智能斷路器的發(fā)展歷程與相關(guān)信息

    隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展,數(shù)字化變電站成為建設(shè)和研究的熱點。數(shù)字化變電站的**在于一次設(shè)備的智能化與二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化。對于斷路器這種較其重要的電力一次設(shè)備而言,其智能化的實現(xiàn)有十分重要的意義。斷路器智能化在于運行狀態(tài)實時監(jiān)測,通斷精確,智能控制和信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化等。隨著電力電子技術(shù)和自動控制理論的廣泛應用,計算機與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展,以及對傳感器技術(shù)和人工智能的深入研究和綜合應用,智能斷路器的功能得到了較大的擴展和完善。

      一、什么是智能斷路器

      斷路器按其使用范圍分為高壓斷路器和低壓斷路器,高低壓界線劃分比較模糊,一般將3kV以上的稱為高壓電器。

      低壓斷路器又稱自動開關(guān),它是一種既有手動開關(guān)作用,又能自動進行失壓、欠壓、過載、和短路保護的電器。它可用來分配電能,不頻繁地啟動異步電動機,對電源線路及電動機等實行保護,當它們發(fā)生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路,其功能相當于熔斷器式開關(guān)與過欠熱繼電器等的組合。而且在分斷故障電流后一般不需要變更零部件,己獲得了廣泛的應用。

      高壓斷路器(或稱高壓開關(guān))是變電所主要的電力控制設(shè)備,具有滅弧特性,當系統(tǒng)正常運行時,它能切斷和接通線路及各種電氣設(shè)備的空載和負載電流;當系統(tǒng)發(fā)生故障時,它和繼電保護配合,能*切斷故障電流,以防止擴大事故范圍。因此,高壓斷路器工作的好壞,直接影響到電力系統(tǒng)的安全運行。

      隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,技術(shù)的不斷進步,無論是工業(yè)生產(chǎn)還是日常生活都對電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量提出了越來越高的要求:能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷供電,即使斷電也必須要求斷電時間盡可能的短,停電范圍盡可能的小。這就要求供電系統(tǒng)具有比較高的自動化程度和智能化水平,當電力系統(tǒng)出現(xiàn)一些故障時系統(tǒng)中的智能保護設(shè)備能及時識別故障類型,快速切除系統(tǒng)中的故障部分,防止故障進一步擴大,使整個系統(tǒng)能夠正常運行。除了要能正常分合相關(guān)系統(tǒng)額定電流外,還要在相關(guān)系統(tǒng)故障時能快速有選擇性地可靠分斷相關(guān)系統(tǒng)短路故障電流,且不能出現(xiàn)越級跳閘或拒動現(xiàn)象。

      當繼電保護或控制裝置發(fā)出外部跳閘指令,當指令到達斷路器時,斷路器的控制裝置確定斷路器是否做好執(zhí)行分合操作的準備,如果好了則控制裝置負責完成該指令操作,反之,如果斷路器沒做好準備,則控制裝置閉鎖所要求的操作,斷路器就不能完成相應的指令操作。為此斷路器需要相應的控制監(jiān)視回路,如氣體密度、斷路器的分合位置等。此外要求控制回路監(jiān)視反映斷路器運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù),如果這些參數(shù)有改變就會閉鎖該斷路器使之不允許動作,并向運行值班人員發(fā)出警告,以便運行人員及時采取行動。以龍口市供電公司的變電站為例,一般的10kV或35kV出線開關(guān)柜的二次回路中,斷路器的分合位置和彈簧儲能是否完成是較主要的監(jiān)視回路。

      現(xiàn)在的高壓斷路器種類很多,可分為:油斷路器(多油斷路器、少油斷路器)、六氟化硫斷路器(SF6斷路器)、真空斷路器、壓縮空氣斷路器等。我們公司目前較多的是真空斷路器和SF6斷路器,龍口境內(nèi)的有些變電站使用GIS組合電器。GIS組合電器是將斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘、常規(guī)TA和TV以及母線組合在一個SF6絕緣的密封殼體內(nèi),實現(xiàn)變電站的緊湊化,但其制造成本高,多用于土地價格昂貴或空間有限的變電站。**大電網(wǎng)組織通過調(diào)查認為在今后一、二十年內(nèi),SF6斷路器和GIS將繼續(xù)是高壓斷路器設(shè)備的主流。

      在IEC62063標準中對于智能斷路器設(shè)備的定義為:具有較高性能的斷路器和控制設(shè)備,配有電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器,不僅具有斷路器的基本功能,還具有附加功能,尤其在檢測和診斷方面。

      智能斷路器實現(xiàn)電子操動,變機械能為電容儲能,變機械傳動為變頻器經(jīng)電機直接驅(qū)動,機械運動部件減少到一個,機械系統(tǒng)的可靠性提高,智能斷路器具有數(shù)字化的接口,可以將位置信息、狀態(tài)信息、分合閘命令通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸。控制回路中電子電路的壽命、可靠性將成為智能斷路器技術(shù)工程化應用的關(guān)鍵。




      二、智能斷路器工作原理與工作模式

      智能斷路器是用微電子、計算機技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng)。其主要特點是由電力電了技術(shù)、數(shù)字化控制裝置組成執(zhí)行單元,代替常規(guī)機械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器。新型傳感器與數(shù)字化控制裝置相配合,獨立采集運行數(shù)據(jù),可檢測設(shè)備缺陷和故障,在缺陷變?yōu)楣收锨鞍l(fā)出報警信號,以便采取措施避免事故發(fā)生。智能斷路器實現(xiàn)電子操動,變機械儲能為電容儲能,變機械傳動為變頻器經(jīng)電機直接驅(qū)動,機械系統(tǒng)可靠性提高。

      在目前階段,智能斷路器得到了相應的發(fā)展,具有智能操作功能的斷路器是在現(xiàn)有斷路器的基礎(chǔ)上引入智能控制單元,它由數(shù)據(jù)采集、智能識別和調(diào)節(jié)裝置3個基本模塊構(gòu)成。工作原理見圖1,圖中實線部分為現(xiàn)有斷路器和變電站的有關(guān)結(jié)構(gòu)和相互關(guān)聯(lián)。智能識別模塊是智能控制單元的**,由微處理器構(gòu)成的微機控制系統(tǒng),能根據(jù)操作前所采集到的電網(wǎng)信息和主控制室發(fā)出的操作信號,自動地識別操作時斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài),根據(jù)對斷路器仿真分析的結(jié)果決定出合適的分合閘運動特性,并對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出調(diào)節(jié)信息,待調(diào)節(jié)完成后再發(fā)出分合閘信號;數(shù)據(jù)采集模塊主要由新型傳感器組成,隨時把電網(wǎng)的數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式提供給智能識別模塊,以進行處理分析;執(zhí)行機構(gòu)由能接收定量控制信息的部件和驅(qū)動執(zhí)行器組成,用來調(diào)整操動機構(gòu)的參數(shù),以便改變每次操作時的運動特性。此外,還可根據(jù)需要加裝顯示模塊、通信模塊以及各種檢測模塊,以擴大智能操作斷路器的智能化功能。

      智能斷路器基本原理、工作模式和工作過程介紹

      智能斷路器基本工作模式是根據(jù)監(jiān)測到的不同故障電流,自動選擇操作機構(gòu)及滅弧室預先設(shè)定的工作條件,如正常運行電流較小時以較低速度分閘,系統(tǒng)短路電流較大時以較高速度分閘,以獲得電氣和機械性能上的較佳分閘效果。

      這種智能操作要求斷路器具**構(gòu)動作時間上的可控性,目前斷路器常用的氣動操作機構(gòu),液壓操作機構(gòu)和彈簧操作機構(gòu)由于中間轉(zhuǎn)換介質(zhì)等因素,控制時間離散性大,其運動特性很難達到理想的可控狀態(tài)。采取電磁操作機構(gòu)的斷路器利用電容儲能、永磁保持、電磁驅(qū)動、電子控制等技術(shù),當機構(gòu)確定后運動部件只有一個,沒有中間轉(zhuǎn)換介質(zhì),分合閘特性僅與線圈參數(shù)相關(guān),可以通過微電子技術(shù)來實現(xiàn)微秒級的控制,通過對于速度特性控制實現(xiàn)斷路器的智能化操作。

      智能操作斷路器的工作過程是:當系統(tǒng)故障由繼電保護裝置發(fā)出分閘信號或由操作人員發(fā)出操作信號后,首先啟動智能識別模塊工作,判斷當前斷路器所處的工作條件,對調(diào)節(jié)裝置發(fā)出不同的定量控制信息而自動調(diào)整操動機構(gòu)的參數(shù),以獲得與當前系統(tǒng)工作狀態(tài)相適應的運動特性,然后使斷路器動作。

      三、智能斷路器技術(shù)的優(yōu)點

      和傳統(tǒng)的斷路器相比較,智能斷路器有著其自身的優(yōu)點:

      1、采用智能斷路器技術(shù)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(jīng)濟效益和社會效益。

      2、采用智能斷路器技術(shù)可以實現(xiàn)有關(guān)高壓開關(guān)設(shè)備的檢測、保護、控制和通信等智能化功能。

      3、傳統(tǒng)的重合閘采用重合閘繼電器,正常運行時,重合閘繼電器的電容進行充電,當發(fā)生故障斷路器斷開后,電容進行瞬間放電從而到達重合目的,當重合于故障時,由于電容未再進行充電,因此重合閘只能進行一次。采用智能斷路器技術(shù)后有可能改變目前的試探性自動重合閘的工作方式,實現(xiàn)自適應自動重合閘,即做到在短路故障開斷后,如故障仍存在則拒絕重合閘,只有當故障消失后才進行重合。采用智能技術(shù)后就會避免傳統(tǒng)重合閘只能重合一次的弊端。

      4、實現(xiàn)定相合閘,降低合閘操作過電壓,取消合閘電阻,進一步提高可靠性;實現(xiàn)選相分閘,控制實際燃弧時間,使斷路器起弧時間控制在較有利于燃弧的相位角,不受系統(tǒng)燃弧時差要求限制,從而提高斷路器實際開斷能力。

      隨著微機技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展,以及人工智能技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)和研究領(lǐng)域的應用,能斷路器將會從簡單的采用微機控制取代傳統(tǒng)繼電器功能的單一封閉裝置,發(fā)展到具有完整的理論體系和多學科交叉的電器智能化系統(tǒng),成為電氣工程領(lǐng)域中電力開關(guān)設(shè)備、電力系統(tǒng)繼電保護、工業(yè)供配系統(tǒng)及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新的發(fā)展方向。

      四、智能斷路器技術(shù)進步

      智能斷路器已將計量、控制及通信等功能融于一體,使電力設(shè)備的模塊化、系統(tǒng)化成為可能。微控制器技術(shù)的不斷發(fā)展又為智能斷路器功能的多樣化,可靠性的提高,性能優(yōu)化提供了技術(shù)**。智能斷路器的**是智能控制器,其性能的高低是判斷智能斷路器是否**的主要依據(jù)。自20世紀70年代開始出現(xiàn)了智能控制器,隨著各項技術(shù)的廣泛應用和發(fā)展,如微電子、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和新型傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和綜合應用,使得智能控制器出現(xiàn)了突飛猛進的發(fā)展。作為智能斷路器技術(shù)的補充,斷路器智能監(jiān)視和控制技術(shù)得到了相應的發(fā)展并在工程上得到廣泛的利用。
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