江蘇國網(wǎng)自控科技股份有限公司的研究人員姜萬東、周海濤等，在2019年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，介紹一種中壓斷路器智能控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，該控制系統(tǒng)由控制智能單元、電動底盤車驅(qū)動器、顯示及管理單元等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，傳感器和控制器通過就地網(wǎng)絡(luò)總線或無線射頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接，具有占用空間小且應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，對斷路器智能化改造有一定的借鑒意義。

國家電網(wǎng)在2009年提出了新的電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，即建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)，明確了高壓開關(guān)設(shè)備智能化的提升要求?，F(xiàn)階段高壓開關(guān)設(shè)備智能化主要集中在特高壓及高壓斷路器上，而在電網(wǎng)中數(shù)量占比最大的3.6～40.5kV中壓斷路器智能化研究卻停滯不前。

其主要原因是，以往國內(nèi)中壓斷路器制造商的技術(shù)積累集中在一次設(shè)備上，缺乏二次智能控制設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此遲滯了智能中壓斷路器的研發(fā)與推廣。

本文介紹一種中壓智能斷路器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在滿足中壓斷路器智能化要求的前提下無需對斷路器本身進(jìn)行較大的改變。系統(tǒng)主要包括控制智能單元、顯示與管理智能單元、內(nèi)置電動底盤車驅(qū)動器以及無線測溫傳感器等。

該系統(tǒng)通過就地網(wǎng)絡(luò)總線或無線射頻通信實(shí)現(xiàn)了傳感器與智能控制單元、驅(qū)動器與智能控制單元以及顯示及管理智能單元與智能控制單元之間的數(shù)據(jù)交換，具有占用空間小且應(yīng)用靈活特點(diǎn)，對中壓斷路器智能化改造具有一定的借鑒意義。

1 控制智能單元構(gòu)成

圖1為控制智能單元的構(gòu)成框圖。該控制單元由4部分構(gòu)成：①上下行通信接口與射頻無線通信部分；②傳感器采集部分；③開關(guān)量輸入部分；④繼電器輸出部分。

智能控制單元對外通信接口分為上行接口和下行接口，上行通信接口與顯示和管理單元通信；下行通信接口與斷路器電動底盤車內(nèi)置的電動底盤車驅(qū)動器通信。上下行通信為485通信總線，上行通信速率為38400bit/s，下行通信速率為9600bit/s。射頻無線通信采用天線外引式2.4G通信模塊，該模塊和斷路器高壓觸臂上的無線測溫傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，讀取高壓觸頭的溫度。

智能控制單元接入的傳感器有：①壓力傳感器，接口的輸入量程電壓為0～5V，軟件可設(shè)定對應(yīng)的壓力參數(shù)。對于不同型號或廠家的斷路器可選擇不同規(guī)格的壓力傳感器來監(jiān)測斷路器主觸頭壓力情況；②電阻式位移傳感器，該傳感器用來測量斷路器的分、合開關(guān)行程，傳感器接口為三線式，即供電電源V+、V◆和傳感器輸出的電壓VR；③電流型霍爾傳感器，監(jiān)測斷路器分閘線圈電流、合閘線圈電流以及儲能電動機(jī)回路電流；④電壓型霍爾傳感器，監(jiān)測控制回路電壓；⑤電子式電流互感器，其信號為弱電壓信號可直接接入智能控制單元，電子式電流互感安裝于斷路器下觸臂，用于監(jiān)測斷路器主回路的電流。

圖1 智能控制單元構(gòu)成框圖

智能控制單元開入量采集斷路器狀態(tài)輔助接點(diǎn)的常閉和常開、彈簧儲能狀態(tài)接點(diǎn)、底盤車的試驗(yàn)位置和工作位置接點(diǎn)。智能控制單元繼電器輸出，分別接入斷路器控制回路中的分閘回路和合閘回路，實(shí)現(xiàn)對斷路器的分合閘控制。智能控制單元安裝位置示例如圖2所示。示例中該智能控制單元安裝在斷路器機(jī)構(gòu)控制室內(nèi)。

2 內(nèi)置式電動地盤車驅(qū)動器

斷路器底盤車實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地的自動控制是斷路器智能化的一項(xiàng)基本需求。電動底盤車采用直流電動機(jī)驅(qū)動，傳動系統(tǒng)可為鏈條或齒輪，通過改變直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來帶動底盤車推進(jìn)或退出。本文采用一種可安裝底盤車內(nèi)的電動底盤車驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示。電動底盤車驅(qū)動器主要由電動機(jī)驅(qū)動電路部分、開關(guān)量采集部分以及通信部分構(gòu)成。

圖2 智能控制單元安裝示例圖

圖3 內(nèi)置式電動底盤車驅(qū)動器構(gòu)成框圖

該驅(qū)動器采用全橋控制電路，圖3中電子開關(guān)Q1，Q2通過PWM控制來調(diào)節(jié)底盤車直流電動機(jī)的供電電壓大??；電子開關(guān)Q3和Q4調(diào)整電動機(jī)的供電電壓極性，使電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化。

底盤車載有斷路器時機(jī)械慣量較大，驅(qū)動器若輸出全壓起動電動機(jī)，則極易引起堵轉(zhuǎn)，因此驅(qū)動器對底盤車起動時采用軟起動控制方式；底盤車停止過程中為避免對開關(guān)柜其他部件的機(jī)械沖擊，驅(qū)動器對底盤車停止采用軟停止控制方式，軟起動和軟停止控制曲線如圖4所示。

圖4中AB段為驅(qū)動器控制底盤車起動過程曲線，驅(qū)動器在T1時間內(nèi)輸出電壓從0逐漸增致全壓220V，軟件中T1默認(rèn)為1s。CD段為控制器軟停曲線，驅(qū)動器檢測到小車行進(jìn)到位（T2時間）后，逐漸將輸出電壓降低到0，軟停時間為T2～T3，軟件默認(rèn)此時間為0.2s。BC段為驅(qū)動器全壓輸出段。

圖4 驅(qū)動器軟起、軟?？刂魄€

驅(qū)動器判斷底盤車的到位信息來自開關(guān)量采集的底盤車試驗(yàn)位置和工作位置，且驅(qū)動器電壓輸出受斷路器的位置閉鎖，當(dāng)斷路器處在合閘位置時，斷路器的常閉接點(diǎn)斷開自動切斷驅(qū)動器電壓的輸出。驅(qū)動器的通信接口與智能控制單元進(jìn)行通信，智能控制單元以通信的方式下發(fā)推進(jìn)或退出的命令，驅(qū)動器接收到命令后，按照驅(qū)動控制曲線輸出驅(qū)動電動機(jī)電壓實(shí)現(xiàn)對電動底盤車的控制。

底盤車驅(qū)動器內(nèi)部采集了電動機(jī)控制回路的電壓和電流，驅(qū)動器在驅(qū)動底盤車推進(jìn)或退出過程中將電動機(jī)的運(yùn)行電流和電壓值實(shí)時上送到智能控制單元。電動底盤車運(yùn)行到位后，底盤車驅(qū)動器自動形成這個控制過程中電動機(jī)的電流與電壓曲線數(shù)據(jù)，并上送到智能控制單元?？刂葡到y(tǒng)的人機(jī)界面可以顯示出驅(qū)動器控制中的實(shí)時電流、電壓信息以及底盤車到位后整個控制過程的電流和電壓曲線。

底盤車驅(qū)動器具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)及欠電壓保護(hù)等功能，可在電機(jī)控制回路異常或電動機(jī)故障時迅速的關(guān)斷輸出電源，并將驅(qū)動器監(jiān)測的信息上送到智能控制單元。圖5為底盤車驅(qū)動器在底盤車內(nèi)部的安裝示意圖。

圖5 底盤車驅(qū)動器安裝示意圖

3 斷路器動觸頭無線測溫

在當(dāng)前用電負(fù)荷日益增長下，斷路器的動觸頭和靜觸頭由于接觸電阻異常造成溫度快速升高，并引起事故的事件時有發(fā)生，所以在斷路器的動觸頭加裝無線測溫傳感器對觸頭溫度實(shí)時監(jiān)測是解決此類問題的較好方式。

本文采用的無線測溫傳感器為感應(yīng)取能式無線測溫傳感器，感應(yīng)取能原理如圖6所示。當(dāng)斷路器觸臂中有電流通過時，感應(yīng)線圈感應(yīng)出交流電壓UAC，UAC整流成直流電壓VDC后經(jīng)電壓反饋電路控制的電子開關(guān)為傳感器供電。當(dāng)UAC 電壓過高時，反饋鉗制電路將控制電子開關(guān)截止，傳感器后續(xù)電路依靠電容儲能放電繼續(xù)工作，電容電壓降低到一定值后電壓反饋電路控制電子開關(guān)導(dǎo)通感應(yīng)線圈為儲能電容充電。

圖6 無線測溫傳感器的感應(yīng)取能原理

該取能電路的優(yōu)點(diǎn)是，在感應(yīng)鐵心上只需一個繞組，感應(yīng)電壓過高時電子開關(guān)截止利用電容的儲能為傳感器提供能量，相對于采用短接另外一組感應(yīng)繞組限制感應(yīng)電壓的方式，節(jié)省了一組線圈的同時也降低了繞組的發(fā)熱。

該傳感器起動工作電流為10A，抗短路沖擊能力為50kA/1s。傳感器射頻天線為PCB板基天線，基準(zhǔn)頻率2.4GHz，空中傳輸速率為250kb/s，空曠環(huán)境下發(fā)射距離為10m，溫度數(shù)據(jù)間隔3s發(fā)射一次。圖7為感應(yīng)式無線測溫傳感器的安裝位置示意圖。

圖7 無線測溫傳感器安裝位置

4 顯示與管理智能單元

顯示與管理智能單元在斷路器智能控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)人機(jī)交互、動態(tài)模擬圖顯示以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，圖8為智能顯示與管理單元實(shí)現(xiàn)圖框。

圖8 顯示與管理智能單元框圖

顯示與管理智能單元有2路以太網(wǎng)通信口和2路485通信口，兩路以太網(wǎng)口與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，分為主網(wǎng)口和備用網(wǎng)口。2路485通信口分別和控制智能單元與電動接地刀驅(qū)動器通信。電動接地刀驅(qū)動器硬件與內(nèi)置式電動底盤車驅(qū)動器相同區(qū)別只是控制邏輯的差異。顯示與管理智能單元還帶有高壓帶電顯示傳感器接口，指示母線帶電狀態(tài)；溫濕度傳感器接口可接入開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜的溫濕度控制功能。

在軟件上，顯示與管理智能單元可結(jié)合專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過讀取出智能控制單元中各種傳感器記錄的數(shù)據(jù)，分析和診斷斷路器的工作狀態(tài)情況，進(jìn)而預(yù)測斷路器的檢修周期和使用壽命狀態(tài)評估。

5 控制系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用

智能斷路器智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖9所示，該系統(tǒng)由顯示與管理智能單元、智能控制單元及相關(guān)傳感器、電動底盤車驅(qū)動器、無線測溫傳感器等構(gòu)成。智能控制單元進(jìn)行對斷路器上傳感器數(shù)據(jù)采集和斷路器分合控制，下發(fā)電動底盤車驅(qū)動的控制命令等功能；電動底盤車驅(qū)動器直接控制電動底盤車的直流電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)對底盤車推進(jìn)、退出的控制；顯示和管理單元負(fù)責(zé)整個控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合處理與分析，并與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對斷路器的三遙功能。

圖9 智能斷路器控制系統(tǒng)框圖

圖10為智能斷路器控制系統(tǒng)記錄的某型號斷路器一次分閘位移曲線。智能控制單元通過讀取位移傳感器的采樣變化，將斷路器分閘時位置移動行程記錄成波形數(shù)據(jù)文件上送到顯示與管理智能單元。顯示與管理智能單元通過以往分閘位移數(shù)據(jù)以及出廠數(shù)據(jù)記錄，通過對比和分析對斷路器機(jī)械壽命進(jìn)行預(yù)測。

圖10 某斷路器的一次分閘位移曲線

結(jié)論

本文介紹了一種中壓智能斷路器控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，該控制系統(tǒng)采用分布網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)內(nèi)部的智能單元和驅(qū)動器的數(shù)據(jù)交互，通過射頻無線通信讀取無線溫度傳感器測得的斷路器觸頭溫度。該斷路器智能控制系統(tǒng)可滿足傳統(tǒng)中壓斷路器智能化基本需求，且占用空間小應(yīng)用靈活，具有一定的推廣價值。