10kV智能化断路器的研究及发展趋势

陈成周

摘 要：智能化断路器是电气一次设备智能化基础，智能电网中的关键元件，是构建智能电网的基础设备。作者综述了智能化断路器的基本原理和技术特点，涉及到集成智能控制、新型传感技术、网络技术等。

关键词：智能断路器；智能控制；传感技术；智能调节装置

国网公司为落实网架坚强、广泛互联、高度智能、开放互动的能源互联网全面建设阶段工作任务，稳步推进智能电网项目建设， 2015年发布智能电网项目建设意见，智能电网投资重点是智能变电站的改造升级或新建。智能变电站的最基本、首要条件是智能化电气设备——智能化断路器，智能化断路器是今后发展的大势所趋。

1 智能断路器的介绍

智能断路器采用现代微电子数字技术、自动化控制技术和新型传感器、信息传输技术建立起来的新型断路器二次系统。其主要特点是由电力电子技术、数字化控制装置组成控制单元，代替由常规辅助开关、继电器组成的控制回路，实现操动机构的可控操动，机械系统可靠性大大提高。可按电压波形控制断路器分合闸角度，精确控制分合闸过程的时间，减少瞬时过电压幅值。新型传感器与数字化控制装置相配合，独立采集运行数据，可自动识别断路器的工作状态、自动调整断路器的操动机构、记录并显示断路器的工作状态，可检测设备缺陷和故障，在缺陷变为故障之前发出报警信号，以便采取措施避免事故发生。断路器操作所需的各种信息由装在断路器设备内的数字化控制装置直接处理，并独立执行当地功能，而不依赖于变电站级的控制系统。

同传统断路器相比，它具有常规真空断路器通用功能外，还具备有感知功能、思维判断功能和执行功能。智能断路器采用智能控制单元，以微处理机为核心部件，综合应用传感技术、光电转换技术、数字控制技术、微电子技术和信息技术等多种现代技术，采用模块化结构，完全突破了传统断路器的许多不足，集保护、测量、监控于一体，具有人机对话显示功能，集存储、记忆、逻辑分析、判断和选择、以及网络通信等功能；具有完善的在线机械特性检测，分合闸电磁铁和储能电机电流波形测量，温升测量，并据此进行机构状态监测、诊断、报警、通信、数据记录，显著提高和保证断路器系统的智能化。

2 智能断路器的工作原理和工作方式

智能断路器的核心部件是智能控制单元，主要由智能诊断模块、温度监测模块、机械特性模块、电动底盘控制模块、智能调节装置等组成。温度监测模块由新型传感器把断路器触头的温度实时传给后台监控，方便管理人员了解断路器的运行情况；电动底盘控制模块把断路器底盘位置情况实时发生给监控系统，以便管理人员对断路器进行远程操控，机械特性模块把断路器的实时数据以数字信号的型式传给诊断模块，诊断模块对机械特性模块所发生的数据进行分析处理并把分析结果发送给操作管理人员；智能调节装置根据诊断系统模块的分析结果和决策结合智能测控装置的命令，对断路器的操作机构进行调节，从而改变其运动特性和最佳的动作时间，使断路器处于最佳的性能。

3 智能断路器的主要新技术部件及特点

3.1 采用现代先进的传感器技术

智能断路器的机构上安装有先进成熟特制的位移传感器和专有的信号处理单元，对机械特性进行在线检测功能；采用高精度的霍尔传感器对分、合闸线圈电流，储能电机的电流进行测量；采用远动传感器和能量传感器，对操作机构的状态进行监控，对断路器的行程监测、合分速度的监测，弹簧机构弹簧压缩状态，传动机构和锁扣部分工作的监测；断路器触臂上安装有六只精密的温度监测单元，其由悬浮取电CT、温度测量电路和無线数据发送模块构成，传感器将采集的信息转换成能被识别处理的相应信号，采用独特先进的无线通讯技术进行高压隔离和信号传输，利用其固有的绝缘性和抗电磁场干扰性及时、准确、灵敏的把信息的变化及时传送到断路器面板上的显示器。断路器面板上的显示器具有友好的人机可触摸界面，可显示每次分合闸后的分合闸位移波形，分合闸速度，分合闸时间，超程，开距，不同期等机械参数；能查看断路器分、合闸线圈电流、储能电机电流的完整电流波形曲线；可以实时查看断路器梅花触头的运行温度参数等。

3.2 电动模块

断路器采用专用电机并配以离合器及锥齿轮实现底盘车进出，并同时适用于手动、电动操作，接线模块采用集成式线路板，电动模块与接线模块布置于底盘车车架内，与底盘车构成整体，安装、维护和检修方便。集成式线路板配有标准RS485通信接口，能实现断路器电动进车或退车，控制器具有过载离合和过程保护和手动优先功能，安全性高。

3.3 断路器的智能监控系统

开关设备综合监测装置以ARM系统为核心，采用多优先级中断服务机制，提高了控制的实时性。该装置根据燃弧电流的大小及燃弧时间的长短，每次开断电流的大小和次数分析推断出触头的电磨损程度和磨损量；根据检测到的分合闸机械波形，分合闸电磁铁、储能电机电流波形和在线温度实时状态；出对断路器的状态进行综合诊断，得出断路器各个环节是否正常，绝缘状态是否良好，对出现异常情况进行报警、处理。装置下级外置功能单元采用模块化设计，各功能模块相互独立，由开关设备综合监测装置统一管理和控制。各功能单元模块分别实现各自信号的处理和测量，通过统一的通信总线接口与综合监测装置连接并实现可靠通信，最终由综合监测装置实时显示各种测量参数和设备运行状态，综合监测装置具有大容量数据存储及历史数据查询功能。

3.4 强大的通讯功能

智能断路器具有数字化接口，可收发GOOSE消息以实现开关控制、智能监控系统采用国际标准的通讯接口，具有标准的RS485和以太网通讯接口，可通过MODBUS协议或IEC61850协议构成分布式系统，向远程监控终端实时传输数据，所有数据可通过USB接口读取。

3.5 采用新一代材料

智能断路器采用新一代的PT浇注式极柱材料，其性能在大部分方面优于环氧树脂极柱，坚固性、耐磨性、耐热性、绝缘强度均优于环氧树脂，所以其可靠性、完全性更高、更绿色环保。智能断路器的操作机构采用一种全新的高可靠永磁操动机构，该机构工作时只有一个主要运动部件，无需机构脱、锁扣装置，故障率低，可靠性高，且使用寿命长，可同时控制分合闸相位，实现同步控制，减少过电压和涌流对系统的冲击，提高电力系统的安全和整体的寿命。

4 智能断路器的发展和意义

真空技术、灭弧室技术、新工艺、新材料及新操动技术的发展以及智能电网大背景下，促使真空断路器向大容量、低过电压、专用型、多功能、智能化方向发展。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，从而提高断路器的使用寿命，在工程上达到较好的经济效益和社会效益。智能断路器采用智能控制模块，节省了大量二次电缆，提供电站二次系统可靠性和安全性、便于检修。

传统的重合闸只能进行一次，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，从而避免传统重合闸只能重合一次的弊端。智能断路器为实现智能变电站、构建智能电网提供可靠的基础设备，对提高电网安全、稳定运行具有积极里程碑意义。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发展，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，需要更多的投入和研发。

参考文献

[1]刘宝忠，王永清.智能断路器的现状与发展[J].CEPE中国电力教育，2010（10）.

[2]戚振军.论数字变电站自动化系统发展趋势[J].广东科技，2008（7）.