基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓智能斷路器設(shè)計

蔣欣利，丁珊珊，江 碩，屈樂巖，周 寧，桑家琪

（國網(wǎng)浙江金華金東供電分公司，浙江 金華 321000）

0 引 言

在智能變電站中，斷路器的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場配電網(wǎng)絡(luò)與控制室中計算機的無線、遠程連接，以此使低壓配電體系具備遠程遙控、通信調(diào)度等眾多功能。在實際運行過程中，基于低壓智能配電站的運行需要，通過對現(xiàn)場進行監(jiān)控體系構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站的遠程監(jiān)控，以此在變電站中各類設(shè)備出現(xiàn)故障問題時第一時間作出響應(yīng)，并為后續(xù)運維策略的提出提供更充足的時間條件，促進了變電站的運行穩(wěn)定性和安全性提升。目前云服務(wù)器的應(yīng)用逐漸成熟，并且在功能上也不斷升級，應(yīng)用逐漸變得方便快捷，在這樣的發(fā)展趨勢下對斷路器也提出了更高的要求。而當前的斷路器在低壓智能變電站中應(yīng)用時，額定極限短路分斷能力、額定運行短路分斷能力較差，影響了變電站的運行安全[1]。因此，當前配電體系中亟需一種能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)融合的新智能斷路器。

基于此，本文選擇將GFM1Z系列的塑料外殼式斷路器作為研究對象，針對這一斷路器嘗試引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其設(shè)計研究。GFM1Z系列斷路器在運行過程中，其交流頻率為50 Hz，額定絕緣電壓為800 V。在實際運行中的工作電壓為400 V/690 V，額定工作電流最大可以達到630 A[2]。GFM1Z系列斷路器可采用垂直安裝方式或水平安裝方式，根據(jù)實際安裝位置的結(jié)構(gòu)需求自主選擇。在執(zhí)行過程中充分符合多項斷路器運行標準。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓智能斷路器設(shè)計

1.1 低壓智能斷路器基本結(jié)構(gòu)

低壓智能斷路器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中X-X和Y-Y為斷路器中心，3P、4P的寬度尺寸為斷路器本體與右側(cè)模塊寬度之和。

圖1 GFM1Z系列物聯(lián)型塑料外殼式斷路器基本結(jié)構(gòu)

在圖1結(jié)構(gòu)中，斷路器的核心結(jié)構(gòu)為脫扣裝置，該裝置的應(yīng)用能夠在斷路器出現(xiàn)異常運行狀態(tài)時，通過過載長延時、短延時等方式實現(xiàn)對其保護。在實際運行過程中，可以根據(jù)用戶的需要自行完成對脫扣裝置的安裝，達到理想的斷路器保護特性[3]。在斷路器當中脫扣裝置可分為兩種，一種為分勵脫扣，另一種為欠壓脫扣。通常情況下，脫扣應(yīng)安裝在A相線路上。在額定電壓為70%～100%時，脫扣裝置能夠輔助斷路器實現(xiàn)更可靠的脫扣動作[4]。為確保斷路器的穩(wěn)定運行，在其結(jié)構(gòu)中引入輔助觸頭，針對不同電流等級，對轉(zhuǎn)換觸頭分別進行設(shè)計。針對殼架等級電流在400 A及以上，可采用2組轉(zhuǎn)換觸頭；針對殼架等級電流在250 A及以下，可采用一組轉(zhuǎn)換觸頭。除此之外，電流在400 A及以上可根據(jù)用戶的實際需要，一組可安裝2對或4對觸頭[5]。輔助觸頭的約定發(fā)熱電流為3 A，交流400 V時的額定工作電流為0.30 A（額定電流小于或等于250 A時）和0.4 A（額定電流大于或等于400 A時）。圖2為斷路器輔助觸頭的連線。

圖2 斷路器輔助觸頭的連線

除輔助觸頭外，在斷路器上還設(shè)置一個報警觸頭。在斷路器處于“分”或“合”時，報警觸頭B11與B12相連；在斷路器處于“自由脫扣”時，報警觸頭B11與B14相連。報警觸頭在斷路器運行過程中約定發(fā)熱電流為3 A，在額定工作電壓為交流400 V，額定工作電流為0.3 A。圖3為斷路器報警觸頭接線。

圖3 斷路器報警觸頭接線

在斷路器正常運行狀態(tài)下，各個觸頭都不會做出動作，只有在發(fā)生自由脫扣或出現(xiàn)故障問題而跳閘時觸頭才會改變其原有的狀態(tài)。此時常開會轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，而閉合會變?yōu)榇蜷_狀態(tài)。待異常狀態(tài)消失后，斷路器自動扣合，此時觸頭也逐漸恢復到原始狀態(tài)和原始位置上[6]。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的斷路器功能設(shè)計

GFM1Z系列物聯(lián)型塑料外殼式斷路器具備電壓、電流、電量、功率等數(shù)據(jù)的采集和傳輸，在運行過程中，斷路器的電流精度通常小于0.5%，電壓精度通常小于0.5%，有功功率的測量精度小于1.0%，無功功率的測量精度小于2.0%。此外，本產(chǎn)品還具有HPLC通信模組藍牙和載波的遠程控制，可以讀取電壓、電流等參數(shù)。

通過以上設(shè)計，在該系列斷路器中新增加拓撲模塊，通過拓撲模塊識別功能可以實現(xiàn)產(chǎn)品的快速精準定位為整個電網(wǎng)運行的電量調(diào)配提供有利參考數(shù)據(jù)[7]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到該斷路器當中，使其具備保護功能、顯示功能、設(shè)置功能、查詢功能、控制功能、自檢功能、監(jiān)控記錄功能以及相關(guān)輔助功能。

斷路器的保護功能為：過壓保護、欠壓保護、斷相保護、短路短延時、瞬時保護、缺零保護以及電流不平衡保護等。

斷路器的顯示功能為：合閘狀態(tài)下自動輪顯當前額定電流值、當前時間、當前三相電壓參數(shù)以及當前三相電流等參數(shù)。

設(shè)置和查詢功能為：通過點擊斷路器上的“過壓”“欠壓”“缺相”等功能的開啟鍵和關(guān)閉鍵實現(xiàn)對各項運行參數(shù)的設(shè)置，并對當前斷路器的運行參數(shù)進行查詢。同時，通過按鍵也可以實現(xiàn)對斷路器額定電壓和額定電流的設(shè)定，避免斷路器在運行過程中出現(xiàn)超過標準電壓或電流的問題產(chǎn)生，提高斷路器自身的運行穩(wěn)定性。

控制功能為：利用斷路器上的按鍵，實現(xiàn)對現(xiàn)場跳閘的控制，或通過遠程操作設(shè)定分閘時間。

自檢功能為：具有遠程試跳、定時試跳等自檢功能。

監(jiān)控記錄功能為：可記錄超過30天的三相電壓、電流運行數(shù)據(jù)，同時在記錄過程中可以對三相電壓或電流的最小值、最大值等進行標記。

輔助功能為：引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配備拔插式電能表載波通信掛包，為斷路器的遠程通信傳輸提供多種通信協(xié)議，并實現(xiàn)通信功能的建立，對參數(shù)進行遠程調(diào)節(jié)，對運行過程中產(chǎn)生的信息進行查詢、下載和存儲等。

1.3 操作流程說明

在斷路器的操作面板上包含4個按鍵，分別為“菜單”“返回”“移位”和“遞增”。除上述按鍵對應(yīng)的各個功能以外，若同時按下某兩個鍵還會自動觸發(fā)快捷模式，在實際應(yīng)用中各個按鍵操作分別對應(yīng)下述內(nèi)容。

“菜單”：進入菜單查詢界面，進入菜單中可確定。

“返回”：退出菜單回到主界面，長按可設(shè)置功能全開啟、關(guān)閉、恢復出廠設(shè)置以及按確定鍵分閘。

“遞增”：主界面中可輪顯界面信息，進入菜單中可遞增。

“移位”：可快速進入?yún)?shù)設(shè)置界面。進入菜單中可移位。進入功能開啟、關(guān)閉、界面，按“移位”或“遞增”鍵在開啟關(guān)閉或告警之間切換。在斷路器的保護裝置處于正常的運行狀態(tài)中時，其顯示為合閘運行，如圖4所示。

圖4 斷路器保護器運行顯示

當斷路器的保護裝置轉(zhuǎn)變?yōu)榉珠l狀態(tài)時，此時其顯示界面上會自動跳出跳閘的信息，并將此時斷路器運行狀態(tài)同步顯示，得到如圖5所示的顯示效果。

圖5 斷路器保護器跳閘信息顯示

當?shù)蛪褐悄茏冸娬局腥我庖粋€設(shè)備連接線路的電流超出了設(shè)定的安全額定電流數(shù)值，并且數(shù)值超出1.2倍及以上時，此時斷路器當中的保護裝置會自動顯示存在異常，并將過載的參數(shù)進行具體顯示，過載延時。

“返回”：返回到系統(tǒng)主界面；退出上一個設(shè)置的狀態(tài)或查詢狀態(tài)，并自動恢復到斷路器在跳閘后的停顯狀態(tài)。

“菜單”：可用于進入菜單界面，在界面當中完成對各項運行參數(shù)的設(shè)置和對用戶賬號密碼的輸入。進入菜單后，在閘位信息記錄中，按“移位”“遞增”鍵，可以實現(xiàn)對斷路器在最近幾次跳閘情況的具體信息進行查詢。進入菜單，選中跳閘次數(shù)，并自動跳轉(zhuǎn)到對調(diào)差次數(shù)的查詢狀態(tài)當中。在完成查詢后將得到的查詢結(jié)果顯示在顯示界面當中，以此實現(xiàn)對斷路器運行情況的可視化呈現(xiàn)。

2 斷路器應(yīng)用性能對比

在上述論述基礎(chǔ)上，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一種全新的低壓智能斷路器。為了探究新的斷路器應(yīng)用效果以及應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后斷路器的性能變化，將新的斷路器設(shè)置為實驗組，將基于變分模態(tài)分解（Variational Mode Decomposition，VMD）的斷路器作為對照組。將兩種斷路器應(yīng)用到相同的運行環(huán)境當中，針對斷路器在運行過程中不同工作電壓時處于額定極限狀態(tài)中的短路分斷能力、運行狀態(tài)下的短路分斷能力進行探究。

已知兩種斷路器的極數(shù)均為3P+N、4P，額定工作電壓均為交流400/690 V，額定沖擊耐受電壓均為8 000 V，飛弧距離均小于100 mm。在確保兩種斷路器應(yīng)用環(huán)境及周圍干擾因素均相同的情況下，同時開始運行，并在這一過程中記錄本文設(shè)計的斷路器與對照組斷路器額定極限短路分斷能力、額定運行短路分斷能力等各項性能比較，并得到如表1所示的實驗結(jié)果。

表1 實驗組與對照組斷路器應(yīng)用性能對比表（單位：kA）

表1中性能A表示為額定極限短路分斷能力，性能B表示為額定運行短路分斷能力。從表1中得到的實驗數(shù)據(jù)可以看出，在兩種不同的工作電壓條件下，實驗組斷路器無論是額定極限短路分斷能力還是額定運行短路分斷能力的表現(xiàn)均優(yōu)于對照組斷路器，具備更優(yōu)的綜合性能應(yīng)用優(yōu)勢。

通過上述得出的實驗結(jié)果能夠證明，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，低壓智能斷路器的綜合能力得到明顯提升，在實際應(yīng)用中具有更理想的應(yīng)用效果。同時，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的斷路器在實際應(yīng)用中用戶不需要額外購買監(jiān)控設(shè)備以及對監(jiān)控設(shè)備的現(xiàn)場總線敷設(shè)，能夠充分節(jié)省開支。同時，通過物聯(lián)網(wǎng)上的云服務(wù)器可以實現(xiàn)斷路器的聯(lián)網(wǎng)，不需要對各個程序進行調(diào)試，整個安裝過程消耗的時間更短，并進一步大幅降低成本支出。

3 結(jié) 論

在斷路器當中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對于提升斷路器整體性能具有十分重要的積極作用。通過本文論述，實現(xiàn)了對這一論點的驗證，并提出了一種全新的斷路器設(shè)計思路。同時，通過研究得出，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，在斷路器運行過程中能夠充分體現(xiàn)其數(shù)字化優(yōu)勢，進而促進整個低壓配電體系向著智能化的方向發(fā)展。