智能电网系统中低压电器发展探讨

摘要： 介绍了智能电网与智能电器的基本特征及相互关系;讲述了智能电器在智能电网中的地位;深入分析了智能电网给低压电器发展带来的机遇及涉及的相关新技术。

0引言

早期的低压电器主要用于接通和断开电路 。 随着电力系统容量逐渐增大， 电气负载种类不断 扩展， 低压电器功能和种类也不断增加 ， 逐渐形成 配电电器、 控制电器和终端电器三大类产品。 每 一类产品又有多种低压电器， 它们在电力系统中 各自承担着不同的功能。 随着电子技术、 通信技术、 现场总线技术在低 压电器中应用， 低压电器具有可通信并逐步向网 络化、 智能化发展。智能电网的发展， 给低压电器 又提出了新的要求。本文重点探讨智能电网与智 能电器的关系以及目前我国智能电网发展现状与 动向。

1智能电网与智能电器

1. 1智能电器的发展

我国第一个智能低压电器研发工作始于 20 世纪 80 年代后期， 上海电器科学研究所根据国外 万能式断路器发展动向， 提出了开发智能型万能式断路器 的 设 想。1990 年， 合 上 海 人 民 电 器 联 厂、 遵义长征九厂向原机械工业部申报国家重点 于 企业技术开发项目， 1991 年正式立项。该项目 立项建议书和可行性分析报告中提出了智能型万 能式断路器具有以下基本特征。

(1) 保护功能齐全。万能式断路器作为低压 配电系统主保护开关， 具有很高分断能力， 其主要 功能是配电与保护。保护功能主要是系统过电流 保护， 并具有过载长延时、 短路短延时和短路瞬动 三段选择性保护功能， 此外还具有欠压保护等。 智能型万能式断路器的脱扣器采用微处理器使其 保护功能大大扩展， 凡是配电系统可能出现的故 障( 如接地故障、 断相、 三相不平衡、 相序等 ) 均能 实现有效的保护。

(2) 电参数测量与显示功能。 电能测量系统 中电压、 电流、 功率因素、 有功、 无功功率等。

(3) 外部故障记录与显示。 原有万能式断路 器在线路发生故障跳闸后， 很难辨别故障类型及 给故障排除带来困难， 甚至出现故障未 故障地点， 排除重新合闸断路器， 使故障进一步扩大的情况屡有发生。智能型断路器能正确记录故障类型及 短路电流值， 给维护人员迅速排除故障提供了方 便， 能有效防止上述情况发生。

(4) 内部故障自诊断和报警功能。 智能断路 “ 设置了 看门狗 ” 线路， 可周 器具有强大的功能， 期性不间断检查智能脱扣器线路工作状况 ， 一旦 发现不正常， 立即发出报警， 便于维护人员及时维 修或更换， 确保了智能化断路器可靠工作。

(5) 很多智能化断路器还带有出线端温升预 警功能， 一旦出现断路器出线端温升偏高或接近 最高允许温度， 断路器立即发出警报。 维护人员 应检查是断路器出线端接触不可靠 ( 往往由连接 以便及时 螺母没有拧紧造成 ) 还是由过载引起， 排除故障， 确保配电系统安全运行。

DW45 智 能 化 断 路 器 于 1995 年 通 过 鉴 定， 1997 年开始投入小批量生产， 3 个 框 架 等 级 有 2 000、 200、 300 A。 其中， 300 A 主回路为 3 6 6 2 台3 200 A 并联组合而成。该产品投放市场后， 由于其高性能和高可靠深受用户欢迎。DW45 系 列断路器目前年产量已超过 20 万台， 是我国低压 电器发展史上推广最成功的产品 。由于 DW45 大 DW17、 DW15 系列断路器产量逐 使 量推广， ME、 DW45 系列万能式断路器在配电 步下降。目前， 系统中运行的产品已超过 100 万台。实际使用表 明， 智能化断路器使用可靠。

与智能化万能式断路器同时开发的智能化电 器产品有智能化塑壳断路器。 该项目于 1991 年 1995 年样品鉴定。由于该产品仅2 000 A 底立项， 一个规格， 且作为大电流塑壳断路器由于短时耐 受电流不高， 很多场合不能作为配电系统主保护 开关和分路保护开关， 所以推广应用不多。

从 20 世纪 90 年代开始， 又相继开发了智能 智能型交流接触器、 智能 型控制与保护开关电器、 型电动机保护器、 智能型软起动器、 智能型双电源 自动转换开关等产品， 中国第三代低压电器主要 由于低压配电 产品已经具有智能化功能。 但是， 系统没有通信功能和网络化， 使智能型低压电器 众多智能化功能并没有发挥应有的作用 。随着计 算机技术、 通信技术、 自动化控制技术在低压配电 和控制系统中应用， 这些系统开始采用现场总线 实现网络化。采用现场总线技术后， 使低压配电、 控制系统变得简洁， 特别是低压控制系统采用现场总线技术后， 节省了大量电缆和二次控制线。 虽然采用可通信低压电器使电器成本有所上升 ， 由于电缆和二次线的大量减少， 使低压控制系统 总成本反而下降， 而且采用现场总线网络化系统 使低压控制系统简洁， 且设计、 安装、 使用、 维 后， 护方便， 特别是系统更改与改造比较方便 ， 深受用 户欢迎。

1. 2 智能电网与智能电器的关系

智能电网的概念其实很早就有专家提出， 只 。自从美国总统奥巴马提出在美国 是没有被重视 建设智能电网设想后， 立即引起了全世界的关注。 目前， 关于智能电网的概念与含义， 各国根据本国 电网特点及发展需要有不同的提法 。中国的智能 电网建设由国家电网公司统一规划 、 统一标准、 统 一实施。国家电网公司根据中国电网特点， 提出 了构建以特高压为核心的坚强电网， 并提出了智 能电网的基本含义是物理电网加信息化 。

电网是由发电、 输电、 变电、 配电、 用电 5 大部 每一部分都由相应的电器设备组成。 从 分组成， 电器设备及系统角度看， 智能电网应具备以下基 本特征。

(1) 电网 5 大组成部分应各自形成 5 个网络 5 系统， 个网络系统应采用开放、 标准化、 先进的 通信协议， 5 个网络能实现无缝链接， 且 使整个电 、 、 。 网通信简洁 快捷 高效

(2) 智能电网中 5 大部分主要电气设备应是 高性能、 高可靠性、 智能化。 到目前为止， 国内外 低压电器标准上还没有对低压电器智能化进行定 义。但是， 智能化低压电器这一说法已经被低压 电器相关人员和部门所接受。 目前， 智能化低压 电器基本含义是保护与控制功能齐全 ， 兼有测量、 故障报警记录、 系统运行监控、 电能使用管理等功 能。

1. 3 智能电器在智能电网中地位

不同国家实现智能电网侧重点各不相同， 但 输 变 配 智能电网有一个共同点：建立一条从发、 、 、 用到用户端的电能生产与消费的产业链， 其最终 80% 以上电能通过 体现价值在用户端。 据统计， 用户端低压电器设备传输， 并最终消耗终端电器 设备上。

作为用户端中起保护和控制作用的核心电器 — 设备——低压电器， 处于智能电网链的 最 低 层。智能化低压电器的性能、 功能、 可靠性直接影响到 智能电网的性能与可靠性。它是构建智能电网的 重要组成部分， 也是构建智能电网的重要基础。 因此， 智能化低压电器在智能电网中有着不可替 代的地位与作用。

2智能电网对低压电器发展的影响

2. 1

全新的理念和要求

(1) 智能电网将采用统一平台与标准， 新一代低压电器必须从系统角度发展， 从而为低压电 。 器发展带来全新的理念。

智能电网要求用户端采用统一、 标准化产品， 使目前分散、 重复在各自自动化系统、 监控系统、 电能管理系统、 在线监测装置中的测量、 保护、 控 制等各类智能电器能在新的统一标准的技术支持 系统中逐步集成、 整合， 最终实现各种技术的高度融合， 使各类智能电器功能得到充分发挥 。

(2) 智能电网坚强、 自愈、 互动、 优化等要求 新一代智能电器对电网故障具有早期预警与快速 安全恢复和自愈功能。

根据智能电网要求构成的智能电网系统， 采 用现代通信技术和测量技术实现系统的寿命管 故障快速定位、 系统运行监控、 电能质量监控 理， 等。智能电器信号采集实现数字化， 既保证采样 速率和良好的准确度， 便于通过数据分析进行故 障早期评估与预警; 通过网络监控器快速定位故 障点， 通过网络重新构架， 优化网络运行以及故障 隔离， 非故障区自动恢复供电， 实现电网快速恢复 和自愈。

(3) 智能电网应用新能源系统， 提高电能效 率， 电网质量等方面对低压电器提出了新的要求 。

为此， 需要开发适用于这些系统的具有特定 功能和性能要求的低压电器。对低压电器提出了 更多、 更高的要求， 传统低压电器将面临延伸和扩 展， 包括这些新能源系统控制设备， 大容量真空电 特别要求的低压断路器、 过电压保护装置及系 器， 统等。

(4) 智能电网将打破传统的生产、 消费模式， 形成生产与消费双向互动的服务体系。 为此， 需 要具有双向通信、 双向计量能源管理网络化的低 压电器及系统的支撑， 它将进一步促进低压电器 向网络化方向快速发展。

2. 2提出新要求

对低压断路器提出的新要求

2. 2. 1 (1) 智能电网配电系统中万能式断路器将扮演更为重要的“角色” 它不再是单一的过电流保 而是将测、 检 、控 、 保 、管 5 大功能集中、 整合于 一 体 的 综 合 性、 功 能 开 关 电 器 设 备。 多

① 测：系统各类参数测量、 显示; ② 检： 内、 外部 故障检测、 报警、 显示、 开关运行状态、 寿命检测与 显示;③ 控： 根据配电系统运行状态， 运行参数， 由内、 外部故障情况， 系统运行要求， 发出各种指 ; ④ 保： 具 有 配 电 系 统 各 类 故 障 保 护 功 能 。 令 ⑤ 管：系统能量管理 ( 配电系统电能使用控制在 开关自身运行状况、 寿命管理等， 并 最佳状态 ) ， 确保配电系统运行可靠性。

(2) 智能电网对低压断路器故障检测、 处理、 保护提出了全新的概念。① 检测， 智能电网中低 压 断 路 器 应 具 有 故 障 快 速 检 测 与 鉴 别 的 能 力; ② 处理， 对各类故障迅速做出报警、 分断、 或其他 并作出相关显示;③ 保护， 快速区域联 控制指令， 锁、 故障区隔离、 故障排除后系统自愈和自动恢复 功能。

(3) 各类智能型低压电器功能取舍， 性能协 调， 配合等。

(4) 分布式新能源系统接入后， 对低压断路 器出现电能双向传输， 因此， 对低压断路器过电流 保护也提出了新的要求。

(5) 新 能 源 系 统 特 定 环 境， 环 境 温 度、 如 振 动、 雷击、 工作电压等对低压断路器提出了新的要 求。

2. 2. 2 对控制电器提出的新要求

低压控制电器主要包括交流接触器、 热继电 电子式过载继电器 ( 电子式电动机保护器 ) 、 器、 起动器、 控制与保护开关电器、 软起动器、 控制电 路电器。限于篇幅， 本文重点介绍对交流接触器、 电子式电动保护器、 起动器等产品的整体要求。

(1) 交流接触器、 电动机保护器、 起动器结构 上必须考虑模块化、 组合化要求， 便于发展相应的 组合电器。

(2) 具有 双 向 通 信 功 能 及 相 关 参 数 测 量 功 能。

(3) 具有较为完善的电动机各类故障检测 、 预警与保护功能

(4) 起动器使用寿命指示、 预警与管理功能。

3智能电网与智能电器发展相关新技术

3. 1低压电器智能化技术

(1) 各类低压电器根据其低压配电、 控制系统中地位与作用应具有哪些智能化功能 ? 如何实 现这些功能。

(2) 智能化低压电器标准研究与制定; 智能 化功能测试设备、 测试方法研究。

(3) 智能化低压电器集成技术研究; 多种智 能化电器集成时对不同低压电器智能化功能舍 取;多种功能重叠时相互协调与配合研究 。

(4) 智 能 化 低 压 电 器 可 靠 性 ( 包 括 EMC 技 术) 研究。

3. 2 智能电器可通信技术

智能化低压电器强大功能要充分发挥， 必须依赖于低压配电与控制系统网络化。 为此， 对低 压电器提出了可通信要求。 为了满足网络化要 求， 又将涉及一系列技术的研究。

(1) 网络化电器与系统标准化研究： ① 适合 具有国际先进水平的 智能电器和智能配电网络、 开放式通信协议标准制订;② 适合我国发展需要 的低压电器通信规约研究与制订; ③ 可通信低压 电器通用技术要求研究;④ 智能配电网络配套附 件标准研究与编制。

(2) 高、中 、低 压 配 电 系 统无缝链接技术研 究。

(3) 智能网络系统配套附件研究与开发 。

(4) 智能网络系统典型方案与整体解决方案 研究。

(5) 可通信电器试验方法研究及相关检测设 备研制并建立相应试验基地。

3. 3 智能配电系统过电流保护新技术

当配电系统发生非正常过电流时， 低压电器 应及时断开。 为了使故障停电限制在最小范围， 低压电器应有选择性断开， 即故障级保护电器迅 速切除故障电路， 上级保护电器不跳闸， 这对智能 电网尤为重要。 但是， 目前低压配电系统过电流 保护存在以下问题：

(1) 选择性保护没有覆盖整个配电系统， 目 前终端配电系统基本上没有选择性保护 。

(2) 过电流选择性保护局限在一定电流范围 内， 只有在短路电流小于上级断路器短延时整定 范围内才能实现选择性保护。

(3) 实现选择性保护时间较长， 一般在 1 s 左 右。不仅提高了低压断路器短时耐受电流要求 ， 而且对低压成套开关设备及系统热稳定提出了很 高要求。

智能电网配电系统过电流保护应达到目标 。

(1) 过电流选择性保护应覆盖整个低压配电 系统， 包括终端配电系统。

(2) 实现全电流范围内选择性保护， 当下级 也能实现选择性 故障电流达到上级瞬动电流时， 保护。

(3) 在极短时间内实现选择性保护 ( 控制在 200 ms 以内) 。

(4) 从根 本 上 消 除 系 统 短 路 时 越 级 跳 闸 或 下级断路器同时跳闸的状况， 确保故障停电限 上、 制在最小范围。

为了实现全范围、 全电流选择性保护， 需要解 决以下技术关键：

(1) 全范围、 全电流选择性保护总体解决方 案研究。

(2) 区域联锁选择性保护技术研究。 ①区域 联锁各级保护电器动作逻辑程序研究 ;②上、 下级 ; ③短路故障快 保护电器区域联锁模块匹配技术 速鉴别技术与快速闭锁技术; ④区域联锁可靠性 技术。

(3) 万能式断路器全电流选择性保护技术研 究。重点是提高万能式断路器短时耐受电流， 实 现 I cu = I cs = I cw 。

(4) 塑壳断路器限流选择性保护技术研究 。 ①实现限流选择性保护基本条件及可靠性研究 ; ②提高中、 大容量塑壳断路器短时耐受电流 ;③提 高中、 小容量塑壳断路器限流性能;④短路电流快 速鉴别技术。

(5) 小型断路器带选择性保护 ( SMCB) 。

图1 工作原理图

① 实现小型断路器选择性保护技术方案， 其工作原 理如图 1 所示。当终端配电系统某一支路发生故 障时， 支 路 小 型 断 路 器 应 迅 速 动 作 切 断 故 障 该 电路 。 在故障电路小型断路器切断短路电流时 ， 终端配电系统主开关触头在短路电流电动力和快 速动作电磁铁作用下触头分开 ， 电流转移至辅助回路， 由于辅助回路限流电阻存在， 使短路故障电 流限制在几百 A。如果故障支路小型断路器正常 SMCB 主回路将重新闭合， 分断， 从而实现选择性 保护。当故障支路小型断路器不能正常分断短路 SMCB 辅助回路热双金属机构带动 SMCB 电流时， 触头断开， 从而切断短路故障。 ② SMCB 小型化 技术研究。 ③ SMCB 智能模块研究。 ④ SMCB 能 否作为上、 下级保护电器同时使用。 ⑤ SMCB 与 上级 MCCB 选择性匹配技术。

智能配电系统实现全电流、 全范围选择性保 护， 将是配电系统过电流保护技术一次重大飞跃 。 它带来的技术和经济意义是不可估量的， 对智能 电网建设具有更重大意义。

3. 4 智能电网过电压保护技术

由于智能电网中大量采用网络化、 信息化技 这些设备中含有大量电子器件， 相 术及相关设备， 当一部分设备本身就是电子化的， 易受雷电和系 统中其他开关设备操作过电压伤害。 另外， 智能 这些系统无 电网中必然包括分布式新能源系统， 论 是发电设备还是控制设备同样易受过电压伤 害。因此， 智能电网过电压保护尤为重要， 它涉及的关键技术主要有以下几个方面： ① 智能电网 SPD 配置技术 ( 整体解决方案 ) ; ② 智能电网用 SPD 产品结构与性能研究;③ 智能电网用 SPD 使 用安全性研究; ④ 智能电网用 SPD 组合技术研究。

3. 5 分布式新能源系统相关技术

风力发电系统和太阳能光伏发电系统无疑是 未来智能电网重要组成部分， 其涉及的关键技术 有：① 大容量变流装置及相关技术; ② 分布式新 能源系统控制与保护技术;③ 新能源系统并网技 术及相关设备研制;④ 电能双向传输带来的电能 计量技术; ⑤ 电能双向传输系统过电流保护技 术;⑥ 分布式新能源系统过电压保护技术 。

4结语

综观智能电网的发展， 今后一定时期内低压 展望未来， 智能低压电器 电器将依附其快速发展， 有着美好的发展前景;同时， 智能低压电器必将成 低压电器必将焕发新的生 为智能电网重要支撑， 命力。

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