中低压智能电器的发展探讨1

1  前言

早期的中低压电器主要用于接通和断开电路，随着电力系统容量逐渐增大，电气负载种类不断扩展，中低压电器功能和种类也不断增加，逐渐形成配电电器 ，控制电器和终端电器三大类产品 。每一类产品又有多种电器产品，它们在电力系统中各自承担着不同的功能。随着电子技术、 通信技术、 现场总线技术在电器产品中的应用，中低压电器具有可通信并逐步向网络化、智能化发展， 智能电网的发展，给中低压电器又提出了新的要求。

一般来说，智能化电器设备除满足常规电器设备的原有功能外，其功能主要表现为:

应具有灵敏准确地获取周围大量信息的感知功能；

   应具有对获取信息的处理能力；

   应具有对处理结果的思维判断能力，对处理结果的再生信息的实施及有效操作的实施功能。

电力技术的高速发展和供电规模的日益扩大, 系统的网络结构和运行方式日趋复杂, 对电源的可靠性、安全性及供电质量也都提出了更高的要求，相应地对系统设备的操作简便性和安全性以及可靠性也提出了新的要求。中低压断路器作为电力供配电系统中广泛使用的主要控制电器, 除了要能正常分合相关系统额定电流外, 还要在相关系统故障时能快速有选择性地可靠分断相关系统短路故障电流，且不能出现越级跳闸或拒动现象。特别是随着电力系统控制方式数字化进程的发展应用以及电力系统综合自动化的广泛应用， 对系统可视化、自动化、网络化、实时化、精确化的要求越来越高, 相应地对应用面积广、网络结构复杂、操作较频繁、故障率高的中低压断路器也就提出了更高的要求, 传统断路器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要。智能化技术的应用于是成了中低压断路器的一个重要发展应用方向。

2  智能化断路器的简介    

智能化断路器综合了现代高电压零飞弧技术、电子技术、电气自动化技术、网络通信技术、计算机及其软件技术等, 采用模块化结构, 完全突破了传统断路器的许多不足, 集保护、测量、监控于一体。除了具备过载、过流、速断、漏电、接地等常规控制、保护、报警、整定功能外, 同时还具备人机对话显示、存储、记忆、逻辑分析、判断和选择以及网络通信等功能。能够实时地显示温度、电流、电压、功率因数、有功、无功等各种特征参数并进行故障参数、类型的储存,具有自诊断能力, 从而为运行维护人员进行相应的信息查询和故障判断处理提供现场的实际运行资料, 为系统运行方式的优化奠定了基础。通过其所具备的网络通信技术可以使多台智能化断路器实现与控制计算机双向通讯, 构成智能化的供配电系统, 实现“四遥”功能, 为无人化站所和实现区域联锁、远方监控、运方调整等创造必要的设备技术保障。  

2.1  断路器智能化技术的构成及其工作原理  

  智能化断路器中智能化技术的应用核心是集保护、测量、监控于一体的多功能脱扣器, 它主要由微处理器单元、信号检测采集单元、开关量输入单元、显示和键盘单元、执行输出单元、通信接口、电源等几个部分组成。

智能化断路器的操作过程为: 智能控制单元不断从电力系统中采集某些特定信息，据此来判别断路器当前的工作状态，同时处于操作的准备状态。当变电站的主控室因系统故障由继电保护装置发出分闸信号或正常操作向断路器发出操作命令后，控制单元根据一定的算法求得与断路器工作状态对应的操动机构预定的最佳状态，并驱动执行机构操动机构调整至该状态，从而实现最优操作。

2.2 智能断路器具有对机械故障的监测与诊断功能

    根据多年的大量统计资料表明，事故的70%~80%出在高压断路器的操动机构和控制回路。断路器的机械部分比较复杂，且长期不动作，常需要采用多种技术综合判断，主要有以下几项：

    (1) 合分线圈电流波形监测，非正常报警；

    (2) 合分线圈回路断路监测，断路报警；

    (3) 监测行程，过限报警；

    (4) 监测合分速度，过限报警；

    (5) 机械振动，非正常报警；

    (6) 液压机构打压次数、打压时间、压力；

    (7) 弹簧机构弹簧压缩状态，传动机构和锁扣部分的工作状态，电动机工作时间；

    (8) 永磁机构: 线圈状况、磁性的稳定状况和弹簧的压缩状态等；

    (9) 关键部分的机械振动信号。高压断路器合分动作的机械振动波形十分复杂，通常包含着多个子波，看起来杂乱无章的波形实际上是多个子波的混叠，每个子波代表一个振动事件。分析振动波形，把各子波分离出来，可以得到事件的个数及各事件发生的时间和事件的强度，可以获取断路器操作过程机械部分的多个信息。对波形分析的方法很多，如小波分析、形状比较、统计过程处理等等。测量所用的加速度传感器应据所监测的目标（电磁振动、部件振动、操作振动、微粒跳动等等）的不同而合理选择。振动传感器的安装位置也应精心布置；

    (10) 合、分闸线圈电流和电压波形的检测。线圈电流波形中包含着许多操作系统的信息，如线圈是否接通，铁芯是否卡涩，脱扣是否有障碍等等；

    (11) 合、分闸机械特性: 速度、过冲、弹跳、撞击等，这些信息也可从振动波形中有所反映；

    (12) 控制回路通断状态监测。这对因辅助开关不到位或接触不良造成的拒分、拒合故障有很好的监视作用；

    (13) 操作机构储能完成状况。

    判断上述所监测信号是否正常的一个基本出发点，就是将其与正常状态下的情况作比较。正常状态是在某一范围内，只有通过具体条件由试验和统计处理确定。通常是将一次操作的几个波在时域、频域、幅度上作横向比较，与前几次的操作作纵向比较以得出诊断结论。然后，通过对智能断路器智能控制单元编程，以达到对上述情况的监测与诊断。

2.3 断路器的智能操作

断路器的智能操作是智能化断路器最典型的应用，它是将智能化技术引入到断路器的电气性能中去，它使断路器能更好地完成开断任务和提高开断的可靠性，提高断路器的综合技术性能，无论是生产运行还是对研究制造都具有十分重要的作用和价值。目前认为，它至少应包括以下两方面：

一是要求断路器的操作性能可根据电网中发出的不同工况自动选择和调整操动机构或者灭弧室合理的预定工作条件。例如：对于自能式断路器的分断操作，小负载时触头以较低的速度分断，既可保证所需的灭弧能量又可减少机械损耗，而在接到短路信号时则以全速分断，获得电气和机械性能上的最佳开断效果。目前，此类专家系统的开发已在进行，变速操作打破了传统断路器单一分闸特性的概念，实际上是上述执行功能的智能化，是对高电压等级断路器操动机构的改造十分有益的尝试。

 二是要求断路器在零电压下关合，在零电流下分断，这与断路器的同步分断与选相合闸的工况是完全一致的，同步分断可以大大提高断路器的分析能力，一台低成本的小容量开关可分断10倍以上容量的电流；选相合闸可以避免系统的不稳定，克服容性负载的合闸涌流与过电压。在电力电子领域，近年来流行一种软开关技术，使半导体开关器件在零电压下关合，在零电流下分断，可以认为，电子操动正是实现断路器的软开关技术的关键。目前比较迫切的应用是在：

∙并联电抗器操作 

∙电容器组操作 

∙变压器操作 

∙输电线路操作

    3  智能化断路器的现状

    近年来已有很多智能化断路器面市，高压领域典型的有东芝公司的C-GIS和ABB公司的EXK型智能化GIS，它们的特点都是采用先进的传感器技术和微计算机处理技术，使整个组合电器的在线监测与二次系统在一个计算机控制平台上。在中压领域较典型的有九十年代初的富士公司的智能式真空断路器及ABB公司近年来推出的VM1型真空断路器。前者包括三种功能: 自动保护功能、早期维护功能和信息传递功能。其中保护功能指标断路器本体可对过电流和短路故障进行检测与判断并发出指令，使断路器可靠分闸; 早期维护功能指断路器在真空度降低、电接触部位温升异常以及脱扣线圈断线时均能发出报警，提示操作人员把断路器退出运行进行维修; 信息传递功能则指除正常外加入的控制信号外断路器状态的信号输出。

    VM1型真空开关是ABB公司的最新产品，除了新颖的一体化绝缘结构，最显著的特色是采用了除永磁操动机构外，就是它的二次控制无触点化和采用新型传感器。开关的位置传感器和辅助接点均为无触点的临近开关或光开关，新型号电量传感器信号可以直接变换成数字信号，取代了传统的电磁式电压和电流互感器。

当前，世界上先进的工业国家都看好在电力系统中高压领域智能化高压电器的发展前景和潜在的效益，加大了研究的投入和开发的力度，比较典型的有ABB公司推出的CAT，具有人工智能技术的断路器，如前面所讨论的，在一定程度上实现了对断路器的受控操作; ABB公司推出的光电式电流传感器和电压传感器在高压领域中替代了传统的电磁式电流互感器和电压互感器，解决了智能化高压电器设备中传感技术的难题。目前，已经大量应用的信号数字化传输技术大大缓解了信号传播中干扰的影响程度等，这些高新技术的应用都为智能化断路器技术的发展创造了良好的条件。

我国中低压断路器的可通信技术这几年也有了长足的发展,以上海电器科学研究所(集团)有限公司为主的研究机构，正致力于现场总线技术的研究和开发。常熟开关制造有限公司成功地运用Modbus、Profibus、DeviceNet等总线技术实现了低压CW1万能式断路器、CM1Z智能型可通信塑壳断路器的可通信。我国自行研制的第3代万能式断路器DW45系列中,常熟开关制造有限公司生产的CW1智能型万能式断路器是典型产品。该系列产品以智能型控制器为核心,具有三段保护功能,并可通过RS-485进行通信,实现“遥测、遥控、遥调、通信”等4大功能。   

4  智能型断路器的发展趋势

智能型断路器已将传感技术、微电子技术和信息传输技术等融为一体，使电力设备的模块化、系统化成为可能。微控制技术的不断发展又为智能型断路器的多样化、可靠性的提高、性能优化提供了技术保障。智能型断路器的技术发展主要有如下几个趋势：

（1）新型传感器向更灵敏、小型化方向发展，微处理器向大存储容量、外设集成化发展，将为智能型断路器性能的优化奠定基础。

（2）总线技术应用于智能型断路器，采用串行通信方式实现现场设备与主控制器进行双向通信，提高传输的信息量、信息传输精度，从而提高系统的性能及可靠性。

（3）采用新的更完善的通信协议，在向标准化、开放性发展的同时，更注重互联性网络接口的产品通用性。

（4）智能型断路器向功能全面化发展。如监控电网的谐波分量、功率因数和波形畸变等，而且能记录电网波形的变化，实时观察电网的工作情况等。

（5）智能电网对智能型断路器发展的影响。智能电网的发展将使新一代智能低压电器必须从系统角度出发，为智能型断路器发展带来全新的理念。智能电网要求用户端采用统一标准化产品，使目前分散在各自自动化系统的监控系统、电能管理系统、在线监测装置中的测量、保护、控制等各类智能电器能在新的统一标准的技术支持系统中逐步集成整合，最终实现各种技术的高度融合，使智能型断路器的功能得到充分发挥。

5  智能型断路器有关问题的探讨

    断路器智能技术不仅是概念上的转变和理论上的发展，而且是在众多领域中技术上的突破，它的实现必然会应用一些新技术、新材料、新工艺，不断提高产品的档次和技术含量，但是在这个过程中，核心的问题是信息的采样传输与控制系统，这些领域中，有的技术相对成熟，有的尚处于开发研制与试运行阶段，需要一个不断总结提高和完善的阶段，具体有下面关键技术：   

    （1）传感技术。局部放电、高压导体测温、高压侧电流和电压的测量技术，特别是目前正在开发研制的光电流、电压传感技术等难度较大的传感技术；

    （2）微机技术。开发出成功的智能化软件是关键。而软件系统中，主程序则是核心程序。主程序首先完成单片机和外围接口芯片的初始化; 之后，主程序不断检测并显示断路器的工作状态，随时准备应上位机的要求与之通信，传递有关的控制和状态信息。

    （3）抗电磁干扰技术

    研究表明，系统中常态噪声是工频50Hz及其高次谐波，一次回路中发生的任何形式的暂态过程（如各种过电压和各种短路故障）以及载波通讯信号，都会通过不同的途径耦合到二次系统。此外，高电场引起的电晕及污闪也要产生电磁辐射，二次控制回路的开关电源由于其浪涌噪声也会对电量传输带来扰动。大功率电磁铁动作时引起空间磁场的变化，还会在附近的导电回路中感应出电流，对操动机构中的控制电路带来考验。解决电磁兼容问题就要针对各干扰源，严格屏蔽、隔离与接地措施，信号的数字化传输可以大大缓解干扰的影响程度，引入光电转换不但可以进行电气隔离，还可以保证信号传输过程不受电磁场的干扰。

    由于智能化断路器的信号传输与控制系统的工作电压和信号传递电平低，耐压水平低，外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏，而这种情况对于传统电器调和的影响是不大的。因此，电磁兼容是断路器智能化的新课题。

（4）信号处理技术

对有些技术来说，获得监测信号只是第一步，必须进行故障诊断才能作出判断、决策。如局部放电监测所得复杂信号需要进行故障诊断才能实现故障分类、故障定位、预期寿命估计等；用机械振动法监测断路器机械状态也需对获取信号作处理才能正确辨识；目前对于断路器电弧状态的研究，也是从电弧电压入手，通过软件的处理实现对电弧状态的诊断。

  （5）寿命问题

    一般来说，电子设备的使用寿命远低于电器设备本身的寿命，这是一个矛盾。解决的办法有：

∙提高电子设备的可靠性，这可以从设计、制造及适当改善运行条件几方面着手； 

∙应有自检功能； 

∙采用综合判断； 

∙对于相同功能的部件，采用模块化设计，以降低成本，增加备用量，达到总体上提高电子设备的可靠性。

6   结束语：

电力技术的高速发展和供电规模的日益扩大，对中低压断路器提出了新的要求：

智能断路器将扮演更为重要的角色 ，它不再是单一的过电流保护电器，而是将测 、检、控 、保、管 5大功能集中 整合于一体的综合性 多功能开关电器设备。

① 测:系统各类参数测量与显示；

② 检:内、外部故障检测、报警、显示、开关运行状态、寿命检测与显示;

③ 控:根据配电系统运行状态，运行参数和内、外部故障情况，系统运行要求，发出各种指令;

④ 保:具有配电系统各类故障保护功能；

⑤ 管:系统能量管理(配电系统电能使用控制在最佳状态)，开关自身运行状况， 寿命管理等，并确保配电系统运行可靠性。

智能电网对中低压断路器故障检测、处理、保护提出了全新的概念。

1检测，智能电网中低压断路器应具有故障快速检测与鉴别的能力；

2处理，对各类故障迅速做出报警、分断或其他控制指令，并作出相关显示; 

③ 保护，快速区域联锁、故障区隔离、故障排除后系统自愈和自动恢复功能。

  与各类智能型中低压电器功能的取舍，性能协调，配合等。

  分布式新能源系统接入后，对中低压断路器出现电能双向传输，因此，对中低压断路器过电流保护也提出了要求。

  新能源系统特定环境，如环境温度、振动、雷击、工作电压等对中低压断路器提出的要求。

随着技术的不断进步，智能断路器将逐步满足实际的需要，成为智能配电的重要支撑。随着国家电力事业的高速发展，智能断路器必将焕发新的生命力。