智能斷路器工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

摘 要：智能斷路器具有數字化的接口，可以將位置信息、狀態(tài)信息、分合閘命令通過(guò)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(guò)程。和傳統的斷路器相比較，智能斷路器有著(zhù)其自身的優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)各項技術(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(zhù)我國電網(wǎng)建設的快速發(fā)展，數字化變電站成為建設和研究的熱點(diǎn)。數字化變電站的核心在于一次設備的智能化與二次設備的網(wǎng)絡(luò )化。對于斷路器這種極其重要的電力一次設備而言，其智能化的實(shí)現有十分重要的意義。斷路器智能化在于運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監測，通斷精確，智能控制和信息傳遞網(wǎng)絡(luò )化等。隨著(zhù)電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論的廣泛應用，計算機與網(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用，智能斷路器的功能得到了極大的擴展和完善。

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(xiàn)劃分比較模糊，一般將3kV以上的稱(chēng)為高壓電器。

低壓斷路器又稱(chēng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，它是一種既有手動(dòng)開(kāi)關(guān)作用，又能自動(dòng)進(jìn)行失壓、欠壓、過(guò)載、和短路保護的電器。它可用來(lái)分配電能，不頻繁地啟動(dòng)異步電動(dòng)機，對電源線(xiàn)路及電動(dòng)機等實(shí)行保護，當它們發(fā)生嚴重的過(guò)載或者短路及欠壓等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電路，其功能相當于熔斷器式開(kāi)關(guān)與過(guò)欠熱繼電器等的組合。而且在分斷故障電流后一般不需要變更零部件，己獲得了廣泛的應用。

高壓斷路器(或稱(chēng)高壓開(kāi)關(guān))是變電所主要的電力控制設備，具有滅弧特性，當系統正常運行時(shí)，它能切斷和接通線(xiàn)路及各種電氣設備的空載和負載電流;當系統發(fā)生故障時(shí)，它和繼電保護配合，能迅速切斷故障電流，以防止擴大事故范圍.因此，高壓斷路器工作的好壞，直接影響到電力系統的安全運行。

隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活都對電力系統的供電質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求:能夠實(shí)現不間斷供電，即使斷電也必須要求斷電時(shí)間盡可能的短，停電范圍盡可能的小。這就要求供電系統具有比較高的自動(dòng)化程度和智能化水平，當電力系統出現一些故障時(shí)系統中的智能保護設備能及時(shí)識別故障類(lèi)型，快速切除系統中的故障部分，防止故障進(jìn)一步擴大，使整個(gè)系統能夠正常運行。除了要能正常分合相關(guān)系統額定電流外，還要在相關(guān)系統故障時(shí)能快速有選擇性地可靠分斷相關(guān)系統短路故障電流，且不能出現越級跳閘或拒動(dòng)現象。

當繼電保護或控制裝置發(fā)出外部跳閘指令，當指令到達斷路器時(shí)，斷路器的控制裝置確定斷路器是否做好執行分合操作的準備，如果好了則控制裝置負責完成該指令操作，反之，如果斷路器沒(méi)做好準備，則控制裝置閉鎖所要求的操作，斷路器就不能完成相應的指令操作。為此斷路器需要相應的控制監視回路，如氣體密度、斷路器的分合位置等。此外要求控制回路監視反映斷路器運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數，如果這些參數有改變就會(huì )閉鎖該斷路器使之不允許動(dòng)作，并向運行值班人員發(fā)出警告，以便運行人員及時(shí)采取行動(dòng)。以龍口市供電公司的變電站為例，一般的10kV或35kV出線(xiàn)開(kāi)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視回路。

現在的高壓斷路器種類(lèi)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(kāi)關(guān)和接地刀閘、常規TA和TV以及母線(xiàn)組合在一個(gè)SF6絕緣的密封殼體內，實(shí)現變電站的緊湊化，但其制造成本高，多用于土地價(jià)格昂貴或空間有限的變電站。國際大電網(wǎng)組織通過(guò)調查認為在今后一、二十年內，SF6斷路器和GIS將繼續是高壓斷路器設備的主流。

在IEC62063標準中對于智能斷路器設備的定義為:具有較高性能的斷路器和控制設備，配有電子設備、傳感器和執行器，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)現電子操動(dòng)，變機械能為電容儲能，變機械傳動(dòng)為變頻器經(jīng)電機直接驅動(dòng)，機械運動(dòng)部件減少到一個(gè)，機械系統的可靠性提高，智能斷路器具有數字化的接口，可以將位置信息、狀態(tài)信息、分合閘命令通過(guò)網(wǎng)絡(luò )方式傳輸?？刂苹芈分须娮与娐返膲勖?、可靠性將成為智能斷路器技術(shù)工程化應用的關(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、計算機技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統。其主要特點(diǎn)是由電力電了技術(shù)、數字化控制裝置組成執行單元，代替常規機械結構的輔助開(kāi)關(guān)和輔助繼電器。新型傳感器與數字化控制裝置相配合，獨立采集運行數據，可檢測設備缺陷和故障，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)現電子操動(dòng)，變機械儲能為電容儲能，變機械傳動(dòng)為變頻器經(jīng)電機直接驅動(dòng)，機械系統可靠性提高。

在目前階段，智能斷路器得到了相應的發(fā)展，具有智能操作功能的斷路器是在現有斷路器的基礎上引入智能控制單元，它由數據采集、智能識別和調節裝置3個(gè)基本模塊構成。工作原理見(jiàn)圖1，圖中實(shí)線(xiàn)部分為現有斷路器和變電站的有關(guān)結構和相互關(guān)聯(lián)。智能識別模塊是智能控制單元的核心，由微處理器構成的微機控制系統，能根據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(dòng)地識別操作時(shí)斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài)，根據對斷路器仿真分析的結果決定出合適的分合閘運動(dòng)特性，并對執行機構發(fā)出調節信息，待調節完成后再發(fā)出分合閘信號;數據采集模塊主要由新型傳感器組成，隨時(shí)把電網(wǎng)的數據以數字信號的形式提供給智能識別模塊，以進(jìn)行處理分析;執行機構由能接收定量控制信息的部件和驅動(dòng)執行器組成，用來(lái)調整操動(dòng)機構的參數，以便改變每次操作時(shí)的運動(dòng)特性。此外，還可根據需要加裝顯示模塊、通信模塊以及各種檢測模塊，以擴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監測到的不同故障電流，自動(dòng)選擇操作機構及滅弧室預先設定的工作條件，如正常運行電流較小時(shí)以較低速度分閘，系統短路電流較大時(shí)以較高速度分閘，以獲得電氣和機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構動(dòng)作時(shí)間上的可控性，目前斷路器常用的氣動(dòng)操作機構，液壓操作機構和彈簧操作機構由于中間轉換介質(zhì)等因素，控制時(shí)間離散性大，其運動(dòng)特性很難達到理想的可控狀態(tài)。采取電磁操作機構的斷路器利用電容儲能、永磁保持、電磁驅動(dòng)、電子控制等技術(shù)，當機構確定后運動(dòng)部件只有一個(gè)，沒(méi)有中間轉換介質(zhì)，分合閘特性?xún)H與線(xiàn)圈參數相關(guān)，可以通過(guò)微電子技術(shù)來(lái)實(shí)現微秒級的控制，通過(guò)對于速度特性控制實(shí)現斷路器的智能化操作。

智能操作斷路器的工作過(guò)程是:當系統故障由繼電保護裝置發(fā)出分閘信號或由操作人員發(fā)出操作信號后，首先啟動(dòng)智能識別模塊工作，判斷當前斷路器所處的工作條件，對調節裝置發(fā)出不同的定量控制信息而自動(dòng)調整操動(dòng)機構的參數，以獲得與當前系統工作狀態(tài)相適應的運動(dòng)特性，然后使斷路器動(dòng)作。

三、智能斷路器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

和傳統的斷路器相比較，智能斷路器有著(zhù)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(kāi)，減少斷路器斷開(kāi)時(shí)的沖擊力和機械磨損，從而提高斷路器的使用壽命，在工程上達到較好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

2、采用智能斷路器技術(shù)可以實(shí)現有關(guān)高壓開(kāi)關(guān)設備的檢測、保護、控制和通信等智能化功能。

3、傳統的重合閘采用重合閘繼電器，正常運行時(shí)，重合閘繼電器的電容進(jìn)行充電，當發(fā)生故障斷路器斷開(kāi)后，電容進(jìn)行瞬間放電從而到達重合目的，當重合于故障時(shí)，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(dòng)重合閘的工作方式，實(shí)現自適應自動(dòng)重合閘，即做到在短路故障開(kāi)斷后，如故障仍存在則拒絕重合閘，只有當故障消失后才進(jìn)行重合。采用智能技術(shù)后就會(huì )避免傳統重合閘只能重合一次的弊端。

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

隨著(zhù)微機技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò )和數字通信技術(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)域的應用，能斷路器將會(huì )從簡(jiǎn)單的采用微機控制取代傳統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，成為電氣工程領(lǐng)域中電力開(kāi)關(guān)設備、電力系統繼電保護、工業(yè)供配系統及工業(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

智能斷路器已將計量、控制及通信等功能融于一體，使電力設備的模塊化、系統化成為可能。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。自20世紀70年代開(kāi)始出現了智能控制器，隨著(zhù)各項技術(shù)的廣泛應用和發(fā)展，如微電子、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和新型傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和綜合應用，使得智能控制器出現了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。作為智能斷路器技術(shù)的補充，斷路器智能監視和控制技術(shù)得到了相應的發(fā)展并在工程上得到廣泛的利用。

近年來(lái)國內外制造商陸續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(kāi)關(guān)系統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(guò)數字通信實(shí)現對設備的在線(xiàn)監測、診斷、過(guò)程監視和站內計算機監控。全部采用智能化PASS系統的澳大利亞275kv Blackwall變電站和Braemar變電站分別己于1999年和2000年投入運行。另外還有日本三菱電機開(kāi)發(fā)的550kV智能化開(kāi)關(guān)產(chǎn)品MITS(Mitsubishi Information Technology Switehgear)以及西門(mén)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控制設備的MITS系統在廣東500kV西江變電站進(jìn)行運行試驗。國內公司的有平頂山天鷹集團的ZFll-252kV GIS，狀態(tài)監控系統集成了傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機技術(shù)、檢測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)等，實(shí)現了GIS產(chǎn)品內部電器元件，特別是是對其中斷路器及其操作機構部分的狀態(tài)監測，通過(guò)對各種參數的采集和結果的分析處理，完成狀態(tài)信息和分析結果的顯示以及相應的控制操作。該系統已經(jīng)在云南大關(guān)變電站應用。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。斷路器智能化是一項更新?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)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)以及斷路器本身及操動(dòng)機構等方面，需要更多的投入和開(kāi)發(fā)。因此，隨著(zhù)各項技術(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。