智能電網系統中低壓電器發展探討

摘要： 介紹了智能電網與智能電器的基本特征及相互關系;講述了智能電器在智能電網中的地位;深入分析了智能電網給低壓電器發展帶來的機遇及涉及的相關新技術。

0引言

早期的低壓電器主要用于接通和斷開電路 。 隨著電力系統容量逐漸增大， 電氣負載種類不斷 擴展， 低壓電器功能和種類也不斷增加 ， 逐漸形成 配電電器、 控制電器和終端電器三大類產品。 每 一類產品又有多種低壓電器， 它們在電力系統中 各自承擔著不同的功能。 隨著電子技術、 通信技術、 現場總線技術在低 壓電器中應用， 低壓電器具有可通信并逐步向網 絡化、 智能化發展。智能電網的發展， 給低壓電器 又提出了新的要求。本文重點探討智能電網與智 能電器的關系以及目前我國智能電網發展現狀與 動向。

1智能電網與智能電器

1. 1智能電器的發展

我國第一個智能低壓電器研發工作始于 20 世紀 80 年代后期， 上海電器科學研究所根據國外 萬能式斷路器發展動向， 提出了開發智能型萬能式斷路器 的 設 想。1990 年， 合 上 海 人 民 電 器 聯 廠、 遵義長征九廠向原機械工業部申報國家重點 于 企業技術開發項目， 1991 年正式立項。該項目 立項建議書和可行性分析報告中提出了智能型萬 能式斷路器具有以下基本特征。

(1) 保護功能齊全。萬能式斷路器作為低壓 配電系統主保護開關， 具有很高分斷能力， 其主要 功能是配電與保護。保護功能主要是系統過電流 保護， 并具有過載長延時、 短路短延時和短路瞬動 三段選擇性保護功能， 此外還具有欠壓保護等。 智能型萬能式斷路器的脫扣器采用微處理器使其 保護功能大大擴展， 凡是配電系統可能出現的故 障( 如接地故障、 斷相、 三相不平衡、 相序等 ) 均能 實現有效的保護。

(2) 電參數測量與顯示功能。 電能測量系統 中電壓、 電流、 功率因素、 有功、 無功功率等。

(3) 外部故障記錄與顯示。 原有萬能式斷路 器在線路發生故障跳閘后， 很難辨別故障類型及 給故障排除帶來困難， 甚至出現故障未 故障地點， 排除重新合閘斷路器， 使故障進一步擴大的情況屢有發生。智能型斷路器能正確記錄故障類型及 短路電流值， 給維護人員迅速排除故障提供了方 便， 能有效防止上述情況發生。

(4) 內部故障自診斷和報警功能。 智能斷路 “ 設置了 看門狗 ” 線路， 可周 器具有強大的功能， 期性不間斷檢查智能脫扣器線路工作狀況 ， 一旦 發現不正常， 立即發出報警， 便于維護人員及時維 修或更換， 確保了智能化斷路器可靠工作。

(5) 很多智能化斷路器還帶有出線端溫升預 警功能， 一旦出現斷路器出線端溫升偏高或接近 最高允許溫度， 斷路器立即發出警報。 維護人員 應檢查是斷路器出線端接觸不可靠 ( 往往由連接 以便及時 螺母沒有擰緊造成 ) 還是由過載引起， 排除故障， 確保配電系統安全運行。

DW45 智 能 化 斷 路 器 于 1995 年 通 過 鑒 定， 1997 年開始投入小批量生產， 3 個 框 架 等 級 有 2 000、 200、 300 A。 其中， 300 A 主回路為 3 6 6 2 臺3 200 A 并聯組合而成。該產品投放市場后， 由于其高性能和高可靠深受用戶歡迎。DW45 系 列斷路器目前年產量已超過 20 萬臺， 是我國低壓 電器發展史上推廣最成功的產品 。由于 DW45 大 DW17、 DW15 系列斷路器產量逐 使 量推廣， ME、 DW45 系列萬能式斷路器在配電 步下降。目前， 系統中運行的產品已超過 100 萬臺。實際使用表 明， 智能化斷路器使用可靠。

與智能化萬能式斷路器同時開發的智能化電 器產品有智能化塑殼斷路器。 該項目于 1991 年 1995 年樣品鑒定。由于該產品僅2 000 A 底立項， 一個規格， 且作為大電流塑殼斷路器由于短時耐 受電流不高， 很多場合不能作為配電系統主保護 開關和分路保護開關， 所以推廣應用不多。

從 20 世紀 90 年代開始， 又相繼開發了智能 智能型交流接觸器、 智能 型控制與保護開關電器、 型電動機保護器、 智能型軟起動器、 智能型雙電源 自動轉換開關等產品， 中國第三代低壓電器主要 由于低壓配電 產品已經具有智能化功能。 但是， 系統沒有通信功能和網絡化， 使智能型低壓電器 眾多智能化功能并沒有發揮應有的作用 。隨著計 算機技術、 通信技術、 自動化控制技術在低壓配電 和控制系統中應用， 這些系統開始采用現場總線 實現網絡化。采用現場總線技術后， 使低壓配電、 控制系統變得簡潔， 特別是低壓控制系統采用現場總線技術后， 節省了大量電纜和二次控制線。 雖然采用可通信低壓電器使電器成本有所上升 ， 由于電纜和二次線的大量減少， 使低壓控制系統 總成本反而下降， 而且采用現場總線網絡化系統 使低壓控制系統簡潔， 且設計、 安裝、 使用、 維 后， 護方便， 特別是系統更改與改造比較方便 ， 深受用 戶歡迎。

1. 2 智能電網與智能電器的關系

智能電網的概念其實很早就有專家提出， 只 。自從美國總統奧巴馬提出在美國 是沒有被重視 建設智能電網設想后， 立即引起了全世界的關注。 目前， 關于智能電網的概念與含義， 各國根據本國 電網特點及發展需要有不同的提法 。中國的智能 電網建設由國家電網公司統一規劃 、 統一標準、 統 一實施。國家電網公司根據中國電網特點， 提出 了構建以特高壓為核心的堅強電網， 并提出了智 能電網的基本含義是物理電網加信息化 。

電網是由發電、 輸電、 變電、 配電、 用電 5 大部 每一部分都由相應的電器設備組成。 從 分組成， 電器設備及系統角度看， 智能電網應具備以下基 本特征。

(1) 電網 5 大組成部分應各自形成 5 個網絡 5 系統， 個網絡系統應采用開放、 標準化、 先進的 通信協議， 5 個網絡能實現無縫鏈接， 且 使整個電 、 、 。 網通信簡潔 快捷 高效

(2) 智能電網中 5 大部分主要電氣設備應是 高性能、 高可靠性、 智能化。 到目前為止， 國內外 低壓電器標準上還沒有對低壓電器智能化進行定 義。但是， 智能化低壓電器這一說法已經被低壓 電器相關人員和部門所接受。 目前， 智能化低壓 電器基本含義是保護與控制功能齊全 ， 兼有測量、 故障報警記錄、 系統運行監控、 電能使用管理等功 能。

1. 3 智能電器在智能電網中地位

不同國家實現智能電網側重點各不相同， 但 輸 變 配 智能電網有一個共同點：建立一條從發、 、 、 用到用戶端的電能生產與消費的產業鏈， 其最終 80% 以上電能通過 體現價值在用戶端。 據統計， 用戶端低壓電器設備傳輸， 并最終消耗終端電器 設備上。

作為用戶端中起保護和控制作用的核心電器 — 設備——低壓電器， 處于智能電網鏈的 最 低 層。智能化低壓電器的性能、 功能、 可靠性直接影響到 智能電網的性能與可靠性。它是構建智能電網的 重要組成部分， 也是構建智能電網的重要基礎。 因此， 智能化低壓電器在智能電網中有著不可替 代的地位與作用。

2智能電網對低壓電器發展的影響

2. 1

全新的理念和要求

(1) 智能電網將采用統一平臺與標準， 新一代低壓電器必須從系統角度發展， 從而為低壓電 。 器發展帶來全新的理念。

智能電網要求用戶端采用統一、 標準化產品， 使目前分散、 重復在各自自動化系統、 監控系統、 電能管理系統、 在線監測裝置中的測量、 保護、 控 制等各類智能電器能在新的統一標準的技術支持 系統中逐步集成、 整合， 最終實現各種技術的高度融合， 使各類智能電器功能得到充分發揮 。

(2) 智能電網堅強、 自愈、 互動、 優化等要求 新一代智能電器對電網故障具有早期預警與快速 安全恢復和自愈功能。

根據智能電網要求構成的智能電網系統， 采 用現代通信技術和測量技術實現系統的壽命管 故障快速定位、 系統運行監控、 電能質量監控 理， 等。智能電器信號采集實現數字化， 既保證采樣 速率和良好的準確度， 便于通過數據分析進行故 障早期評估與預警; 通過網絡監控器快速定位故 障點， 通過網絡重新構架， 優化網絡運行以及故障 隔離， 非故障區自動恢復供電， 實現電網快速恢復 和自愈。

(3) 智能電網應用新能源系統， 提高電能效 率， 電網質量等方面對低壓電器提出了新的要求 。

為此， 需要開發適用于這些系統的具有特定 功能和性能要求的低壓電器。對低壓電器提出了 更多、 更高的要求， 傳統低壓電器將面臨延伸和擴 展， 包括這些新能源系統控制設備， 大容量真空電 特別要求的低壓斷路器、 過電壓保護裝置及系 器， 統等。

(4) 智能電網將打破傳統的生產、 消費模式， 形成生產與消費雙向互動的服務體系。 為此， 需 要具有雙向通信、 雙向計量能源管理網絡化的低 壓電器及系統的支撐， 它將進一步促進低壓電器 向網絡化方向快速發展。

2. 2提出新要求

對低壓斷路器提出的新要求

2. 2. 1 (1) 智能電網配電系統中萬能式斷路器將扮演更為重要的“角色” 它不再是單一的過電流保 而是將測、 檢 、控 、 保 、管 5 大功能集中、 整合于 一 體 的 綜 合 性、 功 能 開 關 電 器 設 備。 多

① 測：系統各類參數測量、 顯示; ② 檢： 內、 外部 故障檢測、 報警、 顯示、 開關運行狀態、 壽命檢測與 顯示;③ 控： 根據配電系統運行狀態， 運行參數， 由內、 外部故障情況， 系統運行要求， 發出各種指 ; ④ 保： 具 有 配 電 系 統 各 類 故 障 保 護 功 能 。 令 ⑤ 管：系統能量管理 ( 配電系統電能使用控制在 開關自身運行狀況、 壽命管理等， 并 最佳狀態 ) ， 確保配電系統運行可靠性。

(2) 智能電網對低壓斷路器故障檢測、 處理、 保護提出了全新的概念。① 檢測， 智能電網中低 壓 斷 路 器 應 具 有 故 障 快 速 檢 測 與 鑒 別 的 能 力; ② 處理， 對各類故障迅速做出報警、 分斷、 或其他 并作出相關顯示;③ 保護， 快速區域聯 控制指令， 鎖、 故障區隔離、 故障排除后系統自愈和自動恢復 功能。

(3) 各類智能型低壓電器功能取舍， 性能協 調， 配合等。

(4) 分布式新能源系統接入后， 對低壓斷路 器出現電能雙向傳輸， 因此， 對低壓斷路器過電流 保護也提出了新的要求。

(5) 新 能 源 系 統 特 定 環 境， 環 境 溫 度、 如 振 動、 雷擊、 工作電壓等對低壓斷路器提出了新的要 求。

2. 2. 2 對控制電器提出的新要求

低壓控制電器主要包括交流接觸器、 熱繼電 電子式過載繼電器 ( 電子式電動機保護器 ) 、 器、 起動器、 控制與保護開關電器、 軟起動器、 控制電 路電器。限于篇幅， 本文重點介紹對交流接觸器、 電子式電動保護器、 起動器等產品的整體要求。

(1) 交流接觸器、 電動機保護器、 起動器結構 上必須考慮模塊化、 組合化要求， 便于發展相應的 組合電器。

(2) 具有 雙 向 通 信 功 能 及 相 關 參 數 測 量 功 能。

(3) 具有較為完善的電動機各類故障檢測 、 預警與保護功能

(4) 起動器使用壽命指示、 預警與管理功能。

3智能電網與智能電器發展相關新技術

3. 1低壓電器智能化技術

(1) 各類低壓電器根據其低壓配電、 控制系統中地位與作用應具有哪些智能化功能 ? 如何實 現這些功能。

(2) 智能化低壓電器標準研究與制定; 智能 化功能測試設備、 測試方法研究。

(3) 智能化低壓電器集成技術研究; 多種智 能化電器集成時對不同低壓電器智能化功能舍 取;多種功能重疊時相互協調與配合研究 。

(4) 智 能 化 低 壓 電 器 可 靠 性 ( 包 括 EMC 技 術) 研究。

3. 2 智能電器可通信技術

智能化低壓電器強大功能要充分發揮， 必須依賴于低壓配電與控制系統網絡化。 為此， 對低 壓電器提出了可通信要求。 為了滿足網絡化要 求， 又將涉及一系列技術的研究。

(1) 網絡化電器與系統標準化研究： ① 適合 具有國際先進水平的 智能電器和智能配電網絡、 開放式通信協議標準制訂;② 適合我國發展需要 的低壓電器通信規約研究與制訂; ③ 可通信低壓 電器通用技術要求研究;④ 智能配電網絡配套附 件標準研究與編制。

(2) 高、中 、低 壓 配 電 系 統無縫鏈接技術研 究。

(3) 智能網絡系統配套附件研究與開發 。

(4) 智能網絡系統典型方案與整體解決方案 研究。

(5) 可通信電器試驗方法研究及相關檢測設 備研制并建立相應試驗基地。

3. 3 智能配電系統過電流保護新技術

當配電系統發生非正常過電流時， 低壓電器 應及時斷開。 為了使故障停電限制在最小范圍， 低壓電器應有選擇性斷開， 即故障級保護電器迅 速切除故障電路， 上級保護電器不跳閘， 這對智能 電網尤為重要。 但是， 目前低壓配電系統過電流 保護存在以下問題：

(1) 選擇性保護沒有覆蓋整個配電系統， 目 前終端配電系統基本上沒有選擇性保護 。

(2) 過電流選擇性保護局限在一定電流范圍 內， 只有在短路電流小于上級斷路器短延時整定 范圍內才能實現選擇性保護。

(3) 實現選擇性保護時間較長， 一般在 1 s 左 右。不僅提高了低壓斷路器短時耐受電流要求 ， 而且對低壓成套開關設備及系統熱穩定提出了很 高要求。

智能電網配電系統過電流保護應達到目標 。

(1) 過電流選擇性保護應覆蓋整個低壓配電 系統， 包括終端配電系統。

(2) 實現全電流范圍內選擇性保護， 當下級 也能實現選擇性 故障電流達到上級瞬動電流時， 保護。

(3) 在極短時間內實現選擇性保護 ( 控制在 200 ms 以內) 。

(4) 從根 本 上 消 除 系 統 短 路 時 越 級 跳 閘 或 下級斷路器同時跳閘的狀況， 確保故障停電限 上、 制在最小范圍。

為了實現全范圍、 全電流選擇性保護， 需要解 決以下技術關鍵：

(1) 全范圍、 全電流選擇性保護總體解決方 案研究。

(2) 區域聯鎖選擇性保護技術研究。 ①區域 聯鎖各級保護電器動作邏輯程序研究 ;②上、 下級 ; ③短路故障快 保護電器區域聯鎖模塊匹配技術 速鑒別技術與快速閉鎖技術; ④區域聯鎖可靠性 技術。

(3) 萬能式斷路器全電流選擇性保護技術研 究。重點是提高萬能式斷路器短時耐受電流， 實 現 I cu = I cs = I cw 。

(4) 塑殼斷路器限流選擇性保護技術研究 。 ①實現限流選擇性保護基本條件及可靠性研究 ; ②提高中、 大容量塑殼斷路器短時耐受電流 ;③提 高中、 小容量塑殼斷路器限流性能;④短路電流快 速鑒別技術。

(5) 小型斷路器帶選擇性保護 ( SMCB) 。

圖1 工作原理圖

① 實現小型斷路器選擇性保護技術方案， 其工作原 理如圖 1 所示。當終端配電系統某一支路發生故 障時， 支 路 小 型 斷 路 器 應 迅 速 動 作 切 斷 故 障 該 電路 。 在故障電路小型斷路器切斷短路電流時 ， 終端配電系統主開關觸頭在短路電流電動力和快 速動作電磁鐵作用下觸頭分開 ， 電流轉移至輔助回路， 由于輔助回路限流電阻存在， 使短路故障電 流限制在幾百 A。如果故障支路小型斷路器正常 SMCB 主回路將重新閉合， 分斷， 從而實現選擇性 保護。當故障支路小型斷路器不能正常分斷短路 SMCB 輔助回路熱雙金屬機構帶動 SMCB 電流時， 觸頭斷開， 從而切斷短路故障。 ② SMCB 小型化 技術研究。 ③ SMCB 智能模塊研究。 ④ SMCB 能 否作為上、 下級保護電器同時使用。 ⑤ SMCB 與 上級 MCCB 選擇性匹配技術。

智能配電系統實現全電流、 全范圍選擇性保 護， 將是配電系統過電流保護技術一次重大飛躍 。 它帶來的技術和經濟意義是不可估量的， 對智能 電網建設具有更重大意義。

3. 4 智能電網過電壓保護技術

由于智能電網中大量采用網絡化、 信息化技 這些設備中含有大量電子器件， 相 術及相關設備， 當一部分設備本身就是電子化的， 易受雷電和系 統中其他開關設備操作過電壓傷害。 另外， 智能 這些系統無 電網中必然包括分布式新能源系統， 論 是發電設備還是控制設備同樣易受過電壓傷 害。因此， 智能電網過電壓保護尤為重要， 它涉及的關鍵技術主要有以下幾個方面： ① 智能電網 SPD 配置技術 ( 整體解決方案 ) ; ② 智能電網用 SPD 產品結構與性能研究;③ 智能電網用 SPD 使 用安全性研究; ④ 智能電網用 SPD 組合技術研究。

3. 5 分布式新能源系統相關技術

風力發電系統和太陽能光伏發電系統無疑是 未來智能電網重要組成部分， 其涉及的關鍵技術 有：① 大容量變流裝置及相關技術; ② 分布式新 能源系統控制與保護技術;③ 新能源系統并網技 術及相關設備研制;④ 電能雙向傳輸帶來的電能 計量技術; ⑤ 電能雙向傳輸系統過電流保護技 術;⑥ 分布式新能源系統過電壓保護技術 。

4結語

綜觀智能電網的發展， 今后一定時期內低壓 展望未來， 智能低壓電器 電器將依附其快速發展， 有著美好的發展前景;同時， 智能低壓電器必將成 低壓電器必將煥發新的生 為智能電網重要支撐， 命力。

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