CW 系列万能式断路器智能配电技术新发展

管瑞良, 殷建强

(常熟开关制造有限公司(原常熟开关厂),常熟 215500)

0 引言

笔者所在单位致力于提升万能式断路器服务于智能配电系统的能力,经过近25 年的研究和发展,CW 系列万能式断路器的智能化性能大大提升,尤其体现在CW3 和CW6 系列万能式断路器上,不仅提升了原有的保护功能的性能,而且扩展了丰富的多种保护功能。 在此基础上,加强了在综合能效管理、精益运维、数字化、可通信等方面的功能开发,以满足日益提升的智能配电系统集成化、紧凑化、高智能的需要。

1 智能保护的多样化

电流保护是配电保护的基础,CW3、CW6 系列万能式断路器在传统的电流保护基础上为适应配电系统的变化完善了电流保护功能,具体如下。

1.1 长延时曲线斜率可调的保护

通常,低压空气断路器都提供长延时过载保护和短路保护,且长延时过载保护仅提供标准的I2t 曲线,其通过调整长延时整定时间改变长延时保护曲线。 由于长延时保护曲线斜率固定,容易与上级中压熔断器的保护曲线重合,导致重合部分无选择性。 为此,CW 系列断路器除提供通用的I2t 长延时过载保护功能外,还提供具有符合IEC 60255-3 的长延时曲线斜率可调的IDMTL(Inverse Definite Minimum Time Lag) 保护功能,确保上下级断路器的选择性,避免越级跳闸。 其通用反时限I2t、非常反时限(It)和高压熔丝配合(I4t)长延时过载保护曲线,公式如式(1)～(3)。

式(1)～(3)中:t 为断路器实际动作时间,Ir1为过载长延时保护动作电流整定值,t1为长延时保护动作时间整定值,I 为实际电流。

在城、农网常见的配电系统设计中,10/0.4kV单台变压器上侧常采用中压熔断器作为保护装置。中压熔断器的保护曲线要比通用长延时I2t 保护曲线陡,如图1 所示,通用长延时保护曲线就会和中压熔断器保护曲线重合,出现越级熔断中压熔断器。若CW 系列断路器的过载长延时保护曲线调整为高压熔丝配合(I4t)保护曲线,则斜率增大,实现了与中压熔断器的特性匹配,提高了供电可靠性和连续性。

图1 通用长延时保护曲线就会和中压熔断器保护曲线

1.2 双重参数保护

CW 系列断路器智能控制器能够设置2 组不同的保护参数,在电源切换时内置的I/O 模块通过接收外部切换信号,快速地将电源切换信息传递给智能控制器,智能控制器立即将原先的一组保护设置参数切换成另外一组保护设置参数,满足电源切换后上下级断路器之间的选择性,例如当有两路电源进线(电网/发电机)时,见图2。

图2 有两路电源进线示意图

在正常的安装运行条件下断路器CB4 与电源1 侧的断路器CB1 具有选择性。 当从电源1 切换至电源2 对负载进行供电时,由于用来保护电源2 中发电机G 的断路器CB2 设定脱扣时间比断路器 CB1 要短,所以断路器CB4 的保护设定值不能保证与断路器 CB2 之间的选择性,见图3-a。 当CB4 为带有双重参数保护功能的CW 系列断路器时,可以把CB4 从一组与CB1 之间有选择性的保护参数值切换到能与CB2 之间具有选择性的另外一组保护参数值,见图3-b。

图3 断路器的选择

1.3 电流方向性保护与方向性区域选择性联锁保护

太阳能、风能等分布式可再生能源发电的发展使传统的“单电源-辐射式”的拓扑结构发生了改变。 为此CW 系列断路器增加了电流方向性保护技术。

在多侧电源供电发生短路故障时,可以区分故障发生在保护安装处的哪一侧,对故障电流的方向进行了判断,从而提高断路器保护的选择性。 同时,要在多电源系统中实现完全的选择性保护,还需要通过断路器之间的实时通信才能实现选择性保护,也就是需要将方向性保护与区域选择性联锁功能(ZSI,Zone Selective Interlocking)两种技术相结合,形成方向性区域选择性联锁保护功能。

通过断路器智能控制器电流方向性保护默认设定电源供电电流的参考方向为上进下出,若故障电流的流向与参考方向一致(即正向),则动作时间为t5F;若故障电流的流向与参考方向相反(即反向),则动作时间为t5B,具体见下表1。

具有方向性区域选择性联锁保护功能的CW 系列断路器具有两个输入信号端口(正向/反向),断路器可通过它们接收从其他断路器发出的闭锁信号;两个输出信号端口(正向/反向),向其他断路器发出闭锁信号。 当断路器没有接到闭锁信号时将根据故障电流方向立即分断,若接到闭锁信号时则根据故障电流方向在“正向”或“反向”设定时间内分断。 如果短路电流超过设定值Ir3(瞬时故障电流设定值),断路器将不受接收信号和方向的限制立即分断。 方向性ZSI 的优点体现在:(1)继承了方向性保护的优点。 通过对短路潮流方向的判断,自然地形成越靠近短路点的断路器越优先动作的结果,最大限度减小了停电范围;(2)继承ZSI 保护的优点。 短路保护延时时间不随断路器级联数增加,有效解决因阶梯延时的弊端——近电源端故障不能被快速切除,造成故障持续时间增长。

方向性保护动作参数 表1

以下介绍方向性区域选择性联锁保护在微网中的一个典型应用,示意如图4。

短路故障发生在A 点(见图4),CB1 优先断开。CB1、CB2、CB3 均带有方向性区域选择性联锁保护功能,CB1 中的实际电流方向与设置的电流参考方向相反,CB2 中的实际电流方向与设置的电流参考方向一致,CB3 中的实际电流方向与设置的电流参考方向相反,CB1 的方向性ZSI 反向输出信号端就会向CB2 的方向性ZSI 正向输入信号端和CB3 的方向性ZSI 反向输入信号端发出闭锁信号,同时CB1 将快速断开,CB2 与CB3 将按设定的正向或反向延时时间处理。 同样,当短路故障发生在B 点时CB2 优先断开,当短路故障发生在C 点时CB3 优先断开,不再详述。

CW3、CW6 系列万能式断路器在完善电流保护的基础上,通过增加电压测量和精确的电压计算,实现电压保护、功率保护和频率保护等全方位的保护,具体如下。

(1)电压保护,包括过/低电压保护、电压不平衡保护、相序保护。

1)过/低电压保护

电气设备中的电压必须保持在一定限值内(最大值与最小值之间),超出这些限值会严重影响负载的运行和性能。 过/低电压保护能够实现对系统电压的持续监测,当电路中任一相电压大于/低于动作阈值整定值,并超过动作延时(定时限动作),断路器就跳闸或发出报警信号。 如此后电压小于/大于返回阈值整定值,并超过返回延时(定时限动作),断路器则解除报警信号。 过/低电压保护功能可设定开启或关闭,开启包括发出报警信号或跳闸。

主要对由中心点电位漂移引起相间不平衡进行保护。 当三相电压不平衡度大于动作阈值整定值,并超过动作延时(定时限动作),断路器就跳闸或发出报警信号。 若三相电压不平衡度小于返回阈值整定值,并超过返回延时(定时限动作),断路器则解除报警信号。 电压不平衡保护功能可设定开启或关闭,开启包括发出报警信号或跳闸。

3)相序保护

用于对相序有要求场合。 当检测到相序与动作阈值不同,超过动作延时(定时限动作),断路器就跳闸或发出报警信号。 如果一相或多相电压不存在时,此功能自动退出。 相序保护功能可设定开启或关闭,开启包括发出报警信号或跳闸。

(2)功率保护,功率保护包括逆功率保护(有功)、逆功率保护(无功)、过功率保护(有功)、欠功率保护(有功)、过功率保护(无功)。 各种功率保护适用于发电机保护,限于篇幅,以下仅介绍常用的逆功率保护(有功)。

通常,功率从发电机流出,当供给发电机的动能突然减小时,就会产生逆向功率,在这种情况下,发电机就会变成电动机,这会对原动机造成严重损坏,如蒸汽涡轮过热、液压涡轮出现水穴、柴油机中的柴油不能充分燃烧而产生的爆炸等。 另外,在光伏电站采用自发自用并网模式时,为保护配电网不受冲击,需要防止太阳能系统电力馈入配电网。 为此,CW 系列断路器提供的逆功率保护在产生逆向功率时使原动机(汽轮机、燃气轮机或柴油机)免于损坏,或当配电网发生故障时快速地将分布式电源与配电网断开,防止发生功率倒送。

CW 系列断路器逆功率保护基于有功功率的计算,有功功率的流向通过在智能控制器的菜单中进行设定明确。 默认情况下,如果有功功率的传递是从断路器的顶部向底部流动的,则将有功功率的流向指定为“P+”,即假设电源进线接于断路器顶部(上端供电断路器)。 如果有功功率的传递是从断路器的底部向顶部流动的,则将有功功率的流向指定为“P-”。 设置逆功率保护的动作阈值、动作时间(定时限),当有功功率的流向和设定功率方向相反,且大于动作阈值整定值,并至动作时间,断路器就跳闸或发出报警信号。

(3)频率保护,包括过频保护、欠频保护、频率变化率保护,主要适用于发电机保护。

1)过/欠频保护

对于全民学习共享平台而言，教学质量是平台社会服务能力的体现，对教学质量提出高要求，才能规范教学活动的各个环节，促进教学效果的优化。教学质量管理是全民学习共享平台的品质保证：

在电气安装中,必须将频率维持在可接受的操作水平,尽可能减少对电机负载、敏感电气设备造成损害的风险,这样才能确保所有负载正常操作和发挥作用。 通过对频率的持续监控,可以在异常情况或者紧急情况下采取适当措施,保障设备运行,例如:负载卸载、电源切换以及发电机紧急启动。过/欠频保护可设定开启或关闭,开启包括发出报警信号或跳闸。

2)频率变化率保护

频率变化率保护可以快速检测出正向和反向频率变化。 该功能为定时限保护,当频率变化速率Hz/s 超出设定阈值时动作。 频率变化率保护可用于分布式发电系统中孤岛检测,例如主电网因故障脱离,此时需要将分布式发电系统断开,以消除孤岛下的潜在危险。 频率变化率保护功能可设定开启或关闭,开启包括发出报警信号或跳闸。

2 集成测量功能的能效管理

电气系统应用中常采取各种措施使电器达到所需的最佳电能消耗,现在各国旨在以标准为管理手段,针对各类用能产品制定能效标准。 其中,国际电工委员会制定的IEC 60364-8-1 标准在能效管理方法的框架内介绍了电气设备的设计和能效评估的要求、建议和方法,以获得最低的电能消耗和最可接受的能源利用率。 由于复杂的能效管理是建立在电气设备能够提供高精度测量功能的基础上,因此IEC 60364-8-1 第8.3.1.1 条“精度和测量范围要求”规定了低压配电系统各安装位置用于成本管理的测量精度要求,见表2。

精度和测量范围要求 表2

为此,CW3 系列万能式断路器有功电能测量精度2 级,可替代传统的表计应用于主配电侧与馈线配电侧,并具有集成测量互感器、接线简单等优点。最新推出的CW6 系列万能式断路器有功电能测量精度达到1 级,可满足进线侧、主配电、馈线配电的监测要求。

低压配电系统中测量和监控电参数的综合性能和监控装置的要求可参考IEC 61557-12(对应国标GB/T 18216.12),该标准还定义了性能测量和监控装置(PMD)分类,CW 系列断路器内置互感器属于PMD-DD,与多功能表(PMD-SD)相比,减少了外部互感器和接线造成的不确定性和多变性,降低了综合系统不确定影响,确保了测量的一致性和可靠性。

CW 系列断路器具有丰富的测量功能如图5 所示,可将测量数据上传至智能配电云管理平台,用户可以通过管理软件查看数据,设备数量、能耗、负荷一目了然,用户可对配电系统进行管理、分析计算,自动生成系统各部分电能报表数据,帮助用户有效地管理负荷,减少非正常耗电,实施降耗计划。

图5 CW 系列断路器的测量功能

3 集成灵活紧凑的负荷调配功能

通过避免负载的不协调操作来调解电能需求,自动控制下游负载功率是有效降低成本的最佳解决方案,为此CW6 系列断路器集成独具特色的智能电能控制功能和以功率为基础的负载监控功能。

3.1 智能电能控制

图6 所示为CW6 系列断路器通过集成智能电能控制模块,可以监视系统负载、限制功耗,充分利用接入负荷的大量数据资源(电流、电压、电能、功率等)进行实时边缘计算实现智能负荷调控,提高电气系统效率,并具有以下特色。

(1)独创的基于大数据的负荷预测与风险估计算法,综合多种约束条件进行优化决策,在充分利用负荷的同时确保在需量周期内不会超过需量限值,调控更精准。

(2)电能控制模块嵌入式设计,安装简便,可组成本地局域控制网络,并自主、自动地进行控制,不依赖其它的上位机或云计算资源,具有更好的实时性、稳定性与安全性。

(3)基于优先级的控制,确保重要负荷的供电可靠性,针对不同的用户需求及数据特征进行差异化及定制化的算法设计。

(4)实现需量限值的分时段控制,充分优化电能使用,综合锁定保护时间、故障脱扣自动脱离、最小需量要求、用户禁用时段等进行优化调控。

3.2 以功率为基础的负载监控

图6 CW6 系列断路器集成智能电能控制模块

CW6 系列断路器还可通过功率卸载方式进行负荷调配,即监控下级负载的有功功率,保证重要负荷持续供电。 具体为,通过I/O 模块设置2 路功率卸载输出,当断路器功率大于动作阈值整定值,并至动作延时,断路器应发出信号分断次要负载或报警;以后当断路器功率小于返回阈值整定值,并至返回延时(定时限动作),断路器应发出信号解除报警。 功率卸载功能可设定开启或关闭。

4 集成精益运维的管理功能

随着传感器技术的发展,CW6 系列断路器可通过多维度的运行监测,实现对断路器健康状态的诊断。 同时,采用云技术对维护数据进行管理与分析,为断路器提供健康评分、运维建议和计划,提升操作连续性和可靠性,延长维护周期、降低维护成本。

4.1 健康诊断

(1)健康测试:用户定期对断路器进行维护,对断路器简单的操作而获得断路器的健康状况。 通过选配断路器电气合分运动特性测试模块,实时监测断路器运动特性,判断电气合闸或分闸运动的性能是否处于良好运行状态,如果发生异常就发出报警。 通过模拟脱扣操作判断故障脱扣回路是否异常,如果发生异常就发出报警。

(2)健康提醒:断路器日常运行时智能控制器通过实时监测断路器的工作状态,当出现异常时及时向用户发出报警提醒。 对电流互感器和脱扣回路监测,当发生连接不良或线圈断线时发出报警。实时监测断路器内部附件工作状态,包括闭合脱扣器、分励脱扣器、欠压脱扣器、电动操作机构等,当发生附件连接脱落或附件线圈断线时发出报警。还可以监测智能控制器、触头及母线温度,当温度异常时就发出报警。

(3)健康预测:断路器通过对采集到的数据进行分析、计算来评估断路器的损耗情况,进而预测剩余寿命。 自动监测触头磨损当量,根据断路器运行时带电或不带电操作次数,计算剩余电气寿命、剩余机械寿命。

4.2 数据管理

数据管理包括断路器的脱扣/报警记录、操作记录、健康诊断记录、电能质量分析记录、最大/最小值记录、故障录波等,每个记录带时间标签,不仅可以在智能控制器上查看,而且可通过手机APP、USB、现场总线通信以及云端管理平台等进行监测与管理,图7 为数据管理平台,并根据严重度(高、中、低)进行故障分析和按计划进行预防性维护保养。

图7 数据管理平台

通过对万能式断路器进行数据管理,能够从以下方面提升。

(1)报警更加智能化

报警将分等级,并根据等级直接推送到运维、检修人员的手机端,并能够根据报警智能创建工单。

(2)监测运行数据更加智能化

不仅能够监测断路器的运行状态,同时能够将断路器的整定参数、负载特性以及设备运维数据一并上传到云端。

(3)运维管理

在云端的管理平台如图8 所示,能够分析现场的设备运行数据,结合设备的运行参数、历史信息,利用大数据分析功能,自动生成断路器的老化程度分析,并就老化程度向运维人员提供报警、更换等建议。 在断路器发生紧急故障的情况下,部署在云端的管理平台将第一时间生成警报,向运维人员提示故障回路信息、故障造成的潜在影响、停电范围评估、故障检修预案等。

图8 运维管理界面

5 结束语

随着全球能源革命以及电力应用的快速发展,配电系统正在发生深刻变化,特别是新能源的大量接入对低压电器智能配电技术提出了新的要求,CW系列断路器为适应这种需求,提供了多方位的智能配电保护、能效管理、负荷调配、精益运维等功能。限于篇幅,本文仅对 IDMTL 保护、双重参数保护、方向性保护等功能以及能效管理、负荷调配、精益运维进行了介绍,并给出了一些典型的应用,为CW 系列断路器的选型和使用提供参考。