10kV智能化斷路器的研究及發(fā)展趨勢

陳成周

摘 要：智能化斷路器是電氣一次設(shè)備智能化基礎(chǔ)，智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵元件，是構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備。作者綜述了智能化斷路器的基本原理和技術(shù)特點，涉及到集成智能控制、新型傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：智能斷路器；智能控制；傳感技術(shù)；智能調(diào)節(jié)裝置

國網(wǎng)公司為落實網(wǎng)架堅強(qiáng)、廣泛互聯(lián)、高度智能、開放互動的能源互聯(lián)網(wǎng)全面建設(shè)階段工作任務(wù)，穩(wěn)步推進(jìn)智能電網(wǎng)項目建設(shè)， 2015年發(fā)布智能電網(wǎng)項目建設(shè)意見，智能電網(wǎng)投資重點是智能變電站的改造升級或新建。智能變電站的最基本、首要條件是智能化電氣設(shè)備——智能化斷路器，智能化斷路器是今后發(fā)展的大勢所趨。

1 智能斷路器的介紹

智能斷路器采用現(xiàn)代微電子數(shù)字技術(shù)、自動化控制技術(shù)和新型傳感器、信息傳輸技術(shù)建立起來的新型斷路器二次系統(tǒng)。其主要特點是由電力電子技術(shù)、數(shù)字化控制裝置組成控制單元，代替由常規(guī)輔助開關(guān)、繼電器組成的控制回路，實現(xiàn)操動機(jī)構(gòu)的可控操動，機(jī)械系統(tǒng)可靠性大大提高。可按電壓波形控制斷路器分合閘角度，精確控制分合閘過程的時間，減少瞬時過電壓幅值。新型傳感器與數(shù)字化控制裝置相配合，獨立采集運(yùn)行數(shù)據(jù)，可自動識別斷路器的工作狀態(tài)、自動調(diào)整斷路器的操動機(jī)構(gòu)、記錄并顯示斷路器的工作狀態(tài)，可檢測設(shè)備缺陷和故障，在缺陷變?yōu)楣收现鞍l(fā)出報警信號，以便采取措施避免事故發(fā)生。斷路器操作所需的各種信息由裝在斷路器設(shè)備內(nèi)的數(shù)字化控制裝置直接處理，并獨立執(zhí)行當(dāng)?shù)毓δ埽灰蕾囉谧冸娬炯壍目刂葡到y(tǒng)。

同傳統(tǒng)斷路器相比，它具有常規(guī)真空斷路器通用功能外，還具備有感知功能、思維判斷功能和執(zhí)行功能。智能斷路器采用智能控制單元，以微處理機(jī)為核心部件，綜合應(yīng)用傳感技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，完全突破了傳統(tǒng)斷路器的許多不足，集保護(hù)、測量、監(jiān)控于一體，具有人機(jī)對話顯示功能，集存儲、記憶、邏輯分析、判斷和選擇、以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能；具有完善的在線機(jī)械特性檢測，分合閘電磁鐵和儲能電機(jī)電流波形測量，溫升測量，并據(jù)此進(jìn)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、診斷、報警、通信、數(shù)據(jù)記錄，顯著提高和保證斷路器系統(tǒng)的智能化。

2 智能斷路器的工作原理和工作方式

智能斷路器的核心部件是智能控制單元，主要由智能診斷模塊、溫度監(jiān)測模塊、機(jī)械特性模塊、電動底盤控制模塊、智能調(diào)節(jié)裝置等組成。溫度監(jiān)測模塊由新型傳感器把斷路器觸頭的溫度實時傳給后臺監(jiān)控，方便管理人員了解斷路器的運(yùn)行情況；電動底盤控制模塊把斷路器底盤位置情況實時發(fā)生給監(jiān)控系統(tǒng)，以便管理人員對斷路器進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，機(jī)械特性模塊把斷路器的實時數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的型式傳給診斷模塊，診斷模塊對機(jī)械特性模塊所發(fā)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并把分析結(jié)果發(fā)送給操作管理人員；智能調(diào)節(jié)裝置根據(jù)診斷系統(tǒng)模塊的分析結(jié)果和決策結(jié)合智能測控裝置的命令，對斷路器的操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變其運(yùn)動特性和最佳的動作時間，使斷路器處于最佳的性能。

3 智能斷路器的主要新技術(shù)部件及特點

3.1 采用現(xiàn)代先進(jìn)的傳感器技術(shù)

智能斷路器的機(jī)構(gòu)上安裝有先進(jìn)成熟特制的位移傳感器和專有的信號處理單元，對機(jī)械特性進(jìn)行在線檢測功能；采用高精度的霍爾傳感器對分、合閘線圈電流，儲能電機(jī)的電流進(jìn)行測量；采用遠(yuǎn)動傳感器和能量傳感器，對操作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對斷路器的行程監(jiān)測、合分速度的監(jiān)測，彈簧機(jī)構(gòu)彈簧壓縮狀態(tài)，傳動機(jī)構(gòu)和鎖扣部分工作的監(jiān)測；斷路器觸臂上安裝有六只精密的溫度監(jiān)測單元，其由懸浮取電CT、溫度測量電路和無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊構(gòu)成，傳感器將采集的信息轉(zhuǎn)換成能被識別處理的相應(yīng)信號，采用獨特先進(jìn)的無線通訊技術(shù)進(jìn)行高壓隔離和信號傳輸，利用其固有的絕緣性和抗電磁場干擾性及時、準(zhǔn)確、靈敏的把信息的變化及時傳送到斷路器面板上的顯示器。斷路器面板上的顯示器具有友好的人機(jī)可觸摸界面，可顯示每次分合閘后的分合閘位移波形，分合閘速度，分合閘時間，超程，開距，不同期等機(jī)械參數(shù)；能查看斷路器分、合閘線圈電流、儲能電機(jī)電流的完整電流波形曲線；可以實時查看斷路器梅花觸頭的運(yùn)行溫度參數(shù)等。

3.2 電動模塊

斷路器采用專用電機(jī)并配以離合器及錐齒輪實現(xiàn)底盤車進(jìn)出，并同時適用于手動、電動操作，接線模塊采用集成式線路板，電動模塊與接線模塊布置于底盤車車架內(nèi)，與底盤車構(gòu)成整體，安裝、維護(hù)和檢修方便。集成式線路板配有標(biāo)準(zhǔn)RS485通信接口，能實現(xiàn)斷路器電動進(jìn)車或退車，控制器具有過載離合和過程保護(hù)和手動優(yōu)先功能，安全性高。

3.3 斷路器的智能監(jiān)控系統(tǒng)

開關(guān)設(shè)備綜合監(jiān)測裝置以ARM系統(tǒng)為核心，采用多優(yōu)先級中斷服務(wù)機(jī)制，提高了控制的實時性。該裝置根據(jù)燃弧電流的大小及燃弧時間的長短，每次開斷電流的大小和次數(shù)分析推斷出觸頭的電磨損程度和磨損量；根據(jù)檢測到的分合閘機(jī)械波形，分合閘電磁鐵、儲能電機(jī)電流波形和在線溫度實時狀態(tài)；出對斷路器的狀態(tài)進(jìn)行綜合診斷，得出斷路器各個環(huán)節(jié)是否正常，絕緣狀態(tài)是否良好，對出現(xiàn)異常情況進(jìn)行報警、處理。裝置下級外置功能單元采用模塊化設(shè)計，各功能模塊相互獨立，由開關(guān)設(shè)備綜合監(jiān)測裝置統(tǒng)一管理和控制。各功能單元模塊分別實現(xiàn)各自信號的處理和測量，通過統(tǒng)一的通信總線接口與綜合監(jiān)測裝置連接并實現(xiàn)可靠通信，最終由綜合監(jiān)測裝置實時顯示各種測量參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，綜合監(jiān)測裝置具有大容量數(shù)據(jù)存儲及歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

3.4 強(qiáng)大的通訊功能

智能斷路器具有數(shù)字化接口，可收發(fā)GOOSE消息以實現(xiàn)開關(guān)控制、智能監(jiān)控系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485和以太網(wǎng)通訊接口，可通過MODBUS協(xié)議或IEC61850協(xié)議構(gòu)成分布式系統(tǒng)，向遠(yuǎn)程監(jiān)控終端實時傳輸數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)可通過USB接口讀取。

3.5 采用新一代材料

智能斷路器采用新一代的PT澆注式極柱材料，其性能在大部分方面優(yōu)于環(huán)氧樹脂極柱，堅固性、耐磨性、耐熱性、絕緣強(qiáng)度均優(yōu)于環(huán)氧樹脂，所以其可靠性、完全性更高、更綠色環(huán)保。智能斷路器的操作機(jī)構(gòu)采用一種全新的高可靠永磁操動機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)工作時只有一個主要運(yùn)動部件，無需機(jī)構(gòu)脫、鎖扣裝置，故障率低，可靠性高，且使用壽命長，可同時控制分合閘相位，實現(xiàn)同步控制，減少過電壓和涌流對系統(tǒng)的沖擊，提高電力系統(tǒng)的安全和整體的壽命。

4 智能斷路器的發(fā)展和意義

真空技術(shù)、滅弧室技術(shù)、新工藝、新材料及新操動技術(shù)的發(fā)展以及智能電網(wǎng)大背景下，促使真空斷路器向大容量、低過電壓、專用型、多功能、智能化方向發(fā)展。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。智能斷路器采用智能控制模塊，節(jié)省了大量二次電纜，提供電站二次系統(tǒng)可靠性和安全性、便于檢修。

傳統(tǒng)的重合閘只能進(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，實現(xiàn)自適應(yīng)自動重合閘，從而避免傳統(tǒng)重合閘只能重合一次的弊端。智能斷路器為實現(xiàn)智能變電站、構(gòu)建智能電網(wǎng)提供可靠的基礎(chǔ)設(shè)備，對提高電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有積極里程碑意義。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(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，需要更多的投入和研發(fā)。

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