摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，电力系统有了很大进展。断路器作为电力系统中最重要的一次设备，它的智能化是变电站乃至整个电网智能化的基础。那么，什么是智能断路器，它的主要功能是什么。文章参考了国内外最新文献，就高压断路器的结构原理、发展方向，智能断路器的概念内涵、功能特点进行了定性阐述。
关键词：智能断路器；灭弧；在线诊断；状态检修；传感技术
引言
科学技术水平的不断提高使得智能断路器得以大量应用与发展，作为全新的一种电气设备，智能断路器能够对低压配电网络进行全面控制与保护，其中，柱上智能断路器指的是在室外电气相关设备安装的断路器，如室外的电线塔等设备，其应用与普及极大地增强了配电网络稳定性和安全性，由于10kV线路非常普遍，因此将智能断路器应用到10kV线路中具有一定现实意义。
1 智能断路器的概念内涵
信号采集：断路器在正常运行和动作时，必然伴随着各种物理量的变化，如热量、力、振动、位移、电气量等的变化。根据不同的监测要求选择相关的物理量，这些量能代表装置的工作状态。比如，处于静止运行的断路器，监视断路器触头的温度，监视断路器流过的电流大小，结合历史的温度值，可以判断出动、静触头的接触好坏。信号加工：采集到的信号是原始信号，原始信号可能含有干扰，原始信号可能不是反映工作状态的最本质的量，从原始信号中提取本征量，对信号中的噪声和干扰进行过滤，这是信号的加工。信号加工的方法，特征量的提取要借助于该方面的专家来确定。状态识别：利用人类对于断路器方面的专业知识，将加工后的信号与断路器工作状态和寿命的有关的特征量进行比较，从而确定断路器的当前工作状态的好坏，这类似于目前所说的专家系统。对于断路器的智能诊断，更多地依赖于人类对这种专业知识的了解。对于智能系统的自学习、自完善能力暂可不予考虑。诊断决策：根据断路器实际运行状态，决定对当前断路器采取何种动作。比如提供诊断报告，指出断路器下一步的使用建议，对断路器的故障发展、运行寿命、当前是否需要检修等提出意见。在诊断出比较严重的状态发生时，可以采用调整或动作来避免更大的损坏：比如SF6气压达不到设计要求的数值，这时进行操作是危险的，必须输出闭锁命令。另一个重要特征是，具备利用通信的方法传递控制命令和传递状态信息的能力，取代传统的并行电缆构成的电气控制逻辑，这是智能断路器最具“智能”的特点。设想变电站所有的一次设备，它们的操作控制功能完全是由信息网络传递的信息完成的，此时变电站的二次接线将会变得非常简洁，变电站的运维检修、设备更新都将更加清晰和容易。
2 智能断路器的工作原理
智能断路器的核心是智能控制模块，其主要工作模式有：①智能控制模块采集剩余电流互感器的电流，剩余电流超过定值立即驱动分励脱扣器分闸，分闸后驱动电动操作机构合闸，实现剩余电流保护动作后自动重合闸功能；②智能控制模块采集测量与保护一体化电流互感器的三相电流，实现过流、过载、短路三段式分闸保护，同时，将采集的电流与电压用于实现电能计量、配电变压器监测、负荷管理等功能；③采集智能断路器内部的温度，温升过高时进行分闸保护；④利用通信单元GPRS通信组件、载波通信组件或WiFi通信组件，实现远程或现场数据通信。
3 当前智能断路器的概况
通常来讲，智能断路器的结构处在断路器正面，且机构为自由脱扣器的五连杆机构，对贮能形式进行了设计。在使用智能断路器的时候，机构通常在预贮能部位，当断路器收到合闸命令后，断路器闭合可以瞬时完成。从工作原理上看，智能断路器主要为新型传感器、计算机技术、微电子技术共同构建的断路器全新系统。数字化控制和全新传感器相结合，对运行的数据进行独立采集，能够将设备中存在的故障与缺陷充分检测出来，当缺陷将要变成故障以前把报警信号发出，从而让工作人员及时制定并实施措施防止再次发生事故。智能断路器将机械储能变成了电容储能，将机械传动变成了直接驱动，具有非常高的系统可靠性，真正实现了电子操作，有效解决了传统断路器中存在的多种问题。
4 智能断路器的功能特点
4.1 在线监视断路器的静止工作状态
电力系统中运行的断路器，不是处于“分位置”就是处于“合位置”，处于“合位置”的断路器是它工作的常态，断路器大部分的时间都处于这种静止的运行状态。在带电运行的场合，断路器处于分、合位置之外的其他位置是危险的。在“合位置”状态下，合格的断路器要能长期承受高电压，能长期通过额定量的电流不致导致断路器损坏。通过监视断路器正常运行时的一些物理量，可以做到对设备的健康状况心中有数。比如测量泄漏电流，探测断路器触头温度，可以对运行的断路器绝缘老化，触头接触电阻心中有数，从而判断断路器运行是否安全。这样的监测点可以有很多，根据需要进行设计，可以做到对断路器的运行状况全面了解。断路器在静止运行状态还担负着一个最重要的任务。它应时刻准备好，接到跳闸命令立刻实施跳闸。这对断路器的操动机构可靠性提出了很高要求。监视操动机构状态，监视操作能量大小，监视电气操作回路是否完好，使设备的隐患可以及时消除。这些是传统的电气回路也必须做到的事，采用智能设计，可以比传统的监视做得更好。目前对断路器的静止运行状态可进行的监视有包括以下几个方面。断路器触头温度；记录一次系统流过的电流，电压；监视断路器的位置状态；监视断路器跳闸回路的完好性；监视操动机构的储能状态，如弹簧储能、液压。
4.2 保护测控装置
每一台智能断路器都配有一台保护装置，实现保护、测量、控制功能。保护装置箱一般和断路器安装在同一电杆上，通过出厂时配好的连接线连接。保护装置箱为全封闭式，保护装置可实现过流三段、重合闸、过负荷等保护，测量可采集电流、电压、有功功率、无功功率等，同时还包括一些故障报警信息等，操作面板可以通过液晶显示器进行查看和录入数据，操作面板有运行指示灯、告警灯，配有各种操作按钮，实现对断路器的控制。
4.3 智能操控与在线诊断
对智能断路器来说，希望它的操作控制，除了可以接受电气脉冲启动控制，还可以使用接受通信命令的方法控制，即智能操控。常规断路器操动机构控制动触头的分合是靠气压、液压、弹簧储能动作，或直接用电磁力动作。由于机构运动很快，从操动机构启动开始一直到运动结束，运动的过程是不可干预的。比如跳闸时，我们希望动触头尽量快，这对熄弧有利；当确保电弧熄灭后，我们希望运动的触头速度可以减下来，减少动触头运动到终点时过大的冲量，以避免对断路器造成破坏。采用智能操作，可以做到一边操作、一边监视，根据操作过程的状态量调整操作，使操作过程做到最优。电力系统的操作本质上是指断路器的分闸、合闸操作。由于电力系统中存在的储能元件，在开、合断路器时会产生操作过电压。如果分析认为，在某个电压等级产生的过电压是电力系统所不允许的，就必须采取措施，提高电网整体绝缘水平或减少操作过电压。自然，减少操作过电压是一个比较经济的方法，比如在分闸之前先预设一个小阻值电阻，断路器动触头分开时转变成经电阻分开的方法，这限制了操作过电压的数值，但给断路器的操动机构增加了一些制造难度。从电工学的原理看，只要控制分断电流或接通电流的电气角度，就可以产生最小的操作过电压。断路器切除故障电流，会对其触头、灭弧室造成损害。这种损害的结果不是直接的，多次作用的结果会使断路器性能下降。为了恢复其性能，需要对其进行检修或更换部件。传统做法是对断路器切断故障电流的次数做一规定，比如某一种少油断路器，每开断5次短路电流就要求对其进行检修。实际上，切除大的短路电流比切除小的短路电流产生损害大得多；切除故障的时间越长，对断路器设备的损害也越大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆目前有的断路器制造厂提出采用短路电流的累加量值来判断断路器是否需要检修，这是一个与断路器切断能量相关的量值。智能断路器可以很方便地取得这个量，用它来衡量是否需要检修，比采用切断短路电流次数来衡量要科学一些。
4.4 电流互感器的选择
智能断路器出厂时一般自带三相电流互感器，电流比设计有单变流比、双变流比、三变流比。一般三变流比比较灵活，常用有100（200，300）/5，200（400，600）/5等，能够满足大多数线路使用。可以根据运行负荷选择变流比。改变变流比的方法很简单，按照说明书改接二次线即可实现，抽头一般设计在断路器的侧面。变流比变更后，有条件的可以进行传流试验，确定无误后即可投入使用，并对保护装置内的电流互感器变流比系数进行修改，以便正确测得一次电流。
5 10kV线路之中应用智能断路器的主要策略
5.1 智能断路器的电流互感器与保护装置
（1）在出厂智能断路器时，通常会带有电流互感器，主要的电流比设计包括三变流比、双变流比与单变流比。相比之下，最灵活的是三变流比，100/5和200/5使用最多，能够充分应用到10kV线路中。工作人员可按照运行的实际负荷对变流比进行选取。要想让变流比发生改变非常容易，只需根据说明书中的流程进行二次线的改接工作即可，通常断路器侧面会进行抽头的设置。当改变了变流比以后，若条件允许，应开展相应传流实验，当确保没有错误后就能够正常使用，可以修改互感器中变流比具体系数，让一测电流的测量更加具有精确性和准确性。（2）智能断路器会设置相应保护装置，发挥控制、测量、保护等多种作用。一般来讲，断路器、保护装置通常在相同电杆上进行安装，连接时主要使用出厂自带连接线。整个保护装置箱处于全封闭形式，并发挥过负荷、重合闸与过流三段等多种保护作用，对可以采集的无功功率、有功功率、电压、电流等多种内容进行测量，故障报警的有关信息也包含在其中。同时，借助操作面板，能够开展数据录入、数据查看等多种工作，操作面板上面有告警灯、指示灯，并包含多种操作按钮，可以有效控制智能断路器。
5.2 定值录入
因为目前没有统一标准，各生产厂家产品有所不同。因此，一定要读懂说明书，对保护装置菜单要全面了解，知道有哪些功能，哪些地方需要修改和录入，特别是定值方面要搞清楚是录入一次值，还是二次值。软压板的投入和退出要看清楚，定值和软压板投入后要保存一下，并检查一遍，确认无误后方可投入运行。如果有条件，可以在安装前进行一些功能的模拟试验，通过保护传动联动断路器，确定动作正确后，再进行安装，这样可以实现更可靠的运行。
5.3 智能断路器的安装
在安装过程中，需要判断、分析、统计平常的故障信息，在故障频繁的地区安装智能断路器。具体高度需要按照说明书要求、操作需要、具体位置等信息综合确定。进行安装工作的时候，应对电压互感器进行设置，若厂家事先配好便无需重复配置。电压互感器能够为100v测量电压与220v装置电源进行提供，因此需要对电源侧进行接入，通常采用的是两相电压，然后保护装置中还要有二次线接入。如果要对多个智能断路器进行安装，需要进行分级管理工作，确保不同智能断路器间配合协调，应将智能断路器安装于各个分支线的首端处，从每个分支线入手控制故障，使停电范围大大缩小。
5.4 智能断路器的定制录入与定值计算
①在定制录入方面，当前尚未存在统一规范，不同生产厂家有不同的产品。这要求工作人员要将说明书阅读透彻，深入、全面地掌握保护装置中菜单的各项内容、功能，明确什么部分需要录入、修改，尤其是应明确定值为二次值还是一次值。应加强对软压板退出、投入的重视，在投入软压板、定值时应及时保存和检查，若没有发现错误才能够投入正式运行中。若条件允许，应针对部分功能开展安装前的模拟试验，在明确动作准确无误后再开展安装工作，从而使设备的运行更加可靠。②对于智能断路器来讲，其定值极为关键。合理、科学的定值决定了智能断路器是否可以将故障点有效切除，让无故障设备的平稳运行得到保证。同时，计算定制时应加强和出口断路器间有效配合，不可以有越级跳闸的情况发生。当前大多数10kV出线都属于终端线路，而对于末端线路，定时限过电流、瞬时速断是其保护定值。其中，瞬时速断在计算时应将短路电流作为依据，跳闸时限为0秒，定时限过电流在计算时应将最大负荷电流当作依据，跳闸时限为0.3s。应加强和出口保护的配合与协调，时限、数值应比总保护要低。需要注意，若瞬时速断存在较大电流，在动作电流超过智能断路器与变电站的规定，便会引起两个断路器一起跳闸，因此重合闸通常不会投入到智能断路器之中，若有速断动作出现且两个断路器一起进行动作，那么总保护会具有较高重合几率。要想使配合更加高效，应把总保护修改成定时限过电流、限时速断与瞬时速断，从而使下级保护能够更加方便的配合。
5.5 加强对智能断路器的巡视和在线监控
将对智能断路器的巡视作为线路巡视的一个重点，在线路发生故障时要将拒动智能断路器及控制回路配套的控制器、连线、指示灯等指示变化和参数的变化进行对比，并同后台核对现场状态与系统接线图所监测的是否一致。结合故障指示器动作进行分析，确认故障点及故障性质，及时准确找出智能断路器拒动原因。
5.6 日常检查维护
平时要定期检查智能断路器工作状态，检查电源小型空气断路器是合还是分，电源指示灯是否亮着，液晶屏是否老化，数据显示是否正常，动作指示灯、运行指示灯显示是否正常，断路器弹簧储能机构是否有未储能或储能不到位情况，断路器的分合指示位置正确与否等。这些日常的检查维护，可确保智能断路器在故障时能够可靠、快速、准确切除故障，确保无故障设备安全运行，发挥智能断路器应有的作用。
结束语
综上所述，近年来，由于用户对供电可靠性的要求不断提高和供电企业将供电可靠率考核列入为重点指标，供电所一年内对一条主线的停电检修时限被大大压缩，智能断路器一旦投入运行，其检修、更换机会和时间都很有限。断路器是电力系统中最重要的一次设备，而目前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、系统化成为可能。微控制器的不断发展又为智能断路器的功能多样化、可靠性提高提供了技术保障。随着新型传感器、现代网络技术及人工智能技术的深入发展，智能断路器的功能必将得到进一步拓展和完善。
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论文作者:邹烨
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：断路器论文; 智能论文; 电流论文; 操作论文; 故障论文; 过电压论文; 状态论文; 《电力设备》2018年第33期论文;