10kV智能化斷路器的研究及發展趨勢

陳成周

摘 要：智能化斷路器是電氣一次設備智能化基礎，智能電網中的關鍵元件，是構建智能電網的基礎設備。作者綜述了智能化斷路器的基本原理和技術特點，涉及到集成智能控制、新型傳感技術、網絡技術等。

關鍵詞：智能斷路器；智能控制；傳感技術；智能調節裝置

國網公司為落實網架堅強、廣泛互聯、高度智能、開放互動的能源互聯網全面建設階段工作任務，穩步推進智能電網項目建設， 2015年發布智能電網項目建設意見，智能電網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備——智能化斷路器，智能化斷路器是今后發展的大勢所趨。

1 智能斷路器的介紹

智能斷路器采用現代微電子數字技術、自動化控制技術和新型傳感器、信息傳輸技術建立起來的新型斷路器二次系統。其主要特點是由電力電子技術、數字化控制裝置組成控制單元，代替由常規輔助開關、繼電器組成的控制回路，實現操動機構的可控操動，機械系統可靠性大大提高。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。新型傳感器與數字化控制裝置相配合，獨立采集運行數據，可自動識別斷路器的工作狀態、自動調整斷路器的操動機構、記錄并顯示斷路器的工作狀態，可檢測設備缺陷和故障，在缺陷變為故障之前發出報警信號，以便采取措施避免事故發生。斷路器操作所需的各種信息由裝在斷路器設備內的數字化控制裝置直接處理，并獨立執行當地功能，而不依賴于變電站級的控制系統。

同傳統斷路器相比，它具有常規真空斷路器通用功能外，還具備有感知功能、思維判斷功能和執行功能。智能斷路器采用智能控制單元，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，采用模塊化結構，完全突破了傳統斷路器的許多不足，集保護、測量、監控于一體，具有人機對話顯示功能，集存儲、記憶、邏輯分析、判斷和選擇、以及網絡通信等功能；具有完善的在線機械特性檢測，分合閘電磁鐵和儲能電機電流波形測量，溫升測量，并據此進行機構狀態監測、診斷、報警、通信、數據記錄，顯著提高和保證斷路器系統的智能化。

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、溫度監測模塊、機械特性模塊、電動底盤控制模塊、智能調節裝置等組成。溫度監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控，方便管理人員了解斷路器的運行情況；電動底盤控制模塊把斷路器底盤位置情況實時發生給監控系統，以便管理人員對斷路器進行遠程操控，機械特性模塊把斷路器的實時數據以數字信號的型式傳給診斷模塊，診斷模塊對機械特性模塊所發生的數據進行分析處理并把分析結果發送給操作管理人員；智能調節裝置根據診斷系統模塊的分析結果和決策結合智能測控裝置的命令，對斷路器的操作機構進行調節，從而改變其運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部件及特點

3.1 采用現代先進的傳感器技術

智能斷路器的機構上安裝有先進成熟特制的位移傳感器和專有的信號處理單元，對機械特性進行在線檢測功能；采用高精度的霍爾傳感器對分、合閘線圈電流，儲能電機的電流進行測量；采用遠動傳感器和能量傳感器，對操作機構的狀態進行監控，對斷路器的行程監測、合分速度的監測，彈簧機構彈簧壓縮狀態，傳動機構和鎖扣部分工作的監測；斷路器觸臂上安裝有六只精密的溫度監測單元，其由懸浮取電CT、溫度測量電路和無線數據發送模塊構成，傳感器將采集的信息轉換成能被識別處理的相應信號，采用獨特先進的無線通訊技術進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，不同期等機械參數；能查看斷路器分、合閘線圈電流、儲能電機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行溫度參數等。

3.2 電動模塊

斷路器采用專用電機并配以離合器及錐齒輪實現底盤車進出，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，與底盤車構成整體，安裝、維護和檢修方便。集成式線路板配有標準RS485通信接口，能實現斷路器電動進車或退車，控制器具有過載離合和過程保護和手動優先功能，安全性高。

3.3 斷路器的智能監控系統

開關設備綜合監測裝置以ARM系統為核心，采用多優先級中斷服務機制，提高了控制的實時性。該裝置根據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分析推斷出觸頭的電磨損程度和磨損量；根據檢測到的分合閘機械波形，分合閘電磁鐵、儲能電機電流波形和在線溫度實時狀態；出對斷路器的狀態進行綜合診斷，得出斷路器各個環節是否正常，絕緣狀態是否良好，對出現異常情況進行報警、處理。裝置下級外置功能單元采用模塊化設計，各功能模塊相互獨立，由開關設備綜合監測裝置統一管理和控制。各功能單元模塊分別實現各自信號的處理和測量，通過統一的通信總線接口與綜合監測裝置連接并實現可靠通信，最終由綜合監測裝置實時顯示各種測量參數和設備運行狀態，綜合監測裝置具有大容量數據存儲及歷史數據查詢功能。

3.4 強大的通訊功能

智能斷路器具有數字化接口，可收發GOOSE消息以實現開關控制、智能監控系統采用國際標準的通訊接口，具有標準的RS485和以太網通訊接口，可通過MODBUS協議或IEC61850協議構成分布式系統，向遠程監控終端實時傳輸數據，所有數據可通過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于環氧樹脂極柱，堅固性、耐磨性、耐熱性、絕緣強度均優于環氧樹脂，所以其可靠性、完全性更高、更綠色環保。智能斷路器的操作機構采用一種全新的高可靠永磁操動機構，該機構工作時只有一個主要運動部件，無需機構脫、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，實現同步控制，減少過電壓和涌流對系統的沖擊，提高電力系統的安全和整體的壽命。

4 智能斷路器的發展和意義

真空技術、滅弧室技術、新工藝、新材料及新操動技術的發展以及智能電網大背景下，促使真空斷路器向大容量、低過電壓、專用型、多功能、智能化方向發展。采用智能斷路器技術后，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濟效益和社會效益。智能斷路器采用智能控制模塊，節省了大量二次電纜，提供電站二次系統可靠性和安全性、便于檢修。

傳統的重合閘只能進行一次，采用智能斷路器技術后有可能改變目前的試探性自動重合閘的工作方式，實現自適應自動重合閘，從而避免傳統重合閘只能重合一次的弊端。智能斷路器為實現智能變電站、構建智能電網提供可靠的基礎設備，對提高電網安全、穩定運行具有積極里程碑意義。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，需要更多的投入和研發。

參考文獻

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