基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓智能斷路器設(shè)計(jì)

蔣欣利，丁珊珊，江 碩，屈樂巖，周 寧，桑家琪

（國網(wǎng)浙江金華金東供電分公司，浙江 金華 321000）

0 引 言

在智能變電站中，斷路器的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場配電網(wǎng)絡(luò)與控制室中計(jì)算機(jī)的無線、遠(yuǎn)程連接，以此使低壓配電體系具備遠(yuǎn)程遙控、通信調(diào)度等眾多功能。在實(shí)際運(yùn)行過程中，基于低壓智能配電站的運(yùn)行需要，通過對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控體系構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以此在變電站中各類設(shè)備出現(xiàn)故障問題時(shí)第一時(shí)間作出響應(yīng)，并為后續(xù)運(yùn)維策略的提出提供更充足的時(shí)間條件，促進(jìn)了變電站的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性提升。目前云服務(wù)器的應(yīng)用逐漸成熟，并且在功能上也不斷升級(jí)，應(yīng)用逐漸變得方便快捷，在這樣的發(fā)展趨勢下對斷路器也提出了更高的要求。而當(dāng)前的斷路器在低壓智能變電站中應(yīng)用時(shí)，額定極限短路分?jǐn)嗄芰Α㈩~定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰^差，影響了變電站的運(yùn)行安全[1]。因此，當(dāng)前配電體系中亟需一種能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)融合的新智能斷路器。

基于此，本文選擇將GFM1Z系列的塑料外殼式斷路器作為研究對象，針對這一斷路器嘗試引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其設(shè)計(jì)研究。GFM1Z系列斷路器在運(yùn)行過程中，其交流頻率為50 Hz，額定絕緣電壓為800 V。在實(shí)際運(yùn)行中的工作電壓為400 V/690 V，額定工作電流最大可以達(dá)到630 A[2]。GFM1Z系列斷路器可采用垂直安裝方式或水平安裝方式，根據(jù)實(shí)際安裝位置的結(jié)構(gòu)需求自主選擇。在執(zhí)行過程中充分符合多項(xiàng)斷路器運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓智能斷路器設(shè)計(jì)

1.1 低壓智能斷路器基本結(jié)構(gòu)

低壓智能斷路器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中X-X和Y-Y為斷路器中心，3P、4P的寬度尺寸為斷路器本體與右側(cè)模塊寬度之和。

圖1 GFM1Z系列物聯(lián)型塑料外殼式斷路器基本結(jié)構(gòu)

在圖1結(jié)構(gòu)中，斷路器的核心結(jié)構(gòu)為脫扣裝置，該裝置的應(yīng)用能夠在斷路器出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過過載長延時(shí)、短延時(shí)等方式實(shí)現(xiàn)對其保護(hù)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，可以根據(jù)用戶的需要自行完成對脫扣裝置的安裝，達(dá)到理想的斷路器保護(hù)特性[3]。在斷路器當(dāng)中脫扣裝置可分為兩種，一種為分勵(lì)脫扣，另一種為欠壓脫扣。通常情況下，脫扣應(yīng)安裝在A相線路上。在額定電壓為70%～100%時(shí)，脫扣裝置能夠輔助斷路器實(shí)現(xiàn)更可靠的脫扣動(dòng)作[4]。為確保斷路器的穩(wěn)定運(yùn)行，在其結(jié)構(gòu)中引入輔助觸頭，針對不同電流等級(jí)，對轉(zhuǎn)換觸頭分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對殼架等級(jí)電流在400 A及以上，可采用2組轉(zhuǎn)換觸頭；針對殼架等級(jí)電流在250 A及以下，可采用一組轉(zhuǎn)換觸頭。除此之外，電流在400 A及以上可根據(jù)用戶的實(shí)際需要，一組可安裝2對或4對觸頭[5]。輔助觸頭的約定發(fā)熱電流為3 A，交流400 V時(shí)的額定工作電流為0.30 A（額定電流小于或等于250 A時(shí)）和0.4 A（額定電流大于或等于400 A時(shí)）。圖2為斷路器輔助觸頭的連線。

圖2 斷路器輔助觸頭的連線

除輔助觸頭外，在斷路器上還設(shè)置一個(gè)報(bào)警觸頭。在斷路器處于“分”或“合”時(shí)，報(bào)警觸頭B11與B12相連；在斷路器處于“自由脫扣”時(shí)，報(bào)警觸頭B11與B14相連。報(bào)警觸頭在斷路器運(yùn)行過程中約定發(fā)熱電流為3 A，在額定工作電壓為交流400 V，額定工作電流為0.3 A。圖3為斷路器報(bào)警觸頭接線。

圖3 斷路器報(bào)警觸頭接線

在斷路器正常運(yùn)行狀態(tài)下，各個(gè)觸頭都不會(huì)做出動(dòng)作，只有在發(fā)生自由脫扣或出現(xiàn)故障問題而跳閘時(shí)觸頭才會(huì)改變其原有的狀態(tài)。此時(shí)常開會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，而閉合會(huì)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)。待異常狀態(tài)消失后，斷路器自動(dòng)扣合，此時(shí)觸頭也逐漸恢復(fù)到原始狀態(tài)和原始位置上[6]。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的斷路器功能設(shè)計(jì)

GFM1Z系列物聯(lián)型塑料外殼式斷路器具備電壓、電流、電量、功率等數(shù)據(jù)的采集和傳輸，在運(yùn)行過程中，斷路器的電流精度通常小于0.5%，電壓精度通常小于0.5%，有功功率的測量精度小于1.0%，無功功率的測量精度小于2.0%。此外，本產(chǎn)品還具有HPLC通信模組藍(lán)牙和載波的遠(yuǎn)程控制，可以讀取電壓、電流等參數(shù)。

通過以上設(shè)計(jì)，在該系列斷路器中新增加拓?fù)淠K，通過拓?fù)淠K識(shí)別功能可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速精準(zhǔn)定位為整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的電量調(diào)配提供有利參考數(shù)據(jù)[7]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到該斷路器當(dāng)中，使其具備保護(hù)功能、顯示功能、設(shè)置功能、查詢功能、控制功能、自檢功能、監(jiān)控記錄功能以及相關(guān)輔助功能。

斷路器的保護(hù)功能為：過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、斷相保護(hù)、短路短延時(shí)、瞬時(shí)保護(hù)、缺零保護(hù)以及電流不平衡保護(hù)等。

斷路器的顯示功能為：合閘狀態(tài)下自動(dòng)輪顯當(dāng)前額定電流值、當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前三相電壓參數(shù)以及當(dāng)前三相電流等參數(shù)。

設(shè)置和查詢功能為：通過點(diǎn)擊斷路器上的“過壓”“欠壓”“缺相”等功能的開啟鍵和關(guān)閉鍵實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，并對當(dāng)前斷路器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行查詢。同時(shí)，通過按鍵也可以實(shí)現(xiàn)對斷路器額定電壓和額定電流的設(shè)定，避免斷路器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流的問題產(chǎn)生，提高斷路器自身的運(yùn)行穩(wěn)定性。

控制功能為：利用斷路器上的按鍵，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場跳閘的控制，或通過遠(yuǎn)程操作設(shè)定分閘時(shí)間。

自檢功能為：具有遠(yuǎn)程試跳、定時(shí)試跳等自檢功能。

監(jiān)控記錄功能為：可記錄超過30天的三相電壓、電流運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)在記錄過程中可以對三相電壓或電流的最小值、最大值等進(jìn)行標(biāo)記。

輔助功能為：引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配備拔插式電能表載波通信掛包，為斷路器的遠(yuǎn)程通信傳輸提供多種通信協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)通信功能的建立，對參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，對運(yùn)行過程中產(chǎn)生的信息進(jìn)行查詢、下載和存儲(chǔ)等。

1.3 操作流程說明

在斷路器的操作面板上包含4個(gè)按鍵，分別為“菜單”“返回”“移位”和“遞增”。除上述按鍵對應(yīng)的各個(gè)功能以外，若同時(shí)按下某兩個(gè)鍵還會(huì)自動(dòng)觸發(fā)快捷模式，在實(shí)際應(yīng)用中各個(gè)按鍵操作分別對應(yīng)下述內(nèi)容。

“菜單”：進(jìn)入菜單查詢界面，進(jìn)入菜單中可確定。

“返回”：退出菜單回到主界面，長按可設(shè)置功能全開啟、關(guān)閉、恢復(fù)出廠設(shè)置以及按確定鍵分閘。

“遞增”：主界面中可輪顯界面信息，進(jìn)入菜單中可遞增。

“移位”：可快速進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面。進(jìn)入菜單中可移位。進(jìn)入功能開啟、關(guān)閉、界面，按“移位”或“遞增”鍵在開啟關(guān)閉或告警之間切換。在斷路器的保護(hù)裝置處于正常的運(yùn)行狀態(tài)中時(shí)，其顯示為合閘運(yùn)行，如圖4所示。

圖4 斷路器保護(hù)器運(yùn)行顯示

當(dāng)斷路器的保護(hù)裝置轉(zhuǎn)變?yōu)榉珠l狀態(tài)時(shí)，此時(shí)其顯示界面上會(huì)自動(dòng)跳出跳閘的信息，并將此時(shí)斷路器運(yùn)行狀態(tài)同步顯示，得到如圖5所示的顯示效果。

圖5 斷路器保護(hù)器跳閘信息顯示

當(dāng)?shù)蛪褐悄茏冸娬局腥我庖粋€(gè)設(shè)備連接線路的電流超出了設(shè)定的安全額定電流數(shù)值，并且數(shù)值超出1.2倍及以上時(shí)，此時(shí)斷路器當(dāng)中的保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)顯示存在異常，并將過載的參數(shù)進(jìn)行具體顯示，過載延時(shí)。

“返回”：返回到系統(tǒng)主界面；退出上一個(gè)設(shè)置的狀態(tài)或查詢狀態(tài)，并自動(dòng)恢復(fù)到斷路器在跳閘后的停顯狀態(tài)。

“菜單”：可用于進(jìn)入菜單界面，在界面當(dāng)中完成對各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置和對用戶賬號(hào)密碼的輸入。進(jìn)入菜單后，在閘位信息記錄中，按“移位”“遞增”鍵，可以實(shí)現(xiàn)對斷路器在最近幾次跳閘情況的具體信息進(jìn)行查詢。進(jìn)入菜單，選中跳閘次數(shù)，并自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對調(diào)差次數(shù)的查詢狀態(tài)當(dāng)中。在完成查詢后將得到的查詢結(jié)果顯示在顯示界面當(dāng)中，以此實(shí)現(xiàn)對斷路器運(yùn)行情況的可視化呈現(xiàn)。

2 斷路器應(yīng)用性能對比

在上述論述基礎(chǔ)上，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種全新的低壓智能斷路器。為了探究新的斷路器應(yīng)用效果以及應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后斷路器的性能變化，將新的斷路器設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將基于變分模態(tài)分解（Variational Mode Decomposition，VMD）的斷路器作為對照組。將兩種斷路器應(yīng)用到相同的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，針對斷路器在運(yùn)行過程中不同工作電壓時(shí)處于額定極限狀態(tài)中的短路分?jǐn)嗄芰Α⑦\(yùn)行狀態(tài)下的短路分?jǐn)嗄芰M(jìn)行探究。

已知兩種斷路器的極數(shù)均為3P+N、4P，額定工作電壓均為交流400/690 V，額定沖擊耐受電壓均為8 000 V，飛弧距離均小于100 mm。在確保兩種斷路器應(yīng)用環(huán)境及周圍干擾因素均相同的情況下，同時(shí)開始運(yùn)行，并在這一過程中記錄本文設(shè)計(jì)的斷路器與對照組斷路器額定極限短路分?jǐn)嗄芰Α㈩~定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Φ雀黜?xiàng)性能比較，并得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對照組斷路器應(yīng)用性能對比表（單位：kA）

表1中性能A表示為額定極限短路分?jǐn)嗄芰Γ阅蹷表示為額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Α谋?中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在兩種不同的工作電壓條件下，實(shí)驗(yàn)組斷路器無論是額定極限短路分?jǐn)嗄芰€是額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰Φ谋憩F(xiàn)均優(yōu)于對照組斷路器，具備更優(yōu)的綜合性能應(yīng)用優(yōu)勢。

通過上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，低壓智能斷路器的綜合能力得到明顯提升，在實(shí)際應(yīng)用中具有更理想的應(yīng)用效果。同時(shí)，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的斷路器在實(shí)際應(yīng)用中用戶不需要額外購買監(jiān)控設(shè)備以及對監(jiān)控設(shè)備的現(xiàn)場總線敷設(shè)，能夠充分節(jié)省開支。同時(shí)，通過物聯(lián)網(wǎng)上的云服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)斷路器的聯(lián)網(wǎng)，不需要對各個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，整個(gè)安裝過程消耗的時(shí)間更短，并進(jìn)一步大幅降低成本支出。

3 結(jié) 論

在斷路器當(dāng)中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對于提升斷路器整體性能具有十分重要的積極作用。通過本文論述，實(shí)現(xiàn)了對這一論點(diǎn)的驗(yàn)證，并提出了一種全新的斷路器設(shè)計(jì)思路。同時(shí)，通過研究得出，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，在斷路器運(yùn)行過程中能夠充分體現(xiàn)其數(shù)字化優(yōu)勢，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)低壓配電體系向著智能化的方向發(fā)展。