智能電網(wǎng)與低壓電器智能化的發(fā)展

摘要：智能電網(wǎng)需要智能開關(guān)和先進(jìn)的傳感器支持，其中也包括低壓智能化開關(guān)。從智能電網(wǎng)的角度，介紹低壓電器智能化的最新進(jìn)展，包括：為了保證低壓配電線路供電的連續(xù)性和可靠性，低壓選擇型斷路器的發(fā)展；智能化低壓斷路器的電能管理；用于新能源的低壓開關(guān)電器；智能斷路器的狀態(tài)檢測。關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)低壓選擇性斷路器電能管理用于新能源的低壓電器狀態(tài)檢測引言當(dāng)前為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，提高電能質(zhì)量，充分發(fā)揮分布式清潔電源的使用，因而必須提高電網(wǎng)管理水平和效率，最大限度地利用信息技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)智能對人工的替代，這使智能電網(wǎng)（SmartGrid）成為世界矚目的熱點。智能電網(wǎng)是一個完整的體系，涵蓋發(fā)電、輸電、配電、調(diào)度、變電、用電等各個環(huán)節(jié)，并且智能電網(wǎng)需要智能化的開關(guān)電器和先進(jìn)的傳感技術(shù)的支持［1-3］，因而智能電網(wǎng)與低壓電器的智能化有密切的關(guān)系。本文從智能電網(wǎng)的角度，介紹低壓電器智能化的最新進(jìn)展。1、低壓配電系統(tǒng)的選擇性保護(hù)與低壓斷路器智能電網(wǎng)最主要目標(biāo)就是要保證供電的可靠性與連續(xù)性，對低壓配電系統(tǒng)來說實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段是采用選擇性保護(hù)。國際電工委員會的IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)按使用類別把斷路器分成A類和B類兩種類型，A類斷路器在短路情況下，無明確指明其有選擇性保護(hù)功能，而B類斷路器則明確指明有選擇性保護(hù)功能。圖1表示低壓配電系統(tǒng)前后級斷路器安裝位置及其保護(hù)特性配合。選擇性保護(hù)是指當(dāng)支路1發(fā)生短路時，僅下級支路斷路器QF2開斷短路電流，而上級開關(guān)QF1不動作，這就不會影響其他支路如支路2和3的正常供電，因而選擇性保護(hù)對提高低壓配電系統(tǒng)的工作可靠性有重要作用。圖1選擇性保護(hù)的特性配合圖2帶三段保護(hù)特性的選擇性斷路器的特性曲線如何實現(xiàn)配電系統(tǒng)上下級斷路器的選擇性匹配，主要決定于兩者保護(hù)特性的配合，一般上級斷路器采用有三段保護(hù)特性的選擇型B類斷路器。如圖1(b)所示，QF1具有三段保護(hù)特性，即作為線路過載保護(hù)的長延時，短路情況下的短延時和瞬時三段保護(hù)，而QF2作為下級支路開關(guān)，僅具有長延時和短路瞬時兩段保護(hù)特性。當(dāng)支路1短路時，若短路電流為I1，則從圖1(b)的特性配合來看，短路電流使QF2首先動作，而QF1由于短延時而沒有動作，這就保證了其他支路，如支路2和3的可靠供電。生產(chǎn)發(fā)展和人民生活的提高，低壓配電系統(tǒng)的用電設(shè)備和分支回路日益增多，選擇性保護(hù)變得越來越受到人們關(guān)注，當(dāng)前選擇性斷路器的技術(shù)向以下方面發(fā)展：局部選擇性提升到全局選擇性；低壓配電系統(tǒng)的選擇性保護(hù)范圍從電源側(cè)向終端側(cè)延伸。當(dāng)兩臺上下級串聯(lián)的斷路器實現(xiàn)過電流保護(hù)時，在規(guī)定的條件下，下級斷路器動作時不會引起上級斷路器動作，這是選擇性保護(hù)基本要求。全選擇保護(hù)是指當(dāng)故障電流達(dá)到下級斷路器最大故障電流時都能實現(xiàn)選擇性；而局部選擇性只是當(dāng)下級斷路器在規(guī)定的故障電流下才能實現(xiàn)選擇性保護(hù)，因而局部選擇性就存在一個選擇性門檻，它是實現(xiàn)選擇性保護(hù)的電流交接值，在該值以下，局部選擇性保護(hù)可保證選擇性，而在該值以上，則不能保證選擇性。圖2為一帶三段保護(hù)特性的選擇型斷路器的特性曲線，其中短延時的延時時間和瞬時脫扣器整定值都可調(diào)節(jié)，短延時的延時調(diào)節(jié)是用于讓前后級斷路器的動作時間匹配，實現(xiàn)選擇性保護(hù)，而瞬時脫扣器整定值的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)選擇性門檻電流IB，確定上下級選擇性匹配的電流范圍，而這電流的極限值決定于斷路器短時耐受電流Icw（一般取0.5s），如果上級選擇性斷路器的Icw低于其分?jǐn)嗄芰Γ↖cu或Ics），則即使是瞬時脫扣器的最大整定值可調(diào)至超過額定電流的10～12倍，但這種上下級匹配還是局部的。對上下級斷路器實現(xiàn)全選擇性的充分條件是讓上級斷路器的Icw等于其分?jǐn)嗄芰Γ碔cw=Icu=Ics，這意味著瞬時脫扣器整定值可調(diào)至無窮大，對一般B類斷路器通常采用電子式脫扣器，即可使瞬時脫扣器的整定開關(guān)處于打開位置，這種情況下，不論下級斷路器是什么條件，都能實現(xiàn)全局選擇性。當(dāng)然要實現(xiàn)全選擇性也可從下級斷路器著手，讓下級斷路器有強(qiáng)大的限流功能，當(dāng)該支路發(fā)生短路故障時，它能使支路短路電流限制于上級斷路器瞬時脫扣器整定值以下，也可實現(xiàn)全選擇性。為達(dá)到Icu=Ics=Icw，作為選擇性斷路器主要類型的萬能式斷路器目前采用各種新技術(shù)來實現(xiàn)全選擇性保護(hù)，如國內(nèi)外正在發(fā)展新型雙斷點萬能式斷路器［3］，或通過對傳統(tǒng)的單斷點結(jié)構(gòu)提高其補(bǔ)償電動力來達(dá)到這一目標(biāo)。長期來以，低壓配電系統(tǒng)的選擇性保護(hù)一般只用于變壓器出線端的功率配電系統(tǒng)，近年來由于工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的提高，工控系統(tǒng)、公共場所和家庭用電設(shè)備和配電分支回路大增，因而負(fù)載側(cè)和終端配電的選擇性保護(hù)提到日程上來，不少國際著名低壓電氣企業(yè)推出相應(yīng)的用于負(fù)載和終端側(cè)的選擇性斷路器，如施耐德公司的新型旋轉(zhuǎn)雙斷點塑料外殼式斷路器（MCCB）NSX與老型號NS相比［4］，其主要特點之一是額定電流為100A的小規(guī)格斷路器也帶有Micrologic電子脫扣器，具有短路短延時保護(hù)，延時調(diào)節(jié)范圍為20～500ms，短路短延時電流整定值和瞬時脫扣器整定值都可調(diào)節(jié)，它與用于終端的小型斷路器Multi9配合可實現(xiàn)完全的選擇性保護(hù)。NS型號在小規(guī)格斷路器中無短路短延時功能，因而為了實現(xiàn)局部選擇性配合，利用電流匹配原則，不得不把上級斷路器的額定電流選大些，而NSX型號可實現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)的選擇性匹配，與小型斷路器配合使完全選擇性從100A殼架電流就可實現(xiàn)。這一改進(jìn)帶來了很多好處：節(jié)省安裝時間，無需過高選擇斷路器規(guī)格，使斷路器和開關(guān)柜的尺寸變小。圖3為施耐德新老型號配電系統(tǒng)的對比。圖3施耐德公司新老型號配電系統(tǒng)的對比圖4一種選擇型小型斷路器的結(jié)構(gòu)和工作原理圖5區(qū)域聯(lián)鎖的工作原理為了進(jìn)一步在配電系統(tǒng)的終端實現(xiàn)選擇性保護(hù)，最近國內(nèi)外相繼開發(fā)出帶選擇性保護(hù)的小型斷路器，它具有短延時保護(hù)功能，該功能既可采用電子技術(shù)也采用機(jī)械式短延時結(jié)構(gòu)。圖4為目前開發(fā)成功的一種選擇性小型斷路器的結(jié)構(gòu)和工作原理［5］。這種小型斷路器依靠雙金屬片獲得短延時作用，它由兩個回路組成：主觸頭放置于主回路上，可由操作機(jī)構(gòu)操作，在短路故障下，由沖擊電磁鐵推動；輔助回路由短延時雙金屬片、限流電阻和輔助觸頭組成。該斷路器還有長延時雙金屬片作過載保護(hù)用。當(dāng)短路電流通過時，沖擊電磁鐵打擊主觸頭，使之?dāng)嚅_。這時電流就轉(zhuǎn)移到輔助回路，但輔助回路有限流電阻，使短路電流限至幾百安培，短延時雙金屬片提供短延時作用，當(dāng)后一級小型斷路器限流分?jǐn)?，則復(fù)位彈簧使主觸頭重新閉合，使之不影響下一級其他分支回路供電，若后一級小斷路器不能動作，則經(jīng)過短延時雙金屬片延時后，使斷路器操作機(jī)構(gòu)動作，同時打開主觸頭和輔助觸頭。正常情況下，操作機(jī)構(gòu)同時操作主輔回路觸頭的合分，由于正常運行時，輔助回路電阻大，電流主要通過主回路來導(dǎo)通。當(dāng)短路故障時只有短路短延時特性，因而相當(dāng)于把瞬時脫扣器關(guān)斷，所以它與后一級小斷路器的配合是全選擇性的，由于引入了限流輔助回路，使發(fā)生短路故障時，在分?jǐn)噙^程中限制短路電流，以提高斷路器對短路電流的電動和熱穩(wěn)定性。當(dāng)選擇性保護(hù)向配電系統(tǒng)的負(fù)載和終端側(cè)延伸，如何實現(xiàn)從電源出線端到負(fù)載側(cè)的多層次選擇性保護(hù)就成為一個熱點問題，由于選擇性保護(hù)是依靠前一級斷路器的短延時來實現(xiàn)，因而多層次配電系統(tǒng)的前級斷路器及線路會受到較長時間短路電流的作用，這就限制了配電系統(tǒng)的層次的擴(kuò)大，采用快速區(qū)域聯(lián)鎖是解決該問題的一種方案。區(qū)域聯(lián)鎖是利用智能脫扣器的通信功能，其工作原理如圖5所示，當(dāng)下級斷路器QF2檢測到短路故障時，送出一邏輯等待信號給上一級斷路器QF1，使其在下級故障消除前閉鎖而不能動作。

圖6PR223EF智能脫扣器圖7智能斷路器的通信網(wǎng)絡(luò)ABB公司推出的具有快速區(qū)域選擇性聯(lián)鎖保護(hù)功能的PR223EF智能脫扣器（見圖6）有兩個特點：一是檢測故障的時間非常短；另一個是送出邏輯等待信號快，能讓前級的多個斷路器同時閉鎖。這兩個特點使選擇性保護(hù)的層次可以擴(kuò)大，甚至使選擇性匹配鏈延伸到整個配電裝置。這種智能脫扣器能用于250～800A的MCCB，并且能與萬能式斷路器選擇性匹配。2、智能低壓斷路器的電能管理與優(yōu)質(zhì)服務(wù)的配用電系統(tǒng)最近國家電網(wǎng)公司在天津所作“建設(shè)統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”的報告中指出智能電網(wǎng)的主要特性包括:能夠優(yōu)化資源，提高設(shè)備資產(chǎn)的利用率和電網(wǎng)的運行效率；能夠與電力市場和用戶進(jìn)行交互和實時響應(yīng)，提升服務(wù)水平；能夠以最優(yōu)成本向社會提供優(yōu)質(zhì)電力。這些特性體現(xiàn)在低壓配電系統(tǒng)和智能型斷路器上可理解為實現(xiàn)強(qiáng)有力的全面的電能管理，可實時監(jiān)測能源損耗，提高電力質(zhì)量，根據(jù)用戶情況制訂配電系統(tǒng)管理和維護(hù)計劃，使配電系統(tǒng)的節(jié)能增效更深入和高效。如施耐德公司的新型CompactNSXMCCB和Masterpact萬能式斷路器為了建立強(qiáng)有力的基于網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng)（見圖7），首先加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)通信功能［4］，并采用與Powerlogic監(jiān)控系統(tǒng)相容的Modbus通信協(xié)議，接至網(wǎng)關(guān)MPS100的網(wǎng)絡(luò)能夠為4～16臺設(shè)備服務(wù)，并通過網(wǎng)關(guān)MPS可將諸多網(wǎng)絡(luò)接至上一級的局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)(Internet)。網(wǎng)關(guān)MPS具有兩種功能：①將Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議，以便能訪問局域網(wǎng)；②通過裝載網(wǎng)頁服務(wù)程序可顯示設(shè)備提供的信息，即可查看斷路器狀態(tài)，以及配電系統(tǒng)功率和電量值，還可作為自動報警發(fā)布器及發(fā)送數(shù)據(jù)日志。智能電網(wǎng)主要技術(shù)之一是采用先進(jìn)的計量體系的技術(shù)與功能，即采用具有數(shù)字式計量、報警、液晶顯示、可通信及息信存儲等諸多功能的智能電表。CompactNSX斷路器的Micrologic智能脫扣器具有多參數(shù)電能測量功能，由內(nèi)置的微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用戶可在脫扣器的液晶顯示屏MicrologicLCD上，查看保護(hù)設(shè)置和電力參數(shù)的測量值，它還具有通信功能?？蓽y量數(shù)據(jù)包括電壓、電流、頻率、功率、諧波畸變率，并可顯示故障電流值。在智能斷路器的電能管理系統(tǒng)中，還帶有一柜門顯示單元FDM121，可安裝在配電柜的柜門上，它除了可顯示脫扣器顯示屏所顯示信息外，還可顯示需求量、電能質(zhì)量、最大值和最小值，以及故障報警、歷史日志和維護(hù)指示等信息，其中需求量的測量是可在一個時間區(qū)間內(nèi)計算所需電流值和功率值，以提供用電趨勢、負(fù)荷預(yù)測等，為卸載和重新加載提供依據(jù)，以便進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整。圖8三菱公司MCCB的MDU圖9光伏電池串發(fā)生故障時的逆向電流和施耐德公司類似，日本三菱公司的智能斷路器也有基于通信網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng)［3］，也帶有專門的測量顯示單元（MeasuringDisplayUnit，MDU），圖8為可裝于MCCB板面的MDU。智能電網(wǎng)的重要目標(biāo)是要建立經(jīng)濟(jì)、互動、優(yōu)質(zhì)服務(wù)的配電與用電系統(tǒng)，這就要求實現(xiàn)以電力為中心的能源、通信、信息綜合性增值服務(wù)。上述的電能管理系統(tǒng)只是在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了低壓電器元件和配電系統(tǒng)的聯(lián)系和綜合，隨著低壓元器件和配電系統(tǒng)通信功能的增強(qiáng)，西門子、ABB等企業(yè)還推出了全局性、系統(tǒng)性的解決方案［7］，提供從系統(tǒng)設(shè)計，到設(shè)備的選用、采購，直至運輸與安裝的一體化服務(wù)，實質(zhì)上整合了設(shè)計院與制造廠商的職責(zé)。出于對自己產(chǎn)品的深入認(rèn)識，可以使方案設(shè)計更合理、高效，大幅度提高系統(tǒng)安全性、可靠性與效率，也符合國家節(jié)能增效的整體戰(zhàn)略。如西門子公司提出了“綜合電力（IntegratedPower）”的新概念，它把ACCESSTM電能監(jiān)測系統(tǒng)、低壓開關(guān)柜、電動機(jī)控制中心、母線和電力變壓器綜合在一起，這種綜合還包含制造廠對用戶的綜合服務(wù)，即從系統(tǒng)的初始規(guī)劃、設(shè)計、運輸、安裝、開車、投產(chǎn)連接起來，做全面服務(wù)，給用戶最大的方便。ACCESSTM是一種基于Web的電能監(jiān)控系統(tǒng)，它提供實時企業(yè)級電力質(zhì)量和工作可靠性監(jiān)控，ACCESS提供最新電力質(zhì)量監(jiān)控的硬件和軟件技術(shù)，從這個系統(tǒng)可獲得大量的系統(tǒng)級數(shù)據(jù)信息，供分析、儲存和共享，由于ACCESS是基于Web的，故用戶可在任何地點、任何時間，方便地存取數(shù)據(jù)。ABB公司也提出了一個類似的總體解決方案，稱為工業(yè)IT，使新型的Emax萬能式斷路器、TmaxMCCB和其他產(chǎn)品都作為一個完整解決方案的一部分，每個功能單元可執(zhí)行測量、控制、優(yōu)化和相互協(xié)調(diào)、配合等功能，并為用戶提供安裝、使用及維護(hù)指導(dǎo)，實現(xiàn)產(chǎn)品到用戶服務(wù)綜合解決方案。ABB公司的Emax萬能式斷路器有很強(qiáng)的通信功能，它的通信模塊PR120/D-M可連接Modbus網(wǎng)絡(luò)，通信系統(tǒng)中BT030裝置可與筆記本電腦通過藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行通信，EP010-FBP作為一個總線插接件，采用ABBFieldbusPlug新概念，像一個插座，可選擇連接到Profibus、DeviceNet或AS-I總線網(wǎng)絡(luò)。3、用于新能源的低壓開關(guān)電器智能電網(wǎng)要充分發(fā)揮分布式清潔能源的作用，為了這一目標(biāo)，國際上也相應(yīng)開發(fā)了用于清潔能源的特種開關(guān)電器，如ABB公司最近推出了用于保護(hù)光伏電池串的高性能小型斷路器S800PVS［5］。光伏電池串的工作與一般電源不同，當(dāng)電池串某一單元短路時，其短路電流與正常工作電流相比，數(shù)量上大得不多，因而不適合用普通過載方式來保護(hù)，而當(dāng)陽光強(qiáng)時，它的工作電流會很大，也不適合用瞬時脫扣器來作為短路保護(hù)，保護(hù)光伏電池串主要是保護(hù)逆向電流。如圖9所示，當(dāng)某串中一單元電池短路時，正常工作的其他各電池串會向發(fā)生故障的這一串提供逆向電流，這時小型斷路器應(yīng)跳閘起保護(hù)作用。ABB公司開發(fā)的小型斷路器額定電壓至直流1200V，額定電流至125A，分?jǐn)嚯娏鱅cu為5kA。圖10永磁操作機(jī)構(gòu)分閘過程的三種工作情況圖11永磁機(jī)構(gòu)線圈電流在分閘過程的變化圖12用電流波形特征的方法獲得的觸頭磨損量實測值的對比4、智能開關(guān)的狀態(tài)檢測智能開關(guān)是智能電網(wǎng)中一個重要元器件，它的可靠運行直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全可靠，因而開關(guān)的狀態(tài)檢測十分重要。當(dāng)前一些新型低壓智能斷路器都帶有一定狀態(tài)檢測功能，如日本寺峙公司的Tempower系列的新型雙斷點萬能式斷路器可檢測觸頭溫度，施耐德公司低壓斷路器的智能脫扣器Micrologic能檢測觸頭磨損。這些檢測技術(shù)需要采用各種新的傳感技術(shù)，特別在中、高壓斷路器上，狀態(tài)檢測更顯重要，這里介紹日本三菱公司中壓永磁真空斷路器的狀態(tài)檢測技術(shù)［6］。永磁機(jī)構(gòu)的驅(qū)動特性受以下4種情況影響：①傳動部份摩擦力增大；②真空滅弧室內(nèi)觸頭摩損；③電容器性能變差；④永磁保持力減小。三菱公司永磁真空斷路器狀態(tài)檢測裝置是利用永磁機(jī)構(gòu)線圈電流波形的特征來檢測上述幾種狀態(tài)。當(dāng)真空斷路器分閘時，永磁機(jī)構(gòu)激磁線圈中的電流可表示為：U=iR+Ldi/dt+idL/dt式中：U為供電電容器電壓；R為線圈回路電阻；L為線圈等效電感，這里線圈反電勢有兩項，即Ldi/dt和idL/dt。圖10為永磁操作機(jī)構(gòu)分閘過程的三種工作狀態(tài)。圖11為永磁機(jī)構(gòu)線圈電流在分閘過程的變化，當(dāng)線圈開始通電，動鐵心尚未動作時，斷路器處于合閘狀態(tài)（見圖10(a)），線圈反電勢僅為Ldi/dt，這時線圈電流上升較快，而當(dāng)電流到達(dá)峰值，動鐵心開始動作，由于工作氣隙改變，使磁系統(tǒng)等效電感變化，因而增加了idL/dt項，這一反電勢促使了電流下降，當(dāng)T=Tcont時，相當(dāng)于圖11電流波形中點B，動觸頭走完超行程（圖10(b)），觸頭開始分離，這以后幫助觸頭分開的觸頭彈簧不再起作用，導(dǎo)致可動部分速度下降，idL/dt變小，電流波形上在T=Tcont瞬間出現(xiàn)曲變點，當(dāng)T=Tend時，動鐵心運動到分閘的終端位置（圖10(c)），線圈電流降至最底點，相當(dāng)于圖11中電流波形上點C，這時動鐵心不再運動，反電勢idL/dt消失，從這一點開始，電流重新上升，因而電流波形上出現(xiàn)第2個曲變點。由于當(dāng)上述四種影響操作機(jī)驅(qū)動特性的情況產(chǎn)生后，會影響傳動機(jī)構(gòu)的速度，以及動鐵心到達(dá)終端的時間，因而利用Tend變化就可檢測出斷路器的操作機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)是否良好。如可根據(jù)采樣得到的觸頭磨損前后的第2個曲變點時間差值ΔTend來判斷觸頭磨損量，圖12為用這種電流波形特征的傳感方法獲得的觸頭磨損量與實測值的對比，可見用這種方法檢測觸頭的磨