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智能断路器工作原理及技术特点(1)

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基本原理、工作模式和工作过程。和传统的断路器相比较,智能断路器有着其自身的优点。随着各项技术的发展和各种产品的研发,智能断路器将逐步进入实用化阶段。

随着我国电网建设的快速发展,数字化变电站成为建设和研究的热点。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,通断精确,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广泛应用,计算机与网络通信技术的飞速发展,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,高低压界线划分比较模糊,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,又能自动进行失压、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安全运行。

随着国民经济的发展,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:能够实现不间断供电,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较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,快速切除系统中的故障部分,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,但其制造成本高,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,不仅具有断路器的基本功能,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,代替常规机械结构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,以便采取措施避免事故发生。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发展,具有智能操作功能的断路器是在现有断路器的基础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个基本模块构成。工作原理见图1,图中实线部分为现有断路器和变电站的有关结构和相互关联。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决定出合适的分合闸运动特性,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给智能识别模块,以进行处理分析;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。

图1 智能断路器工作原理

来源:维库
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