電氣時代網 電氣時代網 電氣時代網

智能低壓斷路器的研發及應用

在低壓配電網中,配電分支節點的智能低壓斷路器除了保護功能外,還實現了測量、通信和控制功能。一二次融合技術在低壓斷路器上的實現,簡化了低壓配電網絡的設備種類和通信接線。大全集團凱帆開關采用該思路設計了一種新型智能塑殼斷路器方案,融合了高精度測量及寬帶電力載波通信的功能。

作為低壓配電網中的關鍵設備,低壓斷路器起著保護和能量分配的作用。按照保護裝置類型分為熱磁式和電子式斷路器,根據保護功能分有電流保護斷路器和漏電及電流保護斷路器。其現狀與存在的問題如下:

1)熱磁式斷路器僅具有兩段式保護,保護參數難以準確設置,需要級差保護的場合不能方便設置。故障發生時,容易越級跳閘,停電范圍擴大。

2)熱磁式斷路器在線路出現過載故障保護后,需要經過時間冷卻后才能重新合閘,在環境溫度較高的場合,無法快速恢復供電。

3)電子式斷路器目前還無法滿足低壓配電網絡節點的要求,通信功能受制于現場條件大部分沒有實際使用。

4)低壓斷路器的測量功能不足,對于電壓、電流、電量以及溫度不能精確測量。外置式互感器及二次設備在現場大量使用,增加了臺區建設成本和維護成本。

5)低壓斷路器通信接口及通信規約不統一,設備布線調試周期長,通信不可靠。

6)由于市場競爭激烈,一味低價促銷導致目前的低壓斷路器產品質量參差不齊,低檔化嚴重。

智能低壓斷路器的定義

目前,無論是電網還是工礦企業、醫院和數據中心等都對配電智能化提出了更高的要求。同時,節能增效、自動化運維、精準故障定位和診斷等配電智能化的方案更是對低壓斷路器提出了更高的智能化要求。大全集團自主斷路器品牌凱帆開關認為,智能斷路器應該保護更可靠、感知更全面、組網更便捷以及功能更集成。圖1示為凱帆開關研制的智能低壓斷路器。

圖1 凱帆開關的智能低壓斷路器

1.更可靠的保護才是智能化的基石

萬能式斷路器已全面使用電子脫扣器,但其中占比較大的還是以電流過載保護、短路保護為主的經濟型電子脫扣器。塑殼斷路器中正在大量使用的還是機械式的熱磁脫扣器,由于熱元件、磁性材料的一致性較差,斷路器對于故障電流的保護只能在一定的寬范圍內,很難做到精準保護。同時,由于無法實現短路電流延時動作,傳統斷路器很難做到選擇性保護。隨著電子脫扣器應用占比的逐年上升,塑殼斷路器的電子脫扣器已經較熱磁脫扣器在保護的多樣性上有所提升,但是和萬能式斷路器一樣,還是僅限于以電流過載保護、短路保護為主的經濟型電子脫扣器。

稍微高級一些的電子脫扣器為實現更多保護功能,一般還會引入電壓測量,從而實現以電壓為基礎的保護,如過壓、欠壓和缺相等。大多數的故障可以由電流、電壓的異常來判斷,但是還有一部分隱患沒有表現在上述兩個參量上,這就需要借助其他參量,例如母線溫度。為此,凱帆開關通過集成于斷路器內部的溫度傳感器采集母線溫度,用母線溫度單獨或者結合母線電流、電壓判斷用電系統故障,形成報警或者脫扣。

除了保護以外,凱帆開關最新的智能電子脫扣器還對自身進行自檢以及附件進行實時狀態的監測,如分勵脫扣器、合閘線圈、欠壓脫扣器和儲能電機等線圈的斷線監測,以主控芯片為核心的通信檢測、內存檢測、磁通斷線檢測和主控芯片超溫等一系列內部自檢。為了避免主控芯片的實效風險,保護斷路器本體還加入了基于硬件電路的接通電流脫扣器(MCR)功能和高設定值瞬動短路保護(HSISC)。

2.更全面的感知才是智能化的數據基礎

測量電流、電壓可以用來保護和提高精度,還可以實現等同于多功能表的功能。低壓斷路器本身內部結構緊湊,剩余空間不規則等因素限制了測量互感器的內置,但是隨著新材料的發展以及加工工藝水平的提升,使得測量互感器內置成為可能。高精度測量互感器加上精密采樣電阻以及信號處理電路,讓智能斷路器可以實現0.2s級的電能測量。同時還可以計算出有功功率、無功功率、總功率、需用功率、功率因數、頻率、電量和電壓,電流2~32次諧波、電流諧波總畸變率、電壓2~32次諧波以及電壓諧波總畸變率等。

凱帆開關除了上述參量的高精度測量功能,還具備斷路器狀態檢測,實現了分閘、合閘及脫扣三狀態全面感知。在保護中提及的母線測溫功能,可在20~150℃范圍內誤差做到±1℃。

3.更便捷的組網才是智能化快速發展的催化劑

組網的便捷體現在兩個方面,一是免接或者少接通信線,即便捷安裝;二是免調試或者少調試,即便捷調試。

免接或者少接通信線會用到微功率無線通信,或者電力線載波通信方式。幾種通信方式有著各自的優勢和特點:電力線載波適合長距離通信,有網隨電通的特點,同時,依靠通信網絡和電力網絡共用的特點,還可以在一定程度上理順電力拓撲結構;微功率無線通信作為電力載波通信的補充,在電力線上干擾信號對載波信號影響嚴重的場合下,電壓設備通過無線通信。在該局域網內增加邊緣計算器,可實現邊緣控制。

如果通信地址唯一,數據模型明確,那么便可實現系統集成商或者電力成套公司的通信免調試工作。萬物互聯的時代已經開啟,借助于IPv6技術,可以給電力物聯網的每個節點劃分一個唯一地址,而數據模型各斷路器廠商又是明確的,因此隨著電力物聯網的發展,通信調試工作必然越來越方便。

智能低壓斷路器的設計原理

凱帆開關的新型高精度測量智能塑殼斷路器采用了一二次融合思路,保護和測量獨立設計。如圖2所示,新型智能塑殼斷路器由斷路器本體、保護模塊、保護互感器、測量模塊、電流測量互感器、電壓調理模塊和電流調理模塊構成。保護模塊負責完成與保護相關的數據采集,實時計算和監測斷路器狀態。測量模塊負責電壓、電流采集計算,以及電量、諧波、功率和功率因數等電參量的實時計算。

圖2 斷路器結構圖

參量的實時計算。保護電流互感器磁芯采用了硅鋼疊壓的處理。由于電流保護的范圍較大,一般到5倍左右,電流互感器產生了部分飽和現象。反應出來的一二次電流曲線為非線性的特點,需要根據保護互感器的二次電流輸出特性,采用二次曲線擬合方式對保護互感器進行校正。具體公式如下

Y=aX2 +bX+c

其中,X為一次側電流值,Y為修正后的二次側電流值,a、b和c為二次曲線參數。曲線擬合法可以對被測電流信號進行較為精確地修正,擴大保護的范圍,為電力線路的保護提供可靠的檢測信號。

由于塑殼斷路器內部空間有限,電流測量互感器設計受到嚴格的結構尺寸限制,在互感器磁芯材料選擇上選擇飽和磁感強度大、磁導率高的鐵基納米晶材料縮小互感器的尺寸。納米晶材料為一種新型軟磁材料,具有飽和磁感應強度高、量程寬、精度高、工作溫度范圍寬及頻率特性穩定的特點。

獨立的測量電流互感器加上高集成度的測量電路使得塑殼斷路器這類線路保護設備在保持原有產品尺寸的前提下,具備了測量能力。測量及顯示通信電路具有獨立于保護電路的電源供電回路,使塑殼斷路器的可靠性得到提升。

智能低壓斷路器的通信方式

作為低壓配電網絡的重要設備,低壓斷路器的通信方式比較單一,以RS485通信為主。這種通信方式的優點是通信穩定可靠,通信成功率較高。但其缺點也很明顯,部署調試以及運行維護的成本較高。新一代智能斷路器的通信功能為實現數據交互的實時性、準確性和安全性等特點,通信功能必須具備高效率、高帶寬、高可靠和低功耗等性能特點。

1)高效率:低壓斷路器在現場數量多,一個低壓臺區低壓斷路器之間的距離最大可達500m。快速高效的組網是首要考慮因素。

2)高帶寬:由于配電臺區終端低壓設備數量多,智能配變終端與低壓設備交互頻繁,傳輸的數據量將是非常龐大的,對通信傳輸有較高的要求,在高速傳輸的同時有著高帶寬的需求。

3)高可靠:通信電路集成于低壓斷路器內部應具有耐高溫、耐濕和防塵;通信電路還應能抵抗噪聲、電磁和雷電等干擾,保持穩定運行以及數據的不間斷性和準確性;在低壓斷路器發生跳閘時,應能抵抗事故所產生的瞬間強電磁干擾。

4)低功耗:支撐低壓斷路器停電上報業務需求,滿足停電期間告警信息上報。

5)低壓電力線寬帶載波(LVPLC)通信是利用低壓電力配電線(380/220V用戶線)作為信息傳輸媒介進行數據傳輸的一種特殊通信方式。

①低壓電力線寬帶載波路由合理,通道建設投資相對較低。

②低壓電力線寬帶載波通道帶寬較寬,傳輸速率較高,比窄帶載波性能更優良。

③傳輸頻段不受限,帶寬范圍內頻段自適應。

④受外界電力網絡干擾小,低壓電力線載波干擾頻段限制在1MHz以下,而低壓電力線寬帶載波是建立在1MHz以上帶寬的,低壓寬帶電力載波的基本頻帶為1~20MHz,擴展頻帶為3~100MHz,即可有效避免對外界的干擾。

⑤不需要重新架設網絡,只要有電線就能進行數據傳遞,運用維護應用成本低。

智能低壓斷路器集成寬帶電力載波通信技術,只需要按照常規方式安裝,即可實現通信鏈路的建立。低壓斷路器作為保護器件,分斷后應保持通信鏈路的暢通,以防止下游設備的重要信息丟失。

低壓電力線寬帶載波耦合器利用信號變壓器和電容耦合網絡,并在斷路器的斷點之間,在斷路器分斷后,對于50Hz的交流電起到完全的隔離作用。斷點之間的耐壓值達到8kV,符合低壓斷路器的隔離要求。

如圖3所示,利用信號變壓器及電容網絡搭建起對2~12MHz的一個高通信號通道,經過試驗驗證HPLC載波信號通過4級耦合網絡,通信仍可以正常傳輸,解決了斷路器多級連跳,近故障側斷路器數據不能上傳的問題。

圖3 電力線載波耦合模塊

應用及結論

凱帆開關研制的高精度智能塑殼斷路器已經在多個臺區進行了驗證(如圖4所示)。現場驗證顯示,該產品的優勢主要體現在以下幾方面:

圖4 智能低壓斷路器應用現場

1)傳統低壓柜內外置CT占用了抽屜柜巨大的空間,同時配合電能表測量低壓柜出線電壓、電流,接線復雜,柜門表顯示數據較為單一。智能低壓斷路器配備柜門顯示單元使該方案得到簡化,接線方便,無外置電流互感器。同時,柜門顯示單元除了顯示電壓、電流和電能外還可以顯示斷路器狀態、斷路器故障信息、事件記錄和諧波等。

2)臺區拓撲是臺區管理的基礎,線路損耗、竊電和故障定位等應用前提是有一個清晰明確地臺區拓撲圖。智能低壓斷路器依靠自身高精度的測量功能和實時通信能力,對于負載的特征可以進行有效的辨識。臺區分路關系根據負載的特征通過配變終端的算法可以得到理清。對于臺區的層級關系根據施工時的地址設定配變終端可以有效辨識。這種實施方案可以有效減少拓撲識別的模塊施加,減少臺區建設成本和施工、調試及維護成本。同時由于依靠負載側用電特征,無需額外注入特征信號,保障臺區用電安全,防止漏電保護動作。

3)智能斷路器強化了線路故障研判能力。全面感知的智能斷路器對于線路故障具有強大的研判能力,可對線路的電流短路、過載、漏電、電壓失壓、過壓、缺相、閃變、接線超溫、諧波、人為分閘、手動脫扣、遠程分閘和試驗跳閘等諸多故障進線研判。通過拓撲關系,快速定位故障點,縮短了故障搶修時間。

4)智能斷路器強化了設備自身管理能力。全面感知的智能斷路器加強了自診斷能力。對于斷路器的線路板溫度、電子元件故障、斷路器本體壽命以及自身運行時間實時統計,這些信息通過配變終端進行采集。經過主站計算可以得到資產凈值和資產折損率,精確評估當前設備的狀態、設備健康情況,形成體系,提前有序制定設備維護、更換計劃。

5)智能斷路器強化了線路異常的監測能力。具有精確測量能力的斷路器通過對配電網絡分支節點的電壓、電流和電量的實時監測,通過邊側配變終端的計算,實現了線路拓撲對異常變動的實時感知能力。低壓臺區拓撲的變更、竊電行為的實施,破壞了之前拓撲結構中的能量守恒,形成異常事件。線路異常事件精確定位并實時上報主站,形成派工單,進行線路異常點的排查。

由此可以看出,智能斷路器在臺區的實施具有明顯的提質增效的作用。在提高臺區管理效益的同時,減少了分路檢測單元、溫度傳感器、柜門計量表、外置式CT、拓撲識別儀和末端感知終端等二次設備的使用,具有較高的實用價值和較好的經濟性。

?

?

?

又色又爽又黄又免费的视频,永久黄网站色视频免费品善网,日本高清不卡中文字幕免费,国产乱理伦片在线观看夜