小型智能化真空断路器

摘要：在“碳达峰、碳中和”目标的推动下，中压真空断路器的小型化、智能化已成为发展的趋势，小型化可以节省材料、占地面积等，综合效益显著；智能化可以保证供电的连续性、可靠性，提高效率，降低运维成本。

1.引言

小型化断路器是指布置紧凑、尺寸较小的断路器，主要是相间距、宽度较小，1250A 31.5kA的抽出式真空断路器相间距≤150mm、宽度≤500mm，可用于宽度只有600mm甚至最小只有500mm的开关柜，这样相对于一般800mm宽的开关柜，占地面积节省37.5%，节省土地资源。通过智能一体化设计，大大减少控制、保护的二次接线，同时实现开关设备的远程操控、状态监测、智能运维，以及变电站无人值守。

2.小型智能化断路器现状

世界著名开关设备企业很早就有小型智能化断路器，如伊顿电气公司的T-VAC型真空断路器，见图1。该真空断路器整合智能保护继电器，相间距150mm，断路器宽度431mm，配备Digitrip智能综合继电保护，自供电数字脱扣保护，电流传感器尺寸小，具有长延时、短延时、瞬动和接地保护，功率因数、电压、电流、谐波失真值和波形记录，脱扣时间记录，范围选择联锁使最接近故障的断路器清除该故障，无须时间滞后，减少故障破坏，避免不必要和浪费停机时间，高精度计量，电能、电量和电源质量测量，Modbus通讯协议。

图 1  伊顿公司T-VAC型真空断路器

通用电气公司（GE）采用低压框架断路器GLOBAL ACB的操作机构用于中压智能断路器iVB，基于一体化设计的理念，GE的iVB真空断路器希望通过将电子传感单元及保护系统高度的系统集成，来实现设备的智能化，一次设备和二次信号、保护完美结合成统一体，最大限度的实现功能集成，为客户创造最大价值，是有“大脑” 自脱扣的断路器。iVB也是小型化断路器，相间距150mm，断路器宽度480mm，可以应用于550mm开关柜。断路器保护智能保护系统通过Modubus通讯，断路器之间使用双绞线连接，通过开关柜的触摸屏实现对线路中所有断路器的实时参数、状态的监测和控制。iVB智能断路器是一台充分系统集成的产品，一台断路器取代传统开关柜分立元件-电流互感器、综合保护继电器、二次接线等，断路器总成本低于传统分立元件的价格总和。一台断路器就是一台出线柜。

ABB公司的最新一代紧凑型iVD4型真空断路器，见图2，采用可回收的热塑性材料PT整体浇注式固封极柱，机械性能、低温性能等方面均得到了较大提升，绝缘能力大大超过国际、国内等电力行业标准的要求，同时绿色环保，相间距只有135mm，手车宽度414mm。智能化解决方案，完善的开关设备资产健康管理解决方案，有思维的开关设备温度实时监测，准确测量主回路温度，识别安全隐患；智能电机驱动控制及保护系统，支持“一键顺控”程序化操作，实现安全高效运维；用户监控与ABB云技术相结合，数据实时分析；通过对断路器早期故障的准确预测，掌控健康状态；移动客户端或浏览器随时随地访问运行数据，支持安卓、iOS、Windows操作系统，依据NB/T42044《3.6 kV～40.5 kV智能交流金属封闭开关设备和控制设备》进行完整的试验验证。

图 2  ABB公司iVD4型真空断路器

3 小型智能化断路器的设计问题

3.1小型化断路器的绝缘问题

小型化设计最大的问题就是解决绝缘问题，特别是相间的绝缘问题，相间距在150mm左右可以采用灭弧室绝缘罩结构或固封极柱形式。而相间距再小就需要固封极柱，固封极柱之间需要保持大于20mm的空气净距，基于电容分压计算，空气间距过小，就会造成空气间电场强度过高，难以承受工频耐受和雷电冲击耐受电压，造成绝缘失效。

3.2小型化断路器的操作机构

一般操作机构尺寸过大，而由于小型化断路器建议采用触头质量轻、分闸所需速度低、行程小的真空灭弧室，这样机构所需提供的操作功就小，可以有效降低操作系统的磨损量，进而减少了断路器所需要的经常维护。如使用低压框架断路器的操作机构，伊顿公司的T-VAC、GE的iVB、ABB的VD4真空断路器都是采用与低压框架断路器相同的操作机构，VD4采用弹簧储能、自由脱扣的功能模块化EL型操动机构，主弹簧包含在模块内，机构本体自带手动储能手柄，使机构具有完整的驱动功能，同时具有精确的动作特性及稳定的预期寿命。可自由选配简单快速安装的二次附件。朴素的设计思想带来了元器件的高可靠性。

3.3小型断路器的温升问题

断路器相间距小，集肤效应、邻近效应造成额外发热损耗大，尺寸小发热不易散发出去，特别是固封极柱形式，真空灭弧室的发热集中在密封的极柱内部，不论是工程塑料还是环氧树脂的导热系数都很低，需要减少灭弧室触头的电阻，适当增加上下支撑的面积，同时减少手车式断路器触头的电阻，来降低发热。而如果可以解决绝缘问题，采用绝缘框架形式则可以有效解决温升问题，如T-VAC断路器，采用DMC浇铸绝缘支架，基础框架满足额定电压12kV产品的额定雷电冲击耐受电压75kV要求，通过增加相间绝缘板可以满足额定电压17.5 kV产品的额定雷电冲击耐受电压95kV的绝缘要求，通用性强。而真空灭弧室、软连接等暴露在空气中，热量直接散发，有利于温升。小型化断路器灭弧室绝缘框架示意图，见图3。

图 3  小型化断路器灭弧室绝缘框架

3.4智能保护终端的集成

断路器智能终端包括系统测量保护、机构状态监测、关键性能的监测、远程操控等功能。系统测量、保护功能更多是采用智能数字脱扣单元，即集成了开关柜综保的功能，如T-VAC、iVB断路器都是采用与低压框架断路器类似的智能脱扣器，实现电流、电压、有功、谐波等的实时测量、并实现故障的判断，长延时、短延时、瞬动等的自动脱扣，是实现断路器智能化的基础；而机构状态、关键性能的监测则是对温升、局放、真空度、操作机构线圈及电动机、分合闸速度等的监测，可以说是对断路器智能化的补充，摇进、摇出电动操作则是进一步提升运维功能。

因此智能化应以系统智能保护为前提，智能保护是基于数字化微机处理技术，无需外部电源即可实现自主脱扣，通过微小的电流、电压值数字化处理实现系统计算，如罗氏线圈电流传感器输出电压是150mV，因此电流、电压传感器和电源互感器集成在断路器上则可以降低损耗，提升保护的速度，增加可靠性。通过通讯接口远程设置、操控，实现配电系统自动化。

性能、状态监测需要对断路器一次回路、二次回路进行监测，可以是介入式传感器测量，也可以是非介入式的计算分析，从安全可靠角度，越来越多的智能化产品采用非接触式监测，如分合闸线圈、储能电机的电流监测，则通过安装在开关柜仪表室内部的智能监控单元实现，无需破坏断路器整体性能，温升测量则是采用表带测温无线传输方式，不影响断路器操作系统。

3.5智能化传感器安装问题

智能化断路器采用罗氏线圈电流传感器，需要电流传感器安装在高压触臂上，见图4，由于断路器相间距小，传感器是低压元件，安装在高压触臂上，需要一次高压与二次低压隔离、电气绝缘，保证满足断路器耐压水平，一般采用固封式结构，和灭弧室极柱浇注在一起，成本高，通用性差，无法单独维护、更换；还有采用绝缘支撑形式的电流、电压一体化传感器，并且集成控制电源互感器，尺寸小，安装方便。

图 4  安装在触臂上的电流传感器