智能型開關電器的研發現狀與分析

付鵬曉

（武漢海翼科技有限公司，湖北武漢，430070）

0 引言

在電力系統中，開關電器由電氣隔離開關、熔斷器或斷路器組成，用于控制、保護和隔離電氣設備。開關電器用于使設備斷電以完成工作并清除下游故障。這類設備直接關系到電力供應的可靠性。最早的中央發電站使用簡單的開放式刀開關，安裝在大理石或石棉絕緣板上。功率水平和電壓迅速升高，使得打開手動操作的開關的危險性提高。充油開關電器可以控制和安全控制電弧能量。到20世紀初，開關電器系列將是一種金屬封閉結構，帶有使用油斷路器的電動開關元件。如今，充油設備已在很大程度上被鼓風、真空或SF6所取代設備，允許自動設備安全地控制大電流和功率水平[1]。高壓開關電器是在19世紀末發明的，用于操作電機和其他電機。隨著時間的推移，這項技術得到了改進，現在可以在高達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電器，常常位于的高壓側和低壓側。變壓器低壓側的開關電器可能位于建筑物內，帶有用于配電電路的中壓斷路器，以及計量、控制和保護設備。對于工業應用，變壓器和開關電器系列可以組合在一個外殼中，稱為組合變電站（美國）。根據市場研究公司Visiongain的最新研究，到2029年，全球開關電器市場預計將達到1525億美元，復合年增長率為5.9%。對可再生能源的投資不斷增加以及對安全配電系統的需求增加，預計將產生增長。

1 智能開關電器的功能與意義

智能開關電器基于計算機技術運行。他們的USP是雙向實時通信的可能性。它們能夠測量各種參數并將讀數實時傳輸到能源公用事業和管理中心。它們允許從遠程控制中心監控和配置系統，這可能是它們最大的優勢。他們可以從這個遙遠的位置輕松執行分配的任務。智能系統可以非常快速地檢測到可能導致火災的電火花。事實上，它們可以防止大多數有害情況——短路、過載、組件故障等。智能開關電器可以預測負載網絡內的每月電力需求。他們監控系統并識別何時出現問題，在傳輸和分配過程中提前發送有關可能發生故障的警報。智能開關電器的這種警惕特性在很大程度上降低了功率損耗。智能開關電器易于維護，并且由于它們有助于智能能源管理，因此可以減少電費。智能開關電器配備了各種先進的軟件來保護系統免受故障。它們嵌入了自我監控功能和傳感器，可提高設備的效率和安全性。這些傳感器可以監控和顯示溫度、電流、高壓等數據。溫度和濕度傳感器通過檢測改變濕度和空氣溫度的變化來工作。斷路器中的傳感器監測后者的機械性能。

2 智能開關電器的種類及其應用

2.1 智能斷路器

智能斷路器是一種電子設備，包含電子設備、傳感器裝置和執行器三部分共同構成，通過遙控操作斷路器，實現通斷、監控和采集電路及負載設備的使用狀態。智能斷路器可以通過互聯網實時反饋和記錄電路和設備的信息狀態。我們也稱它為物聯網斷路器或遙控斷路器。可使用多種協議進行遠程控制，如 RS485、RJ45（網口）、WiFi、藍牙、4G/5G 等協議。配置智能家居斷路器，可以遠程控制和采集設備電路中的一些數據，讓我們可以更合理的組合使用設備[2]。一些智能家居斷路器集成了多種電路保護器的功能，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、過載保護和漏電保護等功能。它還結合了過欠壓保護，溫度過欠壓保護，過功率或欠功率保護，我們還可以設置每個功能的狀態，可以關閉保護，打開保護，或設置警報。使用手機APP或電腦端遠程調整各種值，如額定電流值的調整、額定漏電保護脫扣值的調整、過壓或欠壓百分比值、溫度保護value或其他值，以便用戶可以根據自己的使用情況去。還可以實時監控記錄負載側電器的用電量，每小時、每天、每月用電量統計，并根據用戶自身情況設置時間對負載電器進行控制。

從物理上講，智能斷路器可以代替傳統的斷路器，也可以包括連接到現有斷路器的單獨硬件。新的智能斷路器或硬件可能包括功率傳感器、繼電器等機械開關機制和通信板。大多數住宅智能斷路器技術還將包括軟件以及移動或基于網絡的用戶界面。電磁部分與傳統斷路器相同。如果電路出現過載或短路故障，就像傳統的斷路器一樣，過載保護是通過雙金屬片的熱傳導到一定值，然后斷路器跳閘保護過載。短路保護通過斷路器的線圈部分進行快速跳閘保護。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雜的電路板，由各種控制模塊和通訊模塊組合而成。信號從遠程控制終端輸入，如手機應用程序或電腦，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據和信息，并將其發送回遠程終端。用戶可以根據這些信息參數進行實時遠程控制，調整數值，設定時間，設定計劃。它不必像傳統的斷路器。您必須在現場操作斷路器，并且需要各種電氣設備來收集故障信息。近向年來我國的一些廠家研究開發了關于戶內戶外的多功能全方面的智能斷路器產品，這些產品會逐漸在市場上出現。

圖1 智能斷路器

除了傳統的過流保護之外，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關鍵特性。許多家庭都有幻象負載，即使在不使用時也會消耗大量電力。當房主知道他們不打算使用這些電路時，他們可以簡單地安排這些電路關閉。由于多種原因，公用事業公司正在迅速發展電費，并且越來越多的趨勢是根據一天中的時間（通常稱為使用時間費率）收取可變費率。與調度幻象負載類似，也可以安排高能耗設備（如交流電、熱水器、洗衣機或干衣機）僅在電費較低（非高峰期）時運行。

2.2 智能GIS

氣體絕緣高壓開關電器（GIS）是一種緊湊型金屬封裝開關電器，由斷路器和隔離開關等高壓元件組成，可在狹窄空間內安全運行。由微電子技術，網絡技術，電子傳感技術以及數控技術和電器控制技術巧妙完美的結合在一起。不同的數據在線監測與數據操作兩個方面是GIS的智能化具體體現。實事說明，它是電磁式電壓電流互感器轉變成新型傳感器的一種技術，這一技術運用全新的電子操作系統。擁有保護和控制功能的計算機對收集來的這些數據參數進行整理分析，從而正確安全可靠地監視GIS的工作狀態，并且還能夠對系統自身進行定期的自檢修復[3]。

GIS用于空間有限的地方，例如擴展、城市建筑、屋頂、海上平臺、工業廠房和水力發電廠。日立能源一直并將繼續推動GIS技術在評級、操作、開關技術、智能控制和監督以及緊湊性方面的創新。因此，日立能源的GIS具有出色的可靠性、操作安全性和環境兼容性。它為從72.5kV到1200kV匹配電流和現代開關電器的未來要求的所有額定值和應用提供完整系列的產品。

新一代氣體絕緣金屬封閉開關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電路。開關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。可廣泛應用于城市地鐵、城鄉電網、大型工礦企業、高原變電站等場所。隨著未來無人值守數字化變電站的發展，智能高壓開關電器為方便運檢減少了值守人員。這種智能化的高壓開關電器可以通過無人值守，機器人靠近時，通過藍牙數據傳輸功能把開關正在運行的狀態傳輸到值守機器人數據庫中，也可以直接傳到后臺，把數據傳到我們現場調試人員的手機中，通過了手機內安裝相對應的軟件使開關狀態一目了然，極大的方便了現場調試和運檢需要。

2.3 智能高壓開關柜

智能高壓開關柜引入計算機技術將其作為檢測、計量、保護的核心，與斷路器配合，通過光纖網絡將開關柜信息以數字信號方式傳輸，其計量、保護、控制、通信以及記錄等功能均可通過光纖通訊技術、數字顯示技術等可靠地運用起來。現代化的高壓開關柜是一套完整的設備，其功能和高壓斷路器相比較更具用實用價值現在在國內外擁有良好市場前景的智能化高壓開關柜產品都擁有很多的實用性的優異功能:如脫扣回路斷線檢測、檢測工作時間、檢驗接觸部件、測試彈簧的儲能時間、控制與檢測溫度和濕度等[4]。我國很多公司推出的智能高壓開關柜具有很多的保護功能，其中包括對高電壓、高電流、高溫的限流限制以及接地斷路等，并且還可以根據具體情況任意組合。在工作過程中智能高壓開關柜能夠科學的對監測到的數據進行有效處理、進行故障預測報告及開關不有多長的使用時間。這種類型的開關柜還可對電氣的回路開關、電源設備等進行監視。

臧春艷[5]提到ABB發布的智能高壓開關柜REF542在其集中控制/保護單元中具有限流、過欠壓、過熱、接地故障等多種保護功能，可以根據需要自由組合，我可以做到。集中控制/保護單元還具有智能診斷能力，可以分析和處理監控數據，預測故障，確定開關的剩余使用壽命，計算維護時間。此類開關電器的監控功能包括監控電氣輔助電路、為電動開關電器供電和跳閘線圈完整性。機械方面包括監測斷路器中儲能彈簧的狀態和機械操作的次數；此外還能監控軟件和時間和熱量相關參數。

圖2 智能化集中控制/保護單元

2.4 智能斷路器

智能低壓斷路器通過包括各種先進功能來提高安全性、計量、監控、控制和斷路器可靠性，將固態脫扣單元提升到一個新的水平。

斷路器可支持大多數主要通信協議，無需網關或協議轉換器。斷路器可以成為網絡上具有自己設備地址的節點。先進的斷路器健康監測——脫扣單元前面的簡單“電池指示器”圖形清楚地傳達了斷路器的健康狀況以及何時需要根據各種因素（包括故障中斷的數量和幅度）進行下一次維護。安裝在斷路器中的傳感器總線可以持續監測溫度、濕度和振動，這些輸入可用于執行高級預測診斷。斷路器的測試可以單獨使用軟件進行，無需二次注入測試套件。這可以減少調試時間和費用。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%的電能和功率計量精度。脫扣單元提供高級事件記錄序列，包括帶有波形捕獲的警報、脫扣和匯總事件。電源斷路器可以包括內置在斷路器外殼中的搖動電機，以允許通過干接點或通信在電弧閃光邊界之外遠程搖動斷路器[6]。

安裝熱傳感器來監控螺栓接頭，例如電纜接線片、母線接頭和母線管道連接，可為用戶提供現場關鍵資產的實時信息。可以存儲來自傳感器系統的數據，然后對其進行分析，以查看是否存在任何可能導致計劃外停機的趨勢。

例如，能夠查看來自設備的實時信息以及電流、電壓和溫度的數據趨勢，使用戶能夠實施預測性維護策略。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備，這些設備可以安裝在開關電器上或遠程安裝。斷路器控制和啟用弧閃維護系統(ARMS)對于將操作員從弧閃區移出并提供更高的安全性非常重要。

網絡連接的儀表和繼電器允許用戶從遠程位置查看他們的配電系統。保護繼電器允許用戶對跳閘設置進行編程，并提供遠程監控和控制斷路器的能力。功率計提供有價值的信息，可用于分析可能導致計劃外停機事件的異常情況。

圖3 智能斷路器數據屏幕

3 技術趨勢

智能開關電器的采用可能很快就會增加。隨著對不間斷和可靠電力供應的需求不斷增長，智能開關電器將在滿足這一需求方面發揮重要作用。此外，印度政府廣泛的電網現代化計劃和電氣化推動將在未來幾年推動印度對智能開關電器的需求。100個智慧城市計劃將進一步推動這一細分市場。這些城市將采用基于地理信息系統的城市規劃，采用先進的ICT技術，以智能開關電器為特色。在技術水平的發展下，各類智能型隔離開關、斷路器、接地開關等被研發出來，以斷路器為例，其材料應用了復合絕緣材料，有效提升了材料的絕緣性能。新型智能化高壓開關連接電纜少、占地少、緊湊，代表著未來階段下電氣設備的發展趨勢。