引言
当前为了保证电网的安全稳定运行，提高电能质量，充分发挥分布式清洁电源的使用，因而必须提高电网管理水平和效率，最大限度地利用信息技术，实现系统智能对人工的替代，这使智能电网（Smart Grid）成为世界瞩目的热点。智能电网是一个完整的体系，涵盖发电、输电、配电、调度、变电、用电等各个环节，并且智能电网需要智能化的开关电器和先进的传感技术的支持［1-3］，因而智能电网与低压电器的智能化有密切的关系。本文从智能电网的角度，介绍低压电器智能化的最新进展。
1 、低压配电系统的选择性保护与低压断路器
智能电网最主要目标就是要保证供电的可靠性与连续性，对低压配电系统来说实现这一目标的重要手段是采用选择性保护。国际电工委员会的IEC 标准和我国国家标准按使用类别把断路器分成A 类和B 类两种类型，A 类断路器在短路情况下，无明确指明其有选择性保护功能，而B 类断路器则明确指明有选择性保护功能。图1表示低压配电系统前后级断路器安装位置及其保护特性配合。选择性保护是指当支路1发生短路时，仅下级支路断路器QF2开断短路电流，而上级开关QF1不动作，这就不会影响其他支路如支路2和3的正常供电，因而选择性保护对提高低压配电系统的工作可靠性有重要作用。
如何实现配电系统上下级断路器的选择性匹配，主要决定于两者保护特性的配合，一般上级断路器采用有三段保护特性的选择型B 类断路器。如图1(b)所示，QF1具有三段保护特性，即作为线路过载保护的长延时，短路情况下的短延时和瞬时三段保护，而QF2作为下级支路开关，仅具有长延时和短路瞬时两段保护特性。当支路1短路时，若短路电流为I1，则从图1(b)的特性配合来看，短路电流使QF2首先动作，而QF1由于短延时而没有动作，这就保证了其他支路，如支路2和3的可靠供电。
生产发展和人民生活的提高，低压配电系统的用电设备和分支回路日益增多，选择性保护变得越来越受到人们关注，当前选择性断路器的技术向以下方面发展：局部选择性提升到全局选择性；低压配电系统的选择性保护范围从电源侧向终端侧延伸。
当两台上下级串联的断路器实现过电流保护时，在规定的条件下，下级断路器动作时不会引起上级断路器动作，这是选择性保护基本要求。全选择保护是指当故障电流达到下级断路器最大故障电流时都能实现选择性；而局部选择性只是当下级断路器在规定的故障电流下才能实现选择性保护，因而局部选择性就存在一个选择性门槛，它是实现选择性保护的电流交接值，在该值以下，局部选择性保护可保证选择性，而在该值以上，则不能保证选择性。
图2为一带三段保护特性的选择型断路器的特性曲线，其中短延时的延时时间和瞬时脱扣器整定值都可调节，短延时的延时调节是用于让前后级断路器的动作时间匹配，实现选择性保护，而瞬时脱扣器整定值的调节，即调节选择性门槛电流IB，确定上下级选择性匹配的电流范围，而这电流的极限值决定于断路器短时耐受电流Icw（一般取0.5 s），如果上级选择性断路器的Icw低于其分断能力（Icu或Ics），则即使是瞬时脱扣器的最大整定值可调至超过额定电流的10～12倍，但这种上下级匹配还是局部的。对上下级断路器实现全选择性的充分条件是让上级断路器的Icw等于其分断能力，即Icw = Icu = Ics，这意味着瞬时脱扣器整定值可调至无穷大，对一般B 类断路器通常采用电子式脱扣器，即可使瞬时脱扣器的整定开关处于打开位置，这种情况下，不论下级断路器是什么条件，都能实现全局选择性。当然要实现全选择性也可从下级断路器着手，让下级断路器有强大的限流功能，当该支路发生短路故障时，它能使支路短路电流限制于上级断路器瞬时脱扣器整定值以下，也可实现全选择性。
为达到Icu = Ics = Icw，作为选择性断路器主要类型的万能式断路器目前采用各种新技术来实现全选择性保护，如国内外正在发展新型双断点万能式断路器［3］，或通过对传统的单断点结构提高其补偿电动力来达到这一目标。
长期来以，低压配电系统的选择性保护一般只用于变压器出线端的功率配电系统，近年来由于工业生产和人民生活的提高，工控系统、公共场所和家庭用电设备和配电分支回路大增，因而负载侧和终端配电的选择性保护提到日程上来，不少国际著名低压电气企业推出相应的用于负载和终端侧的选择性断路器，如施耐德公司的新型旋转双断点塑料外壳式断路器（MCCB）NSX与老型号NS相比［4］，其主要特点之一是额定电流为100A的小规格断路器也带有Micrologic电子脱扣器，具有短路短延时保护，延时调节范围为20～500ms，短路短延时电流整定值和瞬时脱扣器整定值都可调节，它与用于终端的小型断路器Multi9 配合可实现完全的选择性保护。NS型号在小规格断路器中无短路短延时功能，因而为了实现局部选择性配合，利用电流匹配原则，不得不把上级断路器的额定电流选大些，而NSX 型号可实现更为经济的选择性匹配，与小型断路器配合使完全选择性从100A壳架电流就可实现。这一改进带来了很多好处：节省安装时间，无需过高选择断路器规格，使断路器和开关柜的尺寸变小。
为了进一步在配电系统的终端实现选择性保护，最近国内外相继开发出带选择性保护的小型断路器，它具有短延时保护功能，该功能既可采用电子技术也采用机械式短延时结构。图4为目前开发成功的一种选择性小型断路器的结构和工作原理［5］。
这种小型断路器依靠双金属片获得短延时作用，它由两个回路组成：主触头放置于主回路上，可由操作机构操作，在短路故障下，由冲击电磁铁推动；辅助回路由短延时双金属片、限流电阻和辅助触头组成。该断路器还有长延时双金属片作过载保护用。当短路电流通过时，冲击电磁铁打击主触头，使之断开。这时电流就转移到辅助回路，但辅助回路有限流电阻，使短路电流限至几百安培，短延时双金属片提供短延时作用，当后一级小型断路器限流分断，则复位弹簧使主触头重新闭合，使之不影响下一级其他分支回路供电，若后一级小断路器不能动作，则经过短延时双金属片延时后，使断路器操作机构动作，同时打开主触头和辅助触头。正常情况下，操作机构同时操作主辅回路触头的合分，由于正常运行时，辅助回路电阻大，电流主要通过主回路来导通。当短路故障时只有短路短延时特性，因而相当于把瞬时脱扣器关断，所以它与后一级小断路器的配合是全选择性的，由于引入了限流辅助回路，使发生短路故障时，在分断过程中限制短路电流，以提高断路器对短路电流的电动和热稳定性。
当选择性保护向配电系统的负载和终端侧延伸，如何实现从电源出线端到负载侧的多层次选择性保护就成为一个热点问题，由于选择性保护是依靠前一级断路器的短延时来实现，因而多层次配电系统的前级断路器及线路会受到较长时间短路电流的作用，这就限制了配电系统的层次的扩大，采用快速区域联锁是解决该问题的一种方案。区域联锁是利用智能脱扣器的通信功能，其工作原理如图5所示，当下级断路器QF2检测到短路故障时，送出一逻辑等待信号给上一级断路器QF1，使其在下级故障消除前闭锁而不能动作。
ABB 公司推出的具有快速区域选择性联锁保护功能的PR223EF 智能脱扣器有两个特点：一是检测故障的时间非常短；另一个是送出逻辑等待信号快，能让前级的多个断路器同时闭锁。这两个特点使选择性保护的层次可以扩大，甚至使选择性匹配链延伸到整个配电装置。这种智能脱扣器能用于250～800A的MCCB，并且能与万能式断路器选择性匹配。
2 、智能低压断路器的电能管理与优质服务的配用电系统
最近国家电网公司在天津所作“建设统一坚强智能电网”的报告中指出智能电网的主要特性包括:能够优化资源，提高设备资产的利用率和电网的运行效率；能够与电力市场和用户进行交互和实时响应，提升服务水平；能够以最优成本向社会提供优质电力。
这些特性体现在低压配电系统和智能型断路器上可理解为实现强有力的全面的电能管理，可实时监测能源损耗，提高电力质量，根据用户情况制订配电系统管理和维护计划，使配电系统的节能增效更深入和高效。如施耐德公司的新型Compact NSX MCCB 和Masterpact 万能式断路器为了建立强有力的基于网络的电能管理系统（见图7），首先加强了网络通信功能［4］，并采用与Powerlogic监控系统相容的Modbus通信协议，接至网关MPS100 的网络能够为4～16台设备服务，并通过网关MPS 可将诸多网络接至上一级的局域网及互联网(Internet)。网关MPS 具有两种功能：①将Modbus协议转换为TCP/IP 协议，以便能访问局域网；②通过装载网页服务程序可显示设备提供的信息，即可查看断路器状态，以及配电系统功率和电量值，还可作为自动报警发布器及发送数据日志。
智能电网主要技术之一是采用先进的计量体系的技术与功能，即采用具有数字式计量、报警、液晶显示、可通信及息信存储等诸多功能的智能电表。Compact NSX断路器的Micrologic 智能脱扣器具有多参数电能测量功能，由内置的微处理器进行数据处理，用户可在脱扣器的液晶显示屏Micrologic LCD上，查看保护设置和电力参数的测量值，它还具有通信功能。可测量数据包括电压、电流、频率、功率、谐波畸变率，并可显示故障电流值。在智能断路器的电能管理系统中，还带有一柜门显示单元FDM121，可安装在配电柜的柜门上，它除了可显示脱扣器显示屏所显示信息外，还可显示需求量、电能质量、最大值和最小值，以及故障报警、历史日志和维护指示等信息，其中需求量的测量是可在一个时间区间内计算所需电流值和功率值，以提供用电趋势、负荷预测等，为卸载和重新加载提供依据，以便进行负荷调整。
和施耐德公司类似，日本三菱公司的智能断路器也有基于通信网络的电能管理系统［3］，也带有专门的测量显示单元（Measuring Display Unit，MDU），图8 为可装于MCCB板面的MDU。
智能电网的重要目标是要建立经济、互动、优质服务的配电与用电系统，这就要求实现以电力为中心的能源、通信、信息综合性增值服务。上述的电能管理系统只是在一定范围内实现了低压电器元件和配电系统的联系和综合，随着低压元器件和配电系统通信功能的增强，西门子、ABB 等企业还推出了全局性、系统性的解决方案［7］，提供从系统设计，到设备的选用、采购，直至运输与安装的一体化服务，实质上整合了设计院与制造厂商的职责。出于对自己产品的深入认识，可以使方案设计更合理、高效，大幅度提高系统安全性、可靠性与效率，也符合国家节能增效的整体战略。
如西门子公司提出了“综合电力（IntegratedPower）”的新概念，它把ACCESSTM电能监测系统、低压开关柜、电动机控制中心、母线和电力变压器综合在一起，这种综合还包含制造厂对用户的综合服务，即从系统的初始规划、设计、运输、安装、开车、投产连接起来，做全面服务，给用户最大的方便。ACCESSTM是一种基于Web的电能监控系统，它提供实时企业级电力质量和工作可靠性监控，ACCESS提供最新电力质量监控的硬件和软件技术，从这个系统可获得大量的系统级数据信息，供分析、储存和共享，由于ACCESS是基于Web的，故用户可在任何地点、任何时间，方便地存取数据。ABB公司也提出了一个类似的总体解决方案，称为工业IT，使新型的Emax万能式断路器、Tmax MCCB和其他产品都作为一个完整解决方案的一部分，每个功能单元可执行测量、控制、优化和相互协调、配合等功能，并为用户提供安装、使用及维护指导，实现产品到用户服务综合解决方案。
ABB 公司的Emax万能式断路器有很强的通信功能，它的通信模块PR120/D-M 可连接Modbus网络，通信系统中BT030装置可与笔记本电脑通过蓝牙技术进行通信，EP010-FBP作为一个总线插接件，采用ABB Fieldbus Plug新概念，像一个插座，可选择连接到Profibus、DeviceNet或AS-I总线网络。
3、用于新能源的低压开关电器
智能电网要充分发挥分布式清洁能源的作用，为了这一目标，国际上也相应开发了用于清洁能源的特种开关电器，如ABB 公司最近推出了用于保护光伏电池串的高性能小型断路器S800PVS［5］。光伏电池串的工作与一般电源不同，当电池串某一单元短路时，其短路电流与正常工作电流相比，数量上大得不多，因而不适合用普通过载方式来保护，而当阳光强时，它的工作电流会很大，也不适合用瞬时脱扣器来作为短路保护，保护光伏电池串主要是保护逆向电流。如图9所示，当某串中一单元电池短路时，正常工作的其他各电池串会向发生故障的这一串提供逆向电流，这时小型断路器应跳闸起保护作用。ABB 公司开发的小型断路器额定电压至直流1 200V，额定电流至125A，分断电流Icu为5 kA
4、智能开关的状态检测
智能开关是智能电网中一个重要元器件，它的可靠运行直接关系到电网的安全可靠，因而开关的状态检测十分重要。当前一些新型低压智能断路器都带有一定状态检测功能，如日本寺峙公司的Tempower系列的新型双断点万能式断路器可检测触头温度，施耐德公司低压断路器的智能脱扣器Micrologic能检测触头磨损。这些检测技术需要采用各种新的传感技术，特别在中、高压断路器上，状态检测更显重要，这里介绍日本三菱公司中压永磁真空断路器的状态检测技术［6］。
永磁机构的驱动特性受以下4 种情况影响：①传动部份摩擦力增大；②真空灭弧室内触头摩损；③电容器性能变差；④永磁保持力减小。三菱公司永磁真空断路器状态检测装置是利用永磁机构线圈电流波形的特征来检测上述几种状态。
当真空断路器分闸时，永磁机构激磁线圈中的电流可表示为：U = iR + Ldi /dt + idL /dt
式中：U为供电电容器电压；R为线圈回路电阻；L为线圈等效电感，这里线圈反电势有两项，即Ldi/dt和idL/dt。图10为永磁操作机构分闸过程的三种工作状态。图11为永磁机构线圈电流在分闸过程的变化，当线圈开始通电，动铁心尚未动作时，断路器处于合闸状态（见图10 ( a)），线圈反电势仅为Ldi/dt，这时线圈电流上升较快，而当电流到达峰值，动铁心开始动作，由于工作气隙改变，使磁系统等效电感变化，因而增加了idL/dt项，这一反电势促使了电流下降，当T= Tcont时，相当于图11电流波形中点B，动触头走完超行程（图10( b)），触头开始分离，这以后帮助触头分开的触头弹簧不再起作用，导致可动部分速度下降，idL/dt 变小，电流波形上在T=Tcont瞬间出现曲变点，当T=Tend时，动铁心运动到分闸的终端位置（图10( c)），线圈电流降至最底点，相当于图11 中电流波形上点C，这时动铁心不再运动，反电势idL/dt 消失，从这一点开始，电流重新上升，因而电流波形上出现第2 个曲变点。由于当上述四种影响操作机驱动特性的情况产生后，会影响传动机构的速度，以及动铁心到达终端的时间，因而利用Tend变化就可检测出断路器的操作机构工作状态是否良好。如可根据采样得到的触头磨损前后的第2个曲变点时间差值ΔTend来判断触头磨损量，图12 为用这种电流波形特征的传感方法获得的触头磨损量与实测值的对比，可见用这种方法检测触头的磨损有足够的准确性。
三菱公司把这种状态检测技术称为CBM(Condition-Based Maintenance)，其结构框图如图13所示，通过对永磁机构线圈的电流和电压采样，输入CBM控制器，控制器对电流波形用上述方法进行分析后，确定当前永磁操作机构的工作状态，把它和设定的上下限进行比较，若超出设定值，则发出警报，要求维护人员进行维修处理。
5、结语
智能电网的发展推动了低压配电网和低压电器的智能化，今后新型低压电器的开发一方面会进一步和电网的智能化要求联系起来，另一方面会与新能源的推广相结合，不但要保证配电网的工作可靠性和连续性，也要通过智能技术提高自身的工作可靠性。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳