能是否完成是最主要的監(jiān)視回路。

現(xiàn)在的高壓斷路器種類很多，可分為:油斷路器(多油斷路器、少油斷路器)、六氟化硫斷路器(SF6斷路器)、真空斷路器、壓縮空氣斷路器等。我們公司目前最多的是真空斷路器和SF6斷路器，龍口境內(nèi)的有些變電站使用GIS組合電器。GIS組合電器是將斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘、常規(guī)TA和TV以及母線組合在一個SF6絕緣的密封殼體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變電站的緊湊化，但其制造成本高，多用于土地價格昂貴或空間有限的變電站。國際大電網(wǎng)組織通過調(diào)查認(rèn)為在今后一、二十年內(nèi)，SF6斷路器和GIS將繼續(xù)是高壓斷路器設(shè)備的主流。

在IEC62063標(biāo)準(zhǔn)中對于智能斷路器設(shè)備的定義為:具有較高性能的斷路器和控制設(shè)備，配有電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器，不僅具有斷路器的基本功能，還具有附加功能，尤其在檢測和診斷方面。

智能斷路器實(shí)現(xiàn)電子操動，變機(jī)械能為電容儲能，變機(jī)械傳動為變頻器經(jīng)電機(jī)直接驅(qū)動，機(jī)械運(yùn)動部件減少到一個，機(jī)械系統(tǒng)的可靠性提高，智能斷路器具有數(shù)字化的接口，可以將位置信息、狀態(tài)信息、分合閘命令通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸。控制回路中電子電路的壽命、可靠性將成為智能斷路器技術(shù)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。

二、智能斷路器工作原理與工作模式

智能斷路器是用微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是由電力電了技術(shù)、數(shù)字化控制裝置組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器。新型傳感器與數(shù)字化控制裝置相配合，獨(dú)立采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，可檢測設(shè)備缺陷和故障，在缺陷變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出報警信號，以便采取措施避免事故發(fā)生。智能斷路器實(shí)現(xiàn)電子操動，變機(jī)械儲能為電容儲能，變機(jī)械傳動為變頻器經(jīng)電機(jī)直接驅(qū)動，機(jī)械系統(tǒng)可靠性提高。

在目前階段，智能斷路器得到了相應(yīng)的發(fā)展，具有智能操作功能的斷路器是在現(xiàn)有斷路器的基礎(chǔ)上引入智能控制單元，它由數(shù)據(jù)采集、智能識別和調(diào)節(jié)裝置3個基本模塊構(gòu)成。工作原理見圖1，圖中實(shí)線部分為現(xiàn)有斷路器和變電站的有關(guān)結(jié)構(gòu)和相互關(guān)聯(lián)。智能識別模塊是智能控制單元的核心，由微處理器構(gòu)成的微機(jī)控制系統(tǒng)，能根據(jù)操作前所采集到的電網(wǎng)信息和主控制室發(fā)出的操作信號，自動地識別操作時斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài)，根據(jù)對斷路器仿真分析的結(jié)果決定出合適的分合閘運(yùn)動特性，并對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出調(diào)節(jié)信息，待調(diào)節(jié)完成后再發(fā)出分合閘信號;數(shù)據(jù)采集模塊主要由新型傳感器組成，隨時把電網(wǎng)的數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式提供給智能識別模塊，以進(jìn)行處理分析;執(zhí)行機(jī)構(gòu)由能接收定量控制信息的部件和驅(qū)動執(zhí)行器組成，用來調(diào)整操動機(jī)構(gòu)的參數(shù)，以便改變每次操作時的運(yùn)動特性。此外，還可根據(jù)需要加裝顯示模塊、通信模塊以及各種檢測模塊，以擴(kuò)大智能操作斷路器的智能化功能。

圖1 智能斷路器工作原理

智能斷路器基本工作模式是根據(jù)監(jiān)測到的不同故障電流，自動選擇操作機(jī)構(gòu)及滅弧室預(yù)先設(shè)定的工作條件，如正常運(yùn)行電流較小時以較低速度分閘，系統(tǒng)短路電流較大時以較高速度分閘，以獲得電氣和機(jī)械性能上的最佳分閘效果。

這種智能操作要求斷路器具有機(jī)構(gòu)動作時間上的可控性，目前斷路器常用的氣動操作機(jī)構(gòu)，液壓操作機(jī)構(gòu)和彈簧操作機(jī)構(gòu)由于中間轉(zhuǎn)換介質(zhì)等因素，控制時間離散性大，其運(yùn)動特性很難達(dá)到理想的可控狀態(tài)。采取電磁操作機(jī)構(gòu)的斷路器利用電容儲能、永磁保持、電磁驅(qū)動、電子控制等技術(shù)，當(dāng)機(jī)構(gòu)確定后運(yùn)動部件只有一個，沒有中間轉(zhuǎn)換介質(zhì)，分合閘特性僅與線圈參數(shù)相關(guān)，可以通過微電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微秒級的控制，通過對于速度特性控制實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化操作。

智能操作斷路器的工作過程是:當(dāng)系統(tǒng)故障由繼電保護(hù)裝置發(fā)出分閘信號或由操作人員發(fā)出操作信號后，首先啟動智能識別模塊工作，判斷當(dāng)前斷路器所處的工作條件，對調(diào)節(jié)裝置發(fā)出不同的定量控制信息而自動調(diào)整操動機(jī)構(gòu)的參數(shù)，以獲得與當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)相適應(yīng)的運(yùn)動特性，然后使斷路器動作。

三、智能斷路器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

和傳統(tǒng)的斷路器相比較，智能斷路器有著其自身的優(yōu)點(diǎn):

1、采用智能斷路器技術(shù)后，對于非故障性的操作，斷路器都可以在較低的速度下斷開，減少斷路器斷開時的沖擊力和機(jī)械磨損，從而提高斷路器的使用壽命，在工程上達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2、采用智能斷路器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)有關(guān)高壓開關(guān)設(shè)備的檢測、保護(hù)、控制和通信等智能化功能。

3、傳統(tǒng)的重合閘采用重合閘繼電器，正常運(yùn)行時，重合閘繼電器的電容進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)生故障斷路器斷開后，電容進(jìn)行瞬間放電從而到達(dá)重合目的，當(dāng)重合于故障時，由于電容未再進(jìn)行充電，因此重合閘只能進(jìn)行一次。采用智能斷路器技術(shù)后有可能改變目前的試探性自動重合閘的工作方式，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)自動重合閘，即做到在短路故障開斷后，如故障仍存在則拒絕重合閘，只有當(dāng)故障消失后才進(jìn)行重合。采用智能技術(shù)后就會避免傳統(tǒng)重合閘只能重合一次的弊端。

4、實(shí)現(xiàn)定相合閘，降低合閘操作過電壓，取消合閘電阻，進(jìn)一步提高可靠性;實(shí)現(xiàn)選相分閘，控制實(shí)際燃弧時間，使斷路器起弧時間控制在最有利于燃弧的相位角，不受系統(tǒng)燃弧時差要求限制，從而提高斷路器實(shí)際開斷能力。

隨著微機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及人工智能技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)和研究領(lǐng)域的應(yīng)用，能斷路器將會從簡單的采用微機(jī)控制取代傳統(tǒng)繼電器功能的單一封閉裝置，發(fā)展到具有完整的理論體系和多學(xué)科交叉的電器智能化系統(tǒng)，成為電氣工程領(lǐng)域中電力開關(guān)設(shè)備、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、工業(yè)供配系統(tǒng)及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新的發(fā)展方向。

四、智能斷路器技術(shù)進(jìn)步

智能斷路器已將計(jì)量、控制及通信等功能融于一體，使電力設(shè)備的模塊化、系統(tǒng)化成為可能。微控制器技術(shù)的不斷發(fā)展又為智能斷路器功能的多樣化，可靠性的提高，性能優(yōu)化提供了技術(shù)保障。智能斷路器的核心是智能控制器，其性能的高低是判斷智能斷路器是否先進(jìn)的主要依據(jù)。自20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)了智能控制器，隨著各項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，如微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和新型傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和綜合應(yīng)用，使得智能控制器出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。作為智能斷路器技術(shù)的補(bǔ)充，斷路器智能監(jiān)視和控制技術(shù)得到了相應(yīng)的發(fā)展并在工程上得到廣泛的利用。

近年來國內(nèi)外制造商陸續(xù)推出了智能斷路器的相關(guān)技術(shù)，國外公司有ABB高壓技術(shù)公司推出了插接式開關(guān)系統(tǒng)PASS(PlugSwitch System)，采用了智能化傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)，通過數(shù)字通信實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的在線監(jiān)測、診斷、過程監(jiān)視和站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控。全部采用智能化PASS系統(tǒng)的澳大利亞275kv Blackwall變電站和Braemar變電站分別己于1999年和2000年投入運(yùn)行。另外還有日本三菱電機(jī)開發(fā)的550kV智能化開關(guān)產(chǎn)品MITS(Mitsubishi Information Technology Switehgear)以及西門子公司的HIS(Highly Integrated Switchgear)。由南瑞繼保、北京四方提供配套二次保護(hù)控制設(shè)備的MITS系統(tǒng)在廣東500kV西江變電站進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。國內(nèi)公司的有平頂山天鷹集團(tuán)的ZFll-252kV GIS，狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)集成了傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了GIS產(chǎn)品內(nèi)部電器元件，特別是是對其中斷路器及其操作機(jī)構(gòu)部分的狀態(tài)監(jiān)測，通過對各種參數(shù)的采集和結(jié)果的分析處理，完成狀態(tài)信息和分析結(jié)果的顯示以及相應(yīng)的控制操作。該系統(tǒng)已經(jīng)在云南大關(guān)變電站應(yīng)用。此外南瑞繼保PCS-9820A智能控制裝置和CZX-12RI型操作繼電器也可組成智能斷路器操作系統(tǒng)。斷路器智能化是一項(xiàng)更新?lián)Q代的工作，它涉及到很多領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展，如傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及斷路器本身及操動機(jī)構(gòu)等方面，需要更多的投入和開發(fā)。因此，隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和各種產(chǎn)品的研發(fā)，智能斷路器將逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。