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1、智能断路器工作原理及技术特点 摘要：智能断路器具有数字化的接口，可以将位置信息、状态信息、 分合闸命令通过网络方式传输。本文介绍了智能断路器根本原理、工 作模式和工作过程。和传统的断路器相比拟，智能断路器有着其自身 的优点。随着各项技术的开展和各种产品的研发，智能断路器将逐步 进入实用化阶段。随着我国电网建立的快速开展，数字化变电站成为建立和研究的热 点。数字化变电站的核心在于一次设备的智能化与二次设备的网络 化。对于断路器这种极其重要的电力一次设备而言，其智能化的实现 有十分重要的意义。断路器智能化在于运行状态实时监测，通断准确， 智能控制和信息传递网络化等。随着电力电子技术和自动控制理论的
2、 广泛应用，计算机与网络通信技术的飞速开展，以及对传感器技术和 人工智能的深入研究和综合应用，智能断路器的功能得到了极大的扩 展和完善。一、什么是智能断路器 断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器，上下压界限划分 比拟模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。 低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进 展失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频 繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生 严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于 熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般 不需要变更零部件，己获得了
3、广泛的应用。高压断路器（或称高压开关）是变电所主要的电力控制设备，具有灭弧 特性，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空 载和负载电流;当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断 故障电流，以防止扩大事故范围.因此，高压断路器工作的好坏，直 接影响到电力系统的平安运行。 随着国民经济的开展，技术的 不断进步，无论是工业生产还是日常生活都对电力系统的供电质量提 出了越来越高的要求:能够实现不连续供电，即使断电也必须要求断 电时间尽可能的短，停电范围尽可能的小。这就要求供电系统具有比 拟高的自动化程度和智能化水平，当电力系统出现一些故障时系统中 的智能保护设备能及时识别故障类型
4、，快速切除系统中的故障局部， 防止故障进一步扩大，使整个系统能够正常运行。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。 当继电保护或控制装置发出外部跳闸指令，当指令到达断路器时，断 路器的控制装置确定断路器是否做好执行分合操作的准备，如果好了 则控制装置负责完成该指令操作，反之，如果断路器没做好准备，则 控制装置闭锁所要求的操作，断路器就不能完成相应的指令操作。为 此断路器需要相应的控制监视回路，如气体密度、断路器的分合位置 等。此外要求控制回路监视反映断路器运行状态的关键参数，如果这 些参数有改变就会
5、闭锁该断路器使之不允许动作，并向运行值班人员 发出警告，以便运行人员及时采取行动。以龙口市供电公司的变电站 为例，一般的 10kV 或 35kV 出线开关柜的二次回路中，断路器的分 合位置和弹簧储能是否完成是最主要的监视回路。 现在的高压断路器种类很多，可分为:油断路器（多油断路器、少油断 路器）、六氟化硫断路器（SF6断路器）、真空断路器、压缩空气断路器 等。我们公司目前最多的是真空断路器和SF6断路器，龙口境内的有 些变电站使用GIS组合电器。GIS组合电器是将断路器、隔离开关和 接地刀闸、常规 TA 和 TV 以及母线组合在一个 SF6 绝缘的密封壳体 内，实现变电站的紧凑化，但其制造本
6、钱高，多用于土地价格昂贵或 空间有限的变电站。国际大电网组织通过调查认为在今后一、二十年 内，SF6断路器和GIS将继续是高压断路器设备的主流。在 IEC62063 标准中对于智能断路器设备的定义为:具有较高性能的断 路器和控制设备，配有电子设备、传感器和执行器，不仅具有断路器 的根本功能，还具有附加功能，尤其在检测和诊断方面。智能断路器实现电子操动，变机械能为电容储能，变机械传动为变频 器经电机直接驱动，机械运动部件减少到一个，机械系统的可靠性提 高，智能断路器具有数字化的接口，可以将位置信息、状态信息、分 合闸命令通过网络方式传输。控制回路中电子电路的寿命、可靠性将 成为智能断路器技术工程
7、化应用的关键。二、智能断路器工作原理与工作模式 智能断路器是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器二 次系统。其主要特点是由电力电了技术、数字化控制装置组成执行单 元，代替常规机械构造的辅助开关和辅助继电器。新型传感器与数字 化控制装置相配合，独立采集运行数据，可检测设备缺陷和故障，在 缺陷变为故障前发出报警信号，以便采取措施防止事故发生。智能断 路器实现电子操动，变机械储能为电容储能，变机械传动为变频器经 电机直接驱动，机械系统可靠性提高。在目前阶段，智能断路器得到了相应的开展，具有智能操作功能的断 路器是在现有断路器的根底上引入智能控制单元，它由数据采集、智 能识别和调节装置3 个
8、根本模块构成。工作原理见图1，图中实线局 部为现有断路器和变电站的有关构造和相互关联。智能识别模块是智 能控制单元的核心，由微处理器构成的微机控制系统，能根据操作前 所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，自动地识别操作时 断路器所处的电网工作状态，根据对断路器仿真分析的结果断定出适 宜的分合闸运动特性，并对执行机构发出调节信息，待调节完成后再 发出分合闸信号;数据采集模块主要由新型传感器组成，随时把电网 的数据以数字信号的形式提供应智能识别模块，以进展处理分析 ;执 行机构由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，用来调整操 动机构的参数，以便改变每次操作时的运动特性。此外，还可根据需
9、 要加装显示模块、通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作断路 器的智能化功能。智能断路器根本工作模式是根据监测到的不同故障电流，自动选择操 作机构及灭弧室预先设定的工作条件，如正常运行电流较小时以较低 速度分闸，系统短路电流较大时以较高速度分闸，以获得电气和机械 性能上的最正确分闸效果。这种智能操作要求断路器具有机构动作时间上的可控性，目前断路器 常用的气动操作机构，液压操作机构和弹簧操作机构由于中间转换介 质等因素，控制时间离散性大，其运动特性很难到达理想的可控状态。 采取电磁操作机构的断路器利用电容储能、永磁保持、电磁驱动、电 子控制等技术，当机构确定后运动部件只有一个，没有中间转换介质
10、， 分合闸特性仅与线圈参数相关，可以通过微电子技术来实现微秒级的 控制，通过对于速度特性控制实现断路器的智能化操作。智能操作断路器的工作过程是:当系统故障由继电保护装置发出分闸 信号或由操作人员发出操作信号后，首先启动智能识别模块工作，判 断当前断路器所处的工作条件，对调节装置发出不同的定量控制信息 而自动调整操动机构的参数，以获得与当前系统工作状态相适应的运 动特性，然后使断路器动作。三、智能断路器技术的优点 和传统的断路器相比拟，智能断路器有着其自身的优点: 1、采用智能断路器技术后，对于非故障性的操作，断路器都可以在 较低的速度下断开，减少断路器断开时的冲击力和机械磨损，从而提 高断路器
11、的使用寿命，在工程上到达较好的经济效益和社会效 益。 2、采用智能断路器技术可以实现有关高压开关设备的检 测、保护、控制和通信等智能化功能。 3、传统的重合闸采用 重合闸继电器，正常运行时，重合闸继电器的电容进展充电，当发生 故障断路器断开后，电容进展瞬间放电从而到达重合目的，当重合于 故障时，由于电容未再进展充电，因此重合闸只能进展一次。采用智 能断路器技术后有可能改变目前的试探性自动重合闸的工作方式，实 现自适应自动重合闸，即做到在短路故障开断后，如故障仍存在则拒 绝重合闸，只有当故障消失后才进展重合。采用智能技术后就会防止 传统重合闸只能重合一次的弊端。4、实现定相合闸，降低合闸操作过电
12、压，取消合闸电阻，进一步提 高可靠性;实现选相分闸，控制实际燃弧时间，使断路器起弧时间控 制在最有利于燃弧的相位角，不受系统燃弧时差要求限制，从而提高 断路器实际开断能力。随着微机技术、微电子技术、计算机网络和数字通信技术的飞速开展， 以及人工智能技术在产品研发和研究领域的应用，能断路器将会从简 单的采用微机控制取代传统继电器功能的单一封闭装置，开展到具有 完整的理论体系和多学科穿插的电器智能化系统，成为电气工程领域 中电力开关设备、电力系统继电保护、工业供配系统及工业控制网络 技术新的开展方向。四、智能断路器技术进步 智能断路器已将计量、控制及通信等功能融于一体，使电力设备的模 块化、系统化
13、成为可能。微控制器技术的不断开展又为智能断路器功 能的多样化，可靠性的提高，性能优化提供了技术保障。智能断路器 的核心是智能控制器，其性能的上下是判断智能断路器是否先进的主 要依据。自20 世纪 70 年代开场出现了智能控制器，随着各项技术的 广泛应用和开展，如微电子、计算机技术、网络通信技术和新型传感 器技术的快速开展和综合应用，使得智能控制器出现了突飞猛进的开 展。作为智能断路器技术的补充，断路器智能监视和控制技术得到了 相应的开展并在工程上得到广泛的利用。近年来国内外制造商陆续推出了智能断路器的相关技术，国外公司有 ABB 高 压 技 术 公 司 推 出 了 插 接 式 开 关 系 统
14、PASS(Plug&Switch System),采用了智能化传感器技术和微处理器 技术，通过数字通信实现对设备的在线监测、诊断、过程监视和站内 计算机监控。全部采用智能化PASS系统的澳大利亚275kv Blackwall 变电站和 Braemar 变电站分别己于 1999 年和 2000 年投入运行。另 外 还 有 日 本 三 菱 电 机 开 发 的 550kV 智 能 化 开 关 产 品 MITS(Mitsubishi Information Technology Switehgear) 以及 西 门子公司的HIS(Highly Integrated Switchgear)。由南瑞继保、
15、四方 提供配套二次保护控制设备的MITS系统在*500kV西江变电站进展 运行试验。国内公司的有*天鹰集团的ZFII-252kV GIS，状态监控 系统集成了传感器技术、PLC技术、计算机技术、检测技术、网络技 术和通信技术等，实现了 GIS产品内部电器元件，特别是是对其中断 路器及其操作机构局部的状态监测，通过对各种参数的采集和结果的 分析处理，完成状态信息和分析结果的显示以及相应的控制操作。该 系统已经在*大关变电站应用。此外南瑞继保 PCS-9820A 智能控制 装置和 CZ*-12RI 型操作继电器也可组成智能断路器操作系统。断路 器智能化是一项更新换代的工作，它涉及到很多领域的技术进步和创 新开展，如传感技术、微电子技术、计算机技术、信息技术以及断路 器本身及操动机构等方面，需要更多的投入和开发。因此，随着各项 技术的开展和各种产品的研发，智能断路器将逐步进入实用化阶段
