智能型开关电器的研发现状与分析

付鹏晓

（武汉海翼科技有限公司，湖北武汉，430070）

0 引言

在电力系统中，开关电器由电气隔离开关、熔断器或断路器组成，用于控制、保护和隔离电气设备。开关电器用于使设备断电以完成工作并清除下游故障。这类设备直接关系到电力供应的可靠性。最早的中央发电站使用简单的开放式刀开关，安装在大理石或石棉绝缘板上。功率水平和电压迅速升高，使得打开手动操作的开关的危险性提高。充油开关电器可以控制和安全控制电弧能量。到20世纪初，开关电器系列将是一种金属封闭结构，带有使用油断路器的电动开关元件。如今，充油设备已在很大程度上被鼓风、真空或SF6所取代设备，允许自动设备安全地控制大电流和功率水平[1]。高压开关电器是在19世纪末发明的，用于操作电机和其他电机。随着时间的推移，这项技术得到了改进，现在可以在高达1,100kV的电压下使用。通常，变电站中的大型电力变压器均配置有开关电器，常常位于的高压侧和低压侧。变压器低压侧的开关电器可能位于建筑物内，带有用于配电电路的中压断路器，以及计量、控制和保护设备。对于工业应用，变压器和开关电器系列可以组合在一个外壳中，称为组合变电站（美国）。根据市场研究公司Visiongain的最新研究，到2029年，全球开关电器市场预计将达到1525亿美元，复合年增长率为5.9%。对可再生能源的投资不断增加以及对安全配电系统的需求增加，预计将产生增长。

1 智能开关电器的功能与意义

智能开关电器基于计算机技术运行。他们的USP是双向实时通信的可能性。它们能够测量各种参数并将读数实时传输到能源公用事业和管理中心。它们允许从远程控制中心监控和配置系统，这可能是它们最大的优势。他们可以从这个遥远的位置轻松执行分配的任务。智能系统可以非常快速地检测到可能导致火灾的电火花。事实上，它们可以防止大多数有害情况——短路、过载、组件故障等。智能开关电器可以预测负载网络内的每月电力需求。他们监控系统并识别何时出现问题，在传输和分配过程中提前发送有关可能发生故障的警报。智能开关电器的这种警惕特性在很大程度上降低了功率损耗。智能开关电器易于维护，并且由于它们有助于智能能源管理，因此可以减少电费。智能开关电器配备了各种先进的软件来保护系统免受故障。它们嵌入了自我监控功能和传感器，可提高设备的效率和安全性。这些传感器可以监控和显示温度、电流、高压等数据。温度和湿度传感器通过检测改变湿度和空气温度的变化来工作。断路器中的传感器监测后者的机械性能。

2 智能开关电器的种类及其应用

2.1 智能断路器

智能断路器是一种电子设备，包含电子设备、传感器装置和执行器三部分共同构成，通过遥控操作断路器，实现通断、监控和采集电路及负载设备的使用状态。智能断路器可以通过互联网实时反馈和记录电路和设备的信息状态。我们也称它为物联网断路器或遥控断路器。可使用多种协议进行远程控制，如 RS485、RJ45（网口）、WiFi、蓝牙、4G/5G 等协议。配置智能家居断路器，可以远程控制和采集设备电路中的一些数据，让我们可以更合理的组合使用设备[2]。一些智能家居断路器集成了多种电路保护器的功能，体积更小，更智能。常见的智能断路器，比如我们的AT-Q-SMR1智能断路器，除了具备非智能断路器的基本功能外，还具有短路保护、过载保护和漏电保护等功能。它还结合了过欠压保护，温度过欠压保护，过功率或欠功率保护，我们还可以设置每个功能的状态，可以关闭保护，打开保护，或设置警报。使用手机APP或电脑端远程调整各种值，如额定电流值的调整、额定漏电保护脱扣值的调整、过压或欠压百分比值、温度保护value或其他值，以便用户可以根据自己的使用情况去。还可以实时监控记录负载侧电器的用电量，每小时、每天、每月用电量统计，并根据用户自身情况设置时间对负载电器进行控制。

从物理上讲，智能断路器可以代替传统的断路器，也可以包括连接到现有断路器的单独硬件。新的智能断路器或硬件可能包括功率传感器、继电器等机械开关机制和通信板。大多数住宅智能断路器技术还将包括软件以及移动或基于网络的用户界面。电磁部分与传统断路器相同。如果电路出现过载或短路故障，就像传统的断路器一样，过载保护是通过双金属片的热传导到一定值，然后断路器跳闸保护过载。短路保护通过断路器的线圈部分进行快速跳闸保护。智能断路器的功能原理可分为电磁部分和电子部分。智能断路器的电子部分是一块或多块复杂的电路板，由各种控制模块和通讯模块组合而成。信号从远程控制终端输入，如手机应用程序或电脑，电子部分的电路板接收指令信息，电子部分可以收集并记录所需的数据和信息，并将其发送回远程终端。用户可以根据这些信息参数进行实时远程控制，调整数值，设定时间，设定计划。它不必像传统的断路器。您必须在现场操作断路器，并且需要各种电气设备来收集故障信息。近向年来我国的一些厂家研究开发了关于户内户外的多功能全方面的智能断路器产品，这些产品会逐渐在市场上出现。

图1 智能断路器

除了传统的过流保护之外，智能断路器还提供额外的安全性。能量管理是智能断路器的一个关键特性。许多家庭都有幻象负载，即使在不使用时也会消耗大量电力。当房主知道他们不打算使用这些电路时，他们可以简单地安排这些电路关闭。由于多种原因，公用事业公司正在迅速发展电费，并且越来越多的趋势是根据一天中的时间（通常称为使用时间费率）收取可变费率。与调度幻象负载类似，也可以安排高能耗设备（如交流电、热水器、洗衣机或干衣机）仅在电费较低（非高峰期）时运行。

2.2 智能GIS

气体绝缘高压开关电器（GIS）是一种紧凑型金属封装开关电器，由断路器和隔离开关等高压元件组成，可在狭窄空间内安全运行。由微电子技术，网络技术，电子传感技术以及数控技术和电器控制技术巧妙完美的结合在一起。不同的数据在线监测与数据操作两个方面是GIS的智能化具体体现。实事说明，它是电磁式电压电流互感器转变成新型传感器的一种技术，这一技术运用全新的电子操作系统。拥有保护和控制功能的计算机对收集来的这些数据参数进行整理分析，从而正确安全可靠地监视GIS的工作状态，并且还能够对系统自身进行定期的自检修复[3]。

GIS用于空间有限的地方，例如扩展、城市建筑、屋顶、海上平台、工业厂房和水力发电厂。日立能源一直并将继续推动GIS技术在评级、操作、开关技术、智能控制和监督以及紧凑性方面的创新。因此，日立能源的GIS具有出色的可靠性、操作安全性和环境兼容性。它为从72.5kV到1200kV匹配电流和现代开关电器的未来要求的所有额定值和应用提供完整系列的产品。

新一代气体绝缘金属封闭开关电器用于三相交流单母线和单母线分段、双母线和双母线分段，频率50Hz，额定电压40.5千伏。它用于接收和分配电能以及控制和保护电路。开关柜接收和分配的额定电流最大为2500A，开断短路电流最大为31.5kA。可广泛应用于城市地铁、城乡电网、大型工矿企业、高原变电站等场所。随着未来无人值守数字化变电站的发展，智能高压开关电器为方便运检减少了值守人员。这种智能化的高压开关电器可以通过无人值守，机器人靠近时，通过蓝牙数据传输功能把开关正在运行的状态传输到值守机器人数据库中，也可以直接传到后台，把数据传到我们现场调试人员的手机中，通过了手机内安装相对应的软件使开关状态一目了然，极大的方便了现场调试和运检需要。

2.3 智能高压开关柜

智能高压开关柜引入计算机技术将其作为检测、计量、保护的核心，与断路器配合，通过光纤网络将开关柜信息以数字信号方式传输，其计量、保护、控制、通信以及记录等功能均可通过光纤通讯技术、数字显示技术等可靠地运用起来。现代化的高压开关柜是一套完整的设备，其功能和高压断路器相比较更具用实用价值现在在国内外拥有良好市场前景的智能化高压开关柜产品都拥有很多的实用性的优异功能:如脱扣回路断线检测、检测工作时间、检验接触部件、测试弹簧的储能时间、控制与检测温度和湿度等[4]。我国很多公司推出的智能高压开关柜具有很多的保护功能，其中包括对高电压、高电流、高温的限流限制以及接地断路等，并且还可以根据具体情况任意组合。在工作过程中智能高压开关柜能够科学的对监测到的数据进行有效处理、进行故障预测报告及开关不有多长的使用时间。这种类型的开关柜还可对电气的回路开关、电源设备等进行监视。

臧春艳[5]提到ABB发布的智能高压开关柜REF542在其集中控制/保护单元中具有限流、过欠压、过热、接地故障等多种保护功能，可以根据需要自由组合，我可以做到。集中控制/保护单元还具有智能诊断能力，可以分析和处理监控数据，预测故障，确定开关的剩余使用寿命，计算维护时间。此类开关电器的监控功能包括监控电气辅助电路、为电动开关电器供电和跳闸线圈完整性。机械方面包括监测断路器中储能弹簧的状态和机械操作的次数；此外还能监控软件和时间和热量相关参数。

图2 智能化集中控制/保护单元

2.4 智能断路器

智能低压断路器通过包括各种先进功能来提高安全性、计量、监控、控制和断路器可靠性，将固态脱扣单元提升到一个新的水平。

断路器可支持大多数主要通信协议，无需网关或协议转换器。断路器可以成为网络上具有自己设备地址的节点。先进的断路器健康监测——脱扣单元前面的简单“电池指示器”图形清楚地传达了断路器的健康状况以及何时需要根据各种因素（包括故障中断的数量和幅度）进行下一次维护。安装在断路器中的传感器总线可以持续监测温度、湿度和振动，这些输入可用于执行高级预测诊断。断路器的测试可以单独使用软件进行，无需二次注入测试套件。这可以减少调试时间和费用。最新的脱扣器本身可以提供0.5%的电压和电流精度以及1%的电能和功率计量精度。脱扣单元提供高级事件记录序列，包括带有波形捕获的警报、脱扣和汇总事件。电源断路器可以包括内置在断路器外壳中的摇动电机，以允许通过干接点或通信在电弧闪光边界之外远程摇动断路器[6]。

安装热传感器来监控螺栓接头，例如电缆接线片、母线接头和母线管道连接，可为用户提供现场关键资产的实时信息。可以存储来自传感器系统的数据，然后对其进行分析，以查看是否存在任何可能导致计划外停机的趋势。

例如，能够查看来自设备的实时信息以及电流、电压和温度的数据趋势，使用户能够实施预测性维护策略。除了查看显示的信息外，用户还可以通过操作员工作站和仪表板来控制设备，这些设备可以安装在开关电器上或远程安装。断路器控制和启用弧闪维护系统(ARMS)对于将操作员从弧闪区移出并提供更高的安全性非常重要。

网络连接的仪表和继电器允许用户从远程位置查看他们的配电系统。保护继电器允许用户对跳闸设置进行编程，并提供远程监控和控制断路器的能力。功率计提供有价值的信息，可用于分析可能导致计划外停机事件的异常情况。

图3 智能断路器数据屏幕

3 技术趋势

智能开关电器的采用可能很快就会增加。随着对不间断和可靠电力供应的需求不断增长，智能开关电器将在满足这一需求方面发挥重要作用。此外，印度政府广泛的电网现代化计划和电气化推动将在未来几年推动印度对智能开关电器的需求。100个智慧城市计划将进一步推动这一细分市场。这些城市将采用基于地理信息系统的城市规划，采用先进的ICT技术，以智能开关电器为特色。在技术水平的发展下，各类智能型隔离开关、断路器、接地开关等被研发出来，以断路器为例，其材料应用了复合绝缘材料，有效提升了材料的绝缘性能。新型智能化高压开关连接电缆少、占地少、紧凑，代表着未来阶段下电气设备的发展趋势。