付鵬曉

（武漢海翼科技有限公司，湖北武漢，430070）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，開關(guān)電器由電氣隔離開關(guān)、熔斷器或斷路器組成，用于控制、保護(hù)和隔離電氣設(shè)備。開關(guān)電器用于使設(shè)備斷電以完成工作并清除下游故障。這類設(shè)備直接關(guān)系到電力供應(yīng)的可靠性。最早的中央發(fā)電站使用簡(jiǎn)單的開放式刀開關(guān)，安裝在大理石或石棉絕緣板上。功率水平和電壓迅速升高，使得打開手動(dòng)操作的開關(guān)的危險(xiǎn)性提高。充油開關(guān)電器可以控制和安全控制電弧能量。到20世紀(jì)初，開關(guān)電器系列將是一種金屬封閉結(jié)構(gòu)，帶有使用油斷路器的電動(dòng)開關(guān)元件。如今，充油設(shè)備已在很大程度上被鼓風(fēng)、真空或SF6所取代設(shè)備，允許自動(dòng)設(shè)備安全地控制大電流和功率水平[1]。高壓開關(guān)電器是在19世紀(jì)末發(fā)明的，用于操作電機(jī)和其他電機(jī)。隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)技術(shù)得到了改進(jìn)，現(xiàn)在可以在高達(dá)1,100kV的電壓下使用。通常，變電站中的大型電力變壓器均配置有開關(guān)電器，常常位于的高壓側(cè)和低壓側(cè)。變壓器低壓側(cè)的開關(guān)電器可能位于建筑物內(nèi)，帶有用于配電電路的中壓斷路器，以及計(jì)量、控制和保護(hù)設(shè)備。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，變壓器和開關(guān)電器系列可以組合在一個(gè)外殼中，稱為組合變電站（美國(guó)）。根據(jù)市場(chǎng)研究公司Visiongain的最新研究，到2029年，全球開關(guān)電器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到1525億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為5.9%。對(duì)可再生能源的投資不斷增加以及對(duì)安全配電系統(tǒng)的需求增加，預(yù)計(jì)將產(chǎn)生增長(zhǎng)。

1 智能開關(guān)電器的功能與意義

智能開關(guān)電器基于計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)行。他們的USP是雙向?qū)崟r(shí)通信的可能性。它們能夠測(cè)量各種參數(shù)并將讀數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)侥茉垂檬聵I(yè)和管理中心。它們?cè)试S從遠(yuǎn)程控制中心監(jiān)控和配置系統(tǒng)，這可能是它們最大的優(yōu)勢(shì)。他們可以從這個(gè)遙遠(yuǎn)的位置輕松執(zhí)行分配的任務(wù)。智能系統(tǒng)可以非?？焖俚貦z測(cè)到可能導(dǎo)致火災(zāi)的電火花。事實(shí)上，它們可以防止大多數(shù)有害情況——短路、過載、組件故障等。智能開關(guān)電器可以預(yù)測(cè)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每月電力需求。他們監(jiān)控系統(tǒng)并識(shí)別何時(shí)出現(xiàn)問題，在傳輸和分配過程中提前發(fā)送有關(guān)可能發(fā)生故障的警報(bào)。智能開關(guān)電器的這種警惕特性在很大程度上降低了功率損耗。智能開關(guān)電器易于維護(hù)，并且由于它們有助于智能能源管理，因此可以減少電費(fèi)。智能開關(guān)電器配備了各種先進(jìn)的軟件來保護(hù)系統(tǒng)免受故障。它們嵌入了自我監(jiān)控功能和傳感器，可提高設(shè)備的效率和安全性。這些傳感器可以監(jiān)控和顯示溫度、電流、高壓等數(shù)據(jù)。溫度和濕度傳感器通過檢測(cè)改變濕度和空氣溫度的變化來工作。斷路器中的傳感器監(jiān)測(cè)后者的機(jī)械性能。

2 智能開關(guān)電器的種類及其應(yīng)用

2.1 智能斷路器

智能斷路器是一種電子設(shè)備，包含電子設(shè)備、傳感器裝置和執(zhí)行器三部分共同構(gòu)成，通過遙控操作斷路器，實(shí)現(xiàn)通斷、監(jiān)控和采集電路及負(fù)載設(shè)備的使用狀態(tài)。智能斷路器可以通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)反饋和記錄電路和設(shè)備的信息狀態(tài)。我們也稱它為物聯(lián)網(wǎng)斷路器或遙控?cái)嗦菲鳌？墒褂枚喾N協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如 RS485、RJ45（網(wǎng)口）、WiFi、藍(lán)牙、4G/5G 等協(xié)議。配置智能家居斷路器，可以遠(yuǎn)程控制和采集設(shè)備電路中的一些數(shù)據(jù)，讓我們可以更合理的組合使用設(shè)備[2]。一些智能家居斷路器集成了多種電路保護(hù)器的功能，體積更小，更智能。常見的智能斷路器，比如我們的AT-Q-SMR1智能斷路器，除了具備非智能斷路器的基本功能外，還具有短路保護(hù)、過載保護(hù)和漏電保護(hù)等功能。它還結(jié)合了過欠壓保護(hù)，溫度過欠壓保護(hù)，過功率或欠功率保護(hù)，我們還可以設(shè)置每個(gè)功能的狀態(tài)，可以關(guān)閉保護(hù)，打開保護(hù)，或設(shè)置警報(bào)。使用手機(jī)APP或電腦端遠(yuǎn)程調(diào)整各種值，如額定電流值的調(diào)整、額定漏電保護(hù)脫扣值的調(diào)整、過壓或欠壓百分比值、溫度保護(hù)value或其他值，以便用戶可以根據(jù)自己的使用情況去。還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄負(fù)載側(cè)電器的用電量，每小時(shí)、每天、每月用電量統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)用戶自身情況設(shè)置時(shí)間對(duì)負(fù)載電器進(jìn)行控制。

從物理上講，智能斷路器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的斷路器，也可以包括連接到現(xiàn)有斷路器的單獨(dú)硬件。新的智能斷路器或硬件可能包括功率傳感器、繼電器等機(jī)械開關(guān)機(jī)制和通信板。大多數(shù)住宅智能斷路器技術(shù)還將包括軟件以及移動(dòng)或基于網(wǎng)絡(luò)的用戶界面。電磁部分與傳統(tǒng)斷路器相同。如果電路出現(xiàn)過載或短路故障，就像傳統(tǒng)的斷路器一樣，過載保護(hù)是通過雙金屬片的熱傳導(dǎo)到一定值，然后斷路器跳閘保護(hù)過載。短路保護(hù)通過斷路器的線圈部分進(jìn)行快速跳閘保護(hù)。智能斷路器的功能原理可分為電磁部分和電子部分。智能斷路器的電子部分是一塊或多塊復(fù)雜的電路板，由各種控制模塊和通訊模塊組合而成。信號(hào)從遠(yuǎn)程控制終端輸入，如手機(jī)應(yīng)用程序或電腦，電子部分的電路板接收指令信息，電子部分可以收集并記錄所需的數(shù)據(jù)和信息，并將其發(fā)送回遠(yuǎn)程終端。用戶可以根據(jù)這些信息參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，調(diào)整數(shù)值，設(shè)定時(shí)間，設(shè)定計(jì)劃。它不必像傳統(tǒng)的斷路器。您必須在現(xiàn)場(chǎng)操作斷路器，并且需要各種電氣設(shè)備來收集故障信息。近向年來我國(guó)的一些廠家研究開發(fā)了關(guān)于戶內(nèi)戶外的多功能全方面的智能斷路器產(chǎn)品，這些產(chǎn)品會(huì)逐漸在市場(chǎng)上出現(xiàn)。

圖1 智能斷路器

除了傳統(tǒng)的過流保護(hù)之外，智能斷路器還提供額外的安全性。能量管理是智能斷路器的一個(gè)關(guān)鍵特性。許多家庭都有幻象負(fù)載，即使在不使用時(shí)也會(huì)消耗大量電力。當(dāng)房主知道他們不打算使用這些電路時(shí)，他們可以簡(jiǎn)單地安排這些電路關(guān)閉。由于多種原因，公用事業(yè)公司正在迅速發(fā)展電費(fèi)，并且越來越多的趨勢(shì)是根據(jù)一天中的時(shí)間（通常稱為使用時(shí)間費(fèi)率）收取可變費(fèi)率。與調(diào)度幻象負(fù)載類似，也可以安排高能耗設(shè)備（如交流電、熱水器、洗衣機(jī)或干衣機(jī)）僅在電費(fèi)較低（非高峰期）時(shí)運(yùn)行。

2.2 智能GIS

氣體絕緣高壓開關(guān)電器（GIS）是一種緊湊型金屬封裝開關(guān)電器，由斷路器和隔離開關(guān)等高壓元件組成，可在狹窄空間內(nèi)安全運(yùn)行。由微電子技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，電子傳感技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)和電器控制技術(shù)巧妙完美的結(jié)合在一起。不同的數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)操作兩個(gè)方面是GIS的智能化具體體現(xiàn)。實(shí)事說明，它是電磁式電壓電流互感器轉(zhuǎn)變成新型傳感器的一種技術(shù)，這一技術(shù)運(yùn)用全新的電子操作系統(tǒng)。擁有保護(hù)和控制功能的計(jì)算機(jī)對(duì)收集來的這些數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行整理分析，從而正確安全可靠地監(jiān)視GIS的工作狀態(tài)，并且還能夠?qū)ο到y(tǒng)自身進(jìn)行定期的自檢修復(fù)[3]。

GIS用于空間有限的地方，例如擴(kuò)展、城市建筑、屋頂、海上平臺(tái)、工業(yè)廠房和水力發(fā)電廠。日立能源一直并將繼續(xù)推動(dòng)GIS技術(shù)在評(píng)級(jí)、操作、開關(guān)技術(shù)、智能控制和監(jiān)督以及緊湊性方面的創(chuàng)新。因此，日立能源的GIS具有出色的可靠性、操作安全性和環(huán)境兼容性。它為從72.5kV到1200kV匹配電流和現(xiàn)代開關(guān)電器的未來要求的所有額定值和應(yīng)用提供完整系列的產(chǎn)品。

新一代氣體絕緣金屬封閉開關(guān)電器用于三相交流單母線和單母線分段、雙母線和雙母線分段，頻率50Hz，額定電壓40.5千伏。它用于接收和分配電能以及控制和保護(hù)電路。開關(guān)柜接收和分配的額定電流最大為2500A，開斷短路電流最大為31.5kA。可廣泛應(yīng)用于城市地鐵、城鄉(xiāng)電網(wǎng)、大型工礦企業(yè)、高原變電站等場(chǎng)所。隨著未來無人值守?cái)?shù)字化變電站的發(fā)展，智能高壓開關(guān)電器為方便運(yùn)檢減少了值守人員。這種智能化的高壓開關(guān)電器可以通過無人值守，機(jī)器人靠近時(shí)，通過藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸功能把開關(guān)正在運(yùn)行的狀態(tài)傳輸?shù)街凳貦C(jī)器人數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以直接傳到后臺(tái)，把數(shù)據(jù)傳到我們現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員的手機(jī)中，通過了手機(jī)內(nèi)安裝相對(duì)應(yīng)的軟件使開關(guān)狀態(tài)一目了然，極大的方便了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)檢需要。

2.3 智能高壓開關(guān)柜

智能高壓開關(guān)柜引入計(jì)算機(jī)技術(shù)將其作為檢測(cè)、計(jì)量、保護(hù)的核心，與斷路器配合，通過光纖網(wǎng)絡(luò)將開關(guān)柜信息以數(shù)字信號(hào)方式傳輸，其計(jì)量、保護(hù)、控制、通信以及記錄等功能均可通過光纖通訊技術(shù)、數(shù)字顯示技術(shù)等可靠地運(yùn)用起來?，F(xiàn)代化的高壓開關(guān)柜是一套完整的設(shè)備，其功能和高壓斷路器相比較更具用實(shí)用價(jià)值現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)外擁有良好市場(chǎng)前景的智能化高壓開關(guān)柜產(chǎn)品都擁有很多的實(shí)用性的優(yōu)異功能:如脫扣回路斷線檢測(cè)、檢測(cè)工作時(shí)間、檢驗(yàn)接觸部件、測(cè)試彈簧的儲(chǔ)能時(shí)間、控制與檢測(cè)溫度和濕度等[4]。我國(guó)很多公司推出的智能高壓開關(guān)柜具有很多的保護(hù)功能，其中包括對(duì)高電壓、高電流、高溫的限流限制以及接地?cái)嗦返?，并且還可以根據(jù)具體情況任意組合。在工作過程中智能高壓開關(guān)柜能夠科學(xué)的對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理、進(jìn)行故障預(yù)測(cè)報(bào)告及開關(guān)不有多長(zhǎng)的使用時(shí)間。這種類型的開關(guān)柜還可對(duì)電氣的回路開關(guān)、電源設(shè)備等進(jìn)行監(jiān)視。

臧春艷[5]提到ABB發(fā)布的智能高壓開關(guān)柜REF542在其集中控制/保護(hù)單元中具有限流、過欠壓、過熱、接地故障等多種保護(hù)功能，可以根據(jù)需要自由組合，我可以做到。集中控制/保護(hù)單元還具有智能診斷能力，可以分析和處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，預(yù)測(cè)故障，確定開關(guān)的剩余使用壽命，計(jì)算維護(hù)時(shí)間。此類開關(guān)電器的監(jiān)控功能包括監(jiān)控電氣輔助電路、為電動(dòng)開關(guān)電器供電和跳閘線圈完整性。機(jī)械方面包括監(jiān)測(cè)斷路器中儲(chǔ)能彈簧的狀態(tài)和機(jī)械操作的次數(shù)；此外還能監(jiān)控軟件和時(shí)間和熱量相關(guān)參數(shù)。

圖2 智能化集中控制/保護(hù)單元

2.4 智能斷路器

智能低壓斷路器通過包括各種先進(jìn)功能來提高安全性、計(jì)量、監(jiān)控、控制和斷路器可靠性，將固態(tài)脫扣單元提升到一個(gè)新的水平。

斷路器可支持大多數(shù)主要通信協(xié)議，無需網(wǎng)關(guān)或協(xié)議轉(zhuǎn)換器。斷路器可以成為網(wǎng)絡(luò)上具有自己設(shè)備地址的節(jié)點(diǎn)。先進(jìn)的斷路器健康監(jiān)測(cè)——脫扣單元前面的簡(jiǎn)單“電池指示器”圖形清楚地傳達(dá)了斷路器的健康狀況以及何時(shí)需要根據(jù)各種因素（包括故障中斷的數(shù)量和幅度）進(jìn)行下一次維護(hù)。安裝在斷路器中的傳感器總線可以持續(xù)監(jiān)測(cè)溫度、濕度和振動(dòng)，這些輸入可用于執(zhí)行高級(jí)預(yù)測(cè)診斷。斷路器的測(cè)試可以單獨(dú)使用軟件進(jìn)行，無需二次注入測(cè)試套件。這可以減少調(diào)試時(shí)間和費(fèi)用。最新的脫扣器本身可以提供0.5%的電壓和電流精度以及1%的電能和功率計(jì)量精度。脫扣單元提供高級(jí)事件記錄序列，包括帶有波形捕獲的警報(bào)、脫扣和匯總事件。電源斷路器可以包括內(nèi)置在斷路器外殼中的搖動(dòng)電機(jī)，以允許通過干接點(diǎn)或通信在電弧閃光邊界之外遠(yuǎn)程搖動(dòng)斷路器[6]。

安裝熱傳感器來監(jiān)控螺栓接頭，例如電纜接線片、母線接頭和母線管道連接，可為用戶提供現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵資產(chǎn)的實(shí)時(shí)信息?？梢源鎯?chǔ)來自傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行分析，以查看是否存在任何可能導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)的趨勢(shì)。

例如，能夠查看來自設(shè)備的實(shí)時(shí)信息以及電流、電壓和溫度的數(shù)據(jù)趨勢(shì)，使用戶能夠?qū)嵤╊A(yù)測(cè)性維護(hù)策略。除了查看顯示的信息外，用戶還可以通過操作員工作站和儀表板來控制設(shè)備，這些設(shè)備可以安裝在開關(guān)電器上或遠(yuǎn)程安裝。斷路器控制和啟用弧閃維護(hù)系統(tǒng)(ARMS)對(duì)于將操作員從弧閃區(qū)移出并提供更高的安全性非常重要。

網(wǎng)絡(luò)連接的儀表和繼電器允許用戶從遠(yuǎn)程位置查看他們的配電系統(tǒng)。保護(hù)繼電器允許用戶對(duì)跳閘設(shè)置進(jìn)行編程，并提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制斷路器的能力。功率計(jì)提供有價(jià)值的信息，可用于分析可能導(dǎo)致計(jì)劃外停機(jī)事件的異常情況。

圖3 智能斷路器數(shù)據(jù)屏幕

3 技術(shù)趨勢(shì)

智能開關(guān)電器的采用可能很快就會(huì)增加。隨著對(duì)不間斷和可靠電力供應(yīng)的需求不斷增長(zhǎng)，智能開關(guān)電器將在滿足這一需求方面發(fā)揮重要作用。此外，印度政府廣泛的電網(wǎng)現(xiàn)代化計(jì)劃和電氣化推動(dòng)將在未來幾年推動(dòng)印度對(duì)智能開關(guān)電器的需求。100個(gè)智慧城市計(jì)劃將進(jìn)一步推動(dòng)這一細(xì)分市場(chǎng)。這些城市將采用基于地理信息系統(tǒng)的城市規(guī)劃，采用先進(jìn)的ICT技術(shù)，以智能開關(guān)電器為特色。在技術(shù)水平的發(fā)展下，各類智能型隔離開關(guān)、斷路器、接地開關(guān)等被研發(fā)出來，以斷路器為例，其材料應(yīng)用了復(fù)合絕緣材料，有效提升了材料的絕緣性能。新型智能化高壓開關(guān)連接電纜少、占地少、緊湊，代表著未來階段下電氣設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。