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1、第第2章章 智能电器的一次设备 智能电器中一次设备与监控器的关系智能电器中一次设备与监控器的关系 作为电器设备，一次设备是它的本体，监控器为一次设备完成的功能服务。作为电力系统和用电负荷的监控与保护设备完成智能控制时，监控器则是智能电器采集和分析现场信息，做出控制决策的核心。一次设备是完成最后操作功能的执行元件，也是监控器监测与控制的对象之一。一次设备对监控器设计的影响一次设备对监控器设计的影响 不同一次设备操动机构的工作原理不同，同一类一次设备使用场合不同，对监控器的功能要求会有很大的差异。因此，了解一次设备的分类、操动机构的工作原理、应用场合对操作控制的要求，是完成智能监控器设计开发的基础
2、。2.1 智能电器一次设备的功能及分类智能电器一次设备的功能及分类 智能电器的一次设备只包括开关元件及成套开关设备。2.1.1 一次设备的基本功能一次设备的基本功能 用在电力系统发、输、配、供、用各环节的一次电路中，通过对电路的接通和分断操作，完成电能的传输、分配与供给，并对电力系统及各类用电负载的运行进行控制与保护。不同应用目的的开关元件和开关设备，具体要求完成的功能不同。例如 输电线路中 主要用于电能传输和线路保护。配、供电系统中 完成上级电网输送的电能向下级电网或用户的分配，馈电线路与电力设备的保护。出现故障时，切断故障电路供电，根据电网结构及时调整供电电源和用电负载，保证非故障电路和重
3、要负载的连续供电。用于各类电力用户 主要功能是对监控对象的控制和保护。根据负载工作的控制要求接通或切断其供电电源。在线路或负载发生故障时，按故障类型规定的保护特性切断电源，避免因供电系统的上级开关动作造成停电区范围扩大。在同一电网系统中，接在不同位置上的一次开关元件或开关设备完成的功能不同，要求的控制和保护特性参数也不相同。智能监控器设计时，应当保证满足要求的功能。2.1.2 一次设备的分类一次设备的分类 1.电器元件的分类方法电器元件的分类方法 按使用的电压等级 高压和低压。按其在电路中的功能 断路器、接触器、负荷开关、隔离开关和接地开关等。按操动机构原理 弹簧、液压、电磁、永磁、手动、电动
4、。按绝缘介质 SF6、真空、空气 2.成套电器设备及其分类成套电器设备及其分类 成套电器基本概念成套电器基本概念 电器成套技术把变电站或成套组合电器（以下统称成套电器）作为一个整体，既考虑了电网在系统上对开关设备的要求，又兼顾了开关及其他电器元件之间的相互配合。成套电器的使用特点成套电器的使用特点 成套电器可作为电力系统的一个子系统，其适应性更强、结构上更科学、使用更可靠。使用成套电器设备可大大缩短系统安装、调试时间，减少元器件在安装调试过程中可能出现的失误，具有更高的技术含量。占地少、投入运行快、可靠性高、抗污染、低噪音、不可燃。成套电器分类成套电器分类 按内部绝缘介质 空气绝缘和其他气体（
5、如SF6）绝缘。按设备外形结构 柜式、罐式和其他形式。按应用场合 计量柜、进/出线柜、联络柜等。按内部是否有变压器 预装式变电站（HV/LV Prefabricated Substation）和成套开关设备（Switchgear）。按柜内的主绝缘介质 气体绝缘开关设备 GIS（Gas Insulated Switchgear）、气体绝缘金属封闭开关柜C-GIS（Cubic Gas Insulated Switchgear）和金属封闭开关柜（高压成套开关设备）。成套开关成套开关设备设备的内部的内部配置配置 包括一次开关元件、互感器、避雷器、内部连接件、绝缘支持件及相应的二次元件和线路。大多数成套
6、开关设备的一次开关元件采用断路器，有些用于变电站的开关柜，内部除断路器外还配有接地开关。配电网馈电线路中的成套开关设备中常用负荷开关+熔断器替代断路器。2.1.3 一次设备实现智能控制的基本要求一次设备实现智能控制的基本要求 1.智能开关元件操动机构的工作要求 监控器根据现场运行参量的分析结果发出指令，调节操动机构的控制电能，实现开关元件操作的智能控制，或接通/分断机构的控制电源，自动完成开关的关合与分断。因此，智能电器开关元件的操动机构必须由电能控制其操作。智能电器常用的一次开关元件智能电器常用的一次开关元件 断路器、接触器和操动机构可用电能控制的其他开关元件。2.智能化成套电器的基本功能智
7、能化成套电器的基本功能 主要用于电力系统各环节，完成对线路、电力设备（包括变压器、各类开关设备等）和负载的监控与保护 影响成套电器智能控制功能的主要因素影响成套电器智能控制功能的主要因素 1）被监控对象的运行状态和电力系统继电保护规定的各种联锁和闭锁要求。2）电力系统中实际应用场合要求的继电保护功能。3）电力设备的在线监测要求。实现成套电器的智能监控的条件实现成套电器的智能监控的条件 1）内部一次开关元件的操动机构必须用电能进行控制。2）监控器应能监测实际应用系统中与继电保护相关的其他电器设备的运行状态。2.2 断路器及其智能控制断路器及其智能控制 断路器的应用特点断路器的应用特点 1）可以分
8、断短路电流。2）配置要求的脱扣器后可以实现两种以上（短路、失压、过载等）的保护功能。3）不允许进行频繁的合、分操作。断路器的断路器的智能化目标智能化目标 实现操作智能控制，提高断路器自身的机械、电气寿命，全面改善元件性能。当前断路器当前断路器智能化包括的内容智能化包括的内容 1）根据被监控对象的运行状态动态控制断路器分/合闸操作过程，使机构出力特性与被监控对象工作状态达到最佳匹配。2）控制断路器的分/合闸相位，减小触头因电弧造成的烧蚀。2.2.1 传统断路器操动机构的工作特点和传统断路器操动机构的工作特点和 控制要求控制要求 1）断路器操动机构分类）断路器操动机构分类断路器工作电压断路器工作电
9、压 操动机构工作原理操动机构工作原理 高、中压断路器 液压、弹簧、永磁 低压框架断路器 手动、弹簧、永磁 低压塑壳断路器 手动、电磁分断 本教材中，把除永磁操动机构外的其他操动机构称为传统操动机构。2）传统断路器操动机构的特点）传统断路器操动机构的特点 （1）都带有机械扣锁，完成合闸操作后机构被锁定，使断路器保持在闭合位置。分断时采用脱扣器解扣，其操作用手动或电磁装置控制。（2）可以配置不同功能的电磁操作脱扣器，实现多种功能保护。（3）都带有短路脱扣器，其线圈由保护用电流互感器二次线圈供电，在工作电路发生短路时动作，完成分断操作。短路脱扣器的动作电流可以根据断路器分断容量及实际工作电路的条件整
10、定。（4）为实现合、分闸操作的自动远动控制，大多数断路器的操动机构都带有电磁合闸与分闸装置（其线圈俗称合、分闸线圈）。3）采用电磁机构合）采用电磁机构合/分操作的断路器操分操作的断路器操作控制电路的设计要点作控制电路的设计要点 （1）合、分闸操作线圈不能同时接通电源，其控制电路间必须有相应的电气联锁。（2）合、分闸操作线圈都应短时供电，断路器关合、分断操作一旦完成，相应的操作线圈应立即停止供电。4）传统断路器实现操作智能控制的条件传统断路器实现操作智能控制的条件 （1）根据被监控对象的工作状态，自动调整合、分闸操作过程中操动机构的运动速度（改变合分闸出力特性），实现与被监控对象工作状态的最佳匹
11、配。（2）操作智能控制的方法及其监控器的设计与断路器操动机构的工作原理有关。2.2.2 永永磁磁操操动动机机构构的的基基本本工工作作原原理理及及其其控控制制 永磁保持的电磁操动机构（简称永磁操动机构），是针对真空断路器的负载特性开发的一种新型操动机构，具有更好的智能控制性能。与弹簧操动机构比较，永磁操动机构出力特性与真空断路器的负载特性有更好的配合。1永磁操动机构的特点及分类永磁操动机构的特点及分类 1）工作原理）工作原理 综合利用电磁铁与永磁铁产生的磁力实现断路器的合、分闸操作及闭合、断开状态的保持。断路器合、分闸操作的能量由电磁铁与永磁铁共同产生，而断路器的闭合或断开状态由永磁铁产生的磁力
12、保持。2）机构特点）机构特点 没有弹簧操动机构中的机械扣锁与解扣装置，操动机构的零部件大大减少，机械结构简单，动作可靠性提高，为真空断路器真正实现免维护创造了条件。调节电磁铁线圈电压，可以方便地使机构的出力特性和运动速度适应断路器合、分闸过程中负载特性的要求，便于实现断路器操作的智能控制。3）机构分类）机构分类 已有的永磁操动机构产品大体可以分为双线圈、单线圈和分离磁路式3类。（1）双线圈永磁操动机构）双线圈永磁操动机构 结构结构 电磁铁包含一个合闸线圈和一个分闸线圈，分别位于机构的两端，为断路器提供合、分闸操作的电磁力。永磁铁位于机构中部，其磁力使断路器保持在闭合或断开的位置。特点特点 合闸
13、线圈线圈线 径较细 不需要为分断操作 储能，提的供电能较 小，供电电流小。永磁铁体积较小 提供的闭合位置保持力只需要克服触头弹簧的反力，不需要克服分断操作弹簧的力，保持力小。分闸线圈需要较大的供电电流 分断操作时，需要克服维持闭合状态的永磁力并保证断路器较高的刚分速度。合闸时动触头的冲击大 合闸过程中，动铁心受到的合成磁场的磁力随合闸线圈一侧的工作气隙减小而增大，运动速度加快，造成合闸行程终了时动触头很大的冲击。紧急情况下手动分断速度教慢 机构没有分断操作弹簧，手动分断时不像弹簧操动机构能立即分断。便于实现断路器操作的智能控制 控制电磁铁合、分闸线圈的供电电压，就可以使操动机构的出力特性与真空
14、断路器负载特性有更好的匹配。（2）单线圈永磁操动机构）单线圈永磁操动机构 结构结构 电磁铁只有一个线圈，一般在断路器关合位置一侧，提供断路器的合闸能量。永磁铁保持断路器的闭合与断开状态。特点特点 有提供分闸操 作能量的分闸弹簧 通过调整分闸弹簧 的反力，可使机构的 分闸过程特性满足断路器对分闸速度的要求。供电电路及其控制器简单 电磁铁只有一个线圈，体积较小，可简化供电电路及其控制，适于户外封闭式箱体内安装。电磁铁线圈电流较大 满足断路器合闸时，电磁铁提供合闸能量的同时为分闸弹簧储能的要求。可手动立即分闸，不易实现分闸操作的智能控制 采用分闸弹簧，手动分闸快，但是分闸过程不能调节电磁线圈供电电压
15、，完成操作的智能控制比较困难。这种结构的操动机构适用于开断容量较小的真空断路器。（3）分离磁路式永磁操动机构）分离磁路式永磁操动机构 结构结构 电磁铁包含合闸和分 闸操作两个线圈。工作原理工作原理 操作磁路和状态保 持磁路分开，开关闭合状态用永磁铁保持，分断状态靠分闸弹簧的预压力保持。特点特点 结构复杂，加工装配难度较大。难于实现分闸操作的智能控制。实际使用的产品较少。2.永磁操动机构的操作控制永磁操动机构的操作控制 （1）电磁铁线圈的供电方式）电磁铁线圈的供电方式 电磁铁分、合闸线圈用直流电源供电。一般采用AC/DC变换器配合大容量电解电容器提供所需的直流电能，由电力电子开关器件控制分、合闸
16、线圈的接通/分断。供电主电路的结构形式取决于操动机构的工作原理。典型电路 双稳态双线圈结构永磁机构供电电路 电路结构分析 供电电路由直流电源、机构操作主电路和控制器3部分组成。直流电源包括一个功率二极管AC/DC变换器和大容量电解电容器。电容器在断路器状态保持期间储能，存储的能量必须能够保证断路器完成一次分-合分（Open-Close Open,O-CO）操作循环。操作主电路包含合、分闸线圈及控制其接通/分断的电力电子开关器件。器件可以选用晶闸管、IGBT和功率MOSFET。实际应用中多用 IGBT。控制器根据断路器操作要求完成合、分闸操作线圈的接通/分断。在要求操作智能控制时，按预先设定的电
17、压特性调节线圈供电电压，使机构的运动特性满足断路器负载特性的要求。电磁铁线圈的电磁铁线圈的控制方法控制方法 电磁铁线圈的控制方法与机构类型有关。在双线圈、双稳态永磁操动机构中，永久磁为铁断路器合/分状态保持提供能量，控制器在断路器完成操作后应停止电磁铁线圈供电。除特殊应用场合外，合、分闸操作线圈一般不同时接通电源。操动机构操动机构智能控制智能控制的基本思路的基本思路 在电磁线圈接通期间，控制器按要求的机构出力特性调节线圈电压。电磁铁线圈的电磁铁线圈的电压调节电压调节方法方法 电压调节方法主要取决于操作主电路中使用的电力电子开关器件。使用全控型器件（IGBT、MOSFET等）时可以采用脉冲频率调
18、制（PFM）或脉冲宽度调制（PWM）等方法实现。PFM调制原理（保持toff不变，改变TS)2.2.3 断路器的断路器的选相分选相分/合闸合闸操作操作 问题的提出 理论研究和实践表明，由于被控制对象中电磁能量的变化，断路器的正常操作过程也总是伴随着电压或电流的浪涌，造成操作过电压或过电流，严重地影响电力系统各环节包括断路器自身的安全运行。暂态现象产生的机理暂态现象产生的机理 合闸过程和分闸过程中产生暂态现象的机理不相同。合闸时的暂态过程由线路中的电磁能量转换引起，通常表现为振荡的浪涌电压或电流。分断时的暂态过程由弧隙的复燃或重击穿引起，产生过电压。暂态现象的主要影响因素暂态现象的主要影响因素
19、被控制对象的负载性质（电路参数）。断路器的实际应用场合。分合闸操作时主接点的动作速度。主接点分断、关合时刻的电源相位。在断路器及其应用系统确定后，控制其主接点的分/合闸相位可抑制暂态现象引起的电压、电流浪涌。1.分分/合闸相位选择应考虑的因素合闸相位选择应考虑的因素 被控对象的负载性质（感性或容性）。工作状态（空载、负载或故障）。断路器工作线路的电压等级 操作过程对被控对象影响最严重的是过电压还是过电流。相同的合、分闸相角在不同的应用场合下，有完全不同的效果 为降低操作过电压，空载关合长距离输电线路时，关合时电压相角选择0；空载关合变压器，相角一般应选择90。高压电网中投切并联补偿电容，主要考
20、虑抑制过电压，关合时电压相角应选择0；低压配电网中的电容投切一般要求抑制电流浪涌，关合相角应选90。2.断路器合、分闸相位的断路器合、分闸相位的智能控制方法智能控制方法 选相操作和定相操作选相操作和定相操作 1）监控器实现选相操作的工作过程 （1）后台管理系统或现场操作人员根据实际系统要求设置分合闸相角。（2）监控器根据设定的相角计算对应的延时时间。（3）在收到操作控制信号并检测到电压过零点后起动处理器件定时器延时。（4）延时时间到，通过开关量输出模块发出相应的操作命令。按选相合闸要求设计的监控器可以配置到不同应用场合的断路器，具有较好的通用性。2）实现定相操作的监控器特点 （1）合、分闸相角
21、是针对特定应用条件由软件预先设置，后台管理系统和现场操作人员不能随意修改。（2）发出合、分闸操作命令的过程与选相操作基本相同。（3）只能针对特定应用的断路器配置。3.实现操作相位可控需要考虑的问题实现操作相位可控需要考虑的问题 1）操动机构的动作时间 断路器的合、分操作过程受机构动作时间影响，为使主接点能准确地在设定的相角下关合或分断，监控器计算延时时间时，必须考虑机构的动作时间。2）操动机构的结构型式对操作相位控制的影响。（1）三极分相操作的高压断路器 断路器的三个极有各自独立的操动机构，智能监控器可以方便地控制各相主接点在设定的最佳相角完成分、合闸。（2）中压以下电压等级，三个极共用同一个
22、弹簧操动机构断路器 三相主接点分断、关合同时进行，不可能有相同的相位，控制各相主接点在最佳相角分断与关合非常困难。（3）采用永磁操动机构的断路器 由于机构简单，动作一致性好，只要操动机构本身采用分相设计，就比较容易实现相角可控的合、分闸操作。4.实现相位可控操作的难点 1）机构动作时间的分散性和可变性。2）三极共用操动机构时，各相主接点关合、分断时刻相位的控制。2.2.4 智能断路器智能断路器监控器的功能和要求监控器的功能和要求 影响智能断路器监控器设计目标的主要因素是使用环境要求。在中、低压电力系统应用中，断路器通常是成套电器设备中的一个元件，智能监控器完成的功能和监控目标都是由成套设备完成
23、的功能及其被监控和保护的对象的运行和保护要求决定的。作为智能断路器元件的要求而言，监控器最主要的功能应该是实现操作的智能控制和定相分、合闸，这一目标仍然处于研究阶段。常见智能断路器元件常见智能断路器元件 （1）馈电线路自动化中的重合器，其监控器的监控目标就是一台断路器的操作功能及其与系统的配合。（2）低压智能断路器）低压智能断路器 针对低压断路器的使用功能开发的智能监控器与断路器本体集成一体的元件。这类智能断路器的监控器应具有一次断路器在应用中要求的对被监控对象运行状态的监测、保护及控制的全部功能，在低压开关设备中使用时，可以替代开关设备智能监控器。断路器结构和应用场合不同，其智能监控器应具有
24、的功能及监控目标不同，在设计上很大的区别。例如，在低压配电网自动化中，用于供、配电的框架式断路器与用于用电负载保护和控制的塑壳断路器，监控器完成的功能不同，其外形、结构及内部电路设计目标和要求也完全不同。1馈电线路中的馈电线路中的重合器重合器 应用与特点应用与特点 是交流高压自动线路重合器（A.C.H.V.Automatic Circuit Recloser）的简称，要求“自具”控制及保护功能。所谓“自具”（Self Contained）功能指设备本身具备故障电流（包括过流及接地电流）检测、操作顺序控制和执行操作的功能，且不附加操作电源，适于户外安装。基本控制要求基本控制要求 按照预先设定的开
25、断和重合程序，在交流线路发生故障时，自动进行多次开断和重合操作，在完成程序规定的操作后自动复位。结构 包括一次元件及相应的控制器。一次元件基本采用SF6或真空断路器，在其使用期间免维护。控制器有液压式、电子式和微机控制式3种。作为馈线自动化智能网络中节点设备，必须使用微机控制式。重合器智能控制器的主要功能 （1）基本功能 数据采集、软件实现过载保护的时间-电流曲线、网络通信等。（2）重合器使用要求的功能 对分断、重合的次数计数。记忆每次开断、重合操作后的时间。全部操作完成后，使重合器闭锁在断开位置并将程序复位到原始设置状态。当故障区已被切除或前次出现的线路故障为瞬时故障，保证自动将工作程序复位
26、到初始状态。工作程序和参数设置功能 选择相间和接地跳闸及相应闭锁操作程序，设定相间和接地最小电流值；设定一次开断-重合操作的时间，重合后到下次开断操作的时间，并完成相应定时功能；设置重合和开断操作的次数并计数；记忆和清除已经完成的工作状态。具有完善的电磁兼容性能，便于户外柱上的安装和维护，保证户外环境下的安全可靠运行。2智能低压配电网用智能低压配电网用框架式断路器框架式断路器 在低压配电环节中在低压配电环节中承担的主要任务承担的主要任务 供、配电控制及其设备和线路的保护；故障时切断故障区线路，保证非故障负载的连续、安全供电。智能框架式断路器的监控器设计要求 （1）满足低压配电网应用环境中断路器
27、要求的测量、多种保护、运行参数和保护定值设定、断路器操作控制等功能。（2）具有智能电器的测试、监控、数字或图形显示、事件记录、通信等功能。（3）结构和外形设计满足监控器在断路器中的安装和运行操作方便的要求。用于大功率工业负载供电电路中的智能框架式断路器，监控目标、保护项目、保护特性、控制功能等与配电网用断路器不同，其智能监控器的设计也不同。3小容量低压智能塑壳断路器 低压塑壳断路器的应用 大容量塑壳断路器在大容量低压配电网中用作下级电网的配电开关，小功率低压配电网中可替代框架式断路器功能。小容量塑壳断路器主要用于各种较小容量用电设备的供电控制和保护，基本采用一对一的封闭监控模式，不作为智能通信
28、网络的现场设备。小容量塑壳断路器智能化特点小容量塑壳断路器智能化特点 智能监控器（也称智能脱扣器）占用空间小，不设置复杂的显示和操作面板。监控器完成的功能简单，不设置运行参量的测量、通信和复杂的人机交互功能，一般设置过载和短路保护功能。智能脱扣器的设计要求智能脱扣器的设计要求 在满足要求功能的同时，尽可能简化硬件电路和监控器面板设计，保证符合安装尺寸的要求。2.3 接触器及其智能控制接触器及其智能控制 2.3.1 接触器的特点及应用接触器的特点及应用 特点特点 （1）操动机构简单，没有复杂的机械扣锁与脱扣解锁装置。（2）控制接触器接点的合、分操作，并实现其状态的保持，只需控制操作线圈电压的接通
29、与分断。（3）可以频繁地接通和分断，但不能分断短路电流，内部也不配置其他保护。接触器应用 （1）工业控制领域中必须频繁地起/制动、正/反转，即供电电压需要频繁地接通、分断、改变相序（交流）或极性（直流）的电动机驱动控制。（2）中压以下电力系统中电容器无功补偿装置的投切。（3）电气化铁路及城市轻轨机车的自动化控制。（4）各类船舶驱动装置的自动控制。用接触器作为一次电路控制元件时，需要外部配置具有保护功能的电器元件来完成被控设备所需的保护，接触器本身实现设备工作的频繁操作与控制。一次电路典型结构 2.3.2 接触器智能控制的目标及基本方法 智能化总体目标是通过对操作的智能控制提高其整体性能。1）接
30、触器实现智能控制的目标 （1）动态控制接通过程中操作线圈的电压，实现接通过程电磁力动态调节，控制铁心撞击能量，减小接点接通时的弹跳，提高其机械寿命。（2）接点接通后，降低操作线圈供电电压，减小线圈损耗，节省电能，减小铁心的交流噪声。（3）减小主接点在接通、分断操作过程中的电弧能量，提高接点电气寿命。2）智能控制目标的实现方法）智能控制目标的实现方法 （1）操作线圈的电压动态调节和降低吸合状态的保持电压 采用IGBT或MOSFET等全控电力电子开关器件替代传统的继电器接点，以高频调制的方式对操作线圈供电。通过改变调制周期中开关器件的通、断时间比（占空比），既可以根据接通过程要求，动态地调节操作线
31、圈电压，并方便地控制接点接通保持期间需要的操作线圈电压。常用电路工作分析电路工作分析 交流调压器供电电路交流调压器供电电路 由IGBT组成的斩波控制交流调压器对接触器KM的操作线圈供电。uC为按接通过程动态控制要求设定的电压控制曲线。调压器的控制器按照uC对IGBT在每个斩波周期T中的开通时间ti(i=1,2,3,)进行调节，就可得到接触器接通过程所需的操作线圈电压uKM。AC/DC供电电路供电电路 变换器用单相整流桥完成AC/DC变换，一个采用IGBT（或MOSFET）做开关元件的BUCK型DC/DC变换器调节加在操作线圈上的电压。这种电路电路实际是用直流电压对交流电磁线圈供电，不仅可以降低
32、线圈损耗，还可以抑制电磁铁的交流噪声。为实现操作线圈电压动态调节智能接触器监控器应完成的基本操作 根据接触器吸合过程及保持要求设定操作线圈电压调节曲线。按操作曲线实时计算电力电子器件在每个开关周期中的开通时间。向开关器件输出相应的控制脉冲。（2）减小主接点接通减小主接点接通/分断操作过程电分断操作过程电弧能量弧能量 最有效的方法是“微电弧能量合闸与分断控制”。典型实例分析典型实例分析 组合式智能交流接触器 结构组成 本体包含一台单极和一台双极接触器。基本原理 控制其主接点在线电流过零时分断。监控器控制方法 先在单极元件主接点电流过零前恰当的时刻切断其操作线圈电压，使主接点在该线电流过零点分断。
33、通过延时或线电流过零检测控制，切断双极元件操作线圈电压，使其主接点在线电流过零时分断。基于磁保持继电器的智能交流接触器 结构组成结构组成 本体由三台独立的磁保持继电器组成。智能监控器完成的工作智能监控器完成的工作 在分断过程中分别监测三相主电路电流，并在适当时刻发出命令切断各磁保持继电器控制线圈电压，使其主接点均在电流过零时分断，实现微电弧能量分断操作。在吸合过程中，监测主电路三相电压，可以完成主接点的零电压吸合操作，减小因接点弹跳引起的电弧。磁保持继电器的吸合状态不需要外加电能，可以实现无能耗、无噪声的吸合保持运行。混合式智能交流接触器 结构特点 本体是在三相交流接触 器的主接点上分别并联一
34、 个晶闸管构成。监控器完成的功能监控器完成的功能 吸合操作过程 根据负载功率因数选定晶闸管触发相角，分别向三只晶闸管门极发出脉冲，使晶闸管导通并保证负载电流为正弦。监测三只晶闸管的工作状态，选择合适的时刻接通接触器操作线圈，使其主接点在三只晶闸管均处于导通状态时接通，实现零电流、零电压吸合，从而避免了因接点的弹跳产生电弧。主接点可靠闭合，负载电流由晶闸管转移到接触器主接点后，停止输出晶闸管触发脉冲，晶闸管电流过零关断。分断操作过程 按照与吸合操作相同的触发相角分别向三只晶闸管发出门极脉冲。在合适的时刻切断接触器操作线圈电压，在三只晶闸管同时导通主接点电压为零时分断，负载电流从接触器主接点转移到
35、晶闸管。确定分断操作完成停止输出触发脉冲，晶闸管在承受反向电压时自动关断。智能接触器设计和使用注意要点 与传统接触器操作控制不同，智能接触器的线圈电压接通与否，除接受负载控制系统的指令外，还受其监控器输出指令的控制，因此二次电路必须保证负载控制系统给出关合指令时，监控器工作电源已经达到稳态。2.4 其他一次开关元件其他一次开关元件 智能电器中可能涉及的其他一次开关元件有负荷开关、隔离开关和接地开关。它们通常作为中、高压成套开关设备中的一个部件，完成不同的功能。2.4.1 负荷开关 操动机构结构和特点操动机构结构和特点 有类似断路器的机械锁扣和解锁脱扣功能。没有短路脱扣器，也不能在元件中配置其他
36、功能的脱扣器，自身不具有保护功能。可以承载、关合及开断正常工作电流，也能关合并在一定时间内承载短路电流，但不能开断短路电流。应用应用 线路自动分段设备的一次开关元件。在配电变压器高压侧或配电线路中，控制变压器或某些用电设备投切。与高压限流熔断器配合代替断路器功能，完成对线路和电力设备的控制与保护。负荷开关负荷开关智能控制条件及要求智能控制条件及要求 操动机构必须能够采用电能控制。与成套设备智能化统一考虑。监控器功能按成套设备的使用要求设计，负荷开关接受监控器指令实现关合或开断。被监控对象发生短路时，监控器必须保证负荷开关在熔断器切断短路电流后才能开断。2.4.2 高压高压隔离开关隔离开关 一种
37、只能在微小电流或空载状态下关合与开断电路的开关元件。操动机构一般为手动，多用于成套开关设备。应用 隔离带电线路与需检修或分段的线路与设备，提供可见的电路分断点，以保证现场运行人员的人身安全。带电分、合或转换双母线。分、合套管、母线、不长的电缆等的充电电流。智能控制要求 成套开关设备中要求自动、远动控制其操作，操动机构必须能用电能控制。监控器操作隔离开关必须保证成套设备工作状态确实为空载或微小电流。2.4.3 高压高压接地开关接地开关 应用特点应用特点 能承载规定时间内的异常电流，但不要求承载电路的正常工作电流。主要用于为电路检修的安全提供可靠接地。可制成独立设备，也可与其他高压开关组合使用。分
38、类及应用分类及应用 按按使用特性使用特性 一般接地开关，通常配用手动操作机构。快速接地开关（接地短路器），操动机构可以自动合闸。按按操作方式操作方式 钩棒操作与操动机构操作。按按安装方式安装方式 户内式和户外式。户内式用于封闭式成套开关设备，要求能够关合短路电流。智能化设备中的接地开关要求 接受监控器指令，实现操作的自动、远动控制。操动机构必须用电能控制，监控器应保证接地开关操作的安全。2.5 成套开关设备成套开关设备 2.5.1 概述概述 结构结构 将一次开关元件按一定主接线形式连在一起，并与控制、测量、保护和调整等二次装置以及电气连接、辅件、外壳等组装为一体构成的电器设备。用途用途 用于电
39、力系统发、输、配、供各环节及电能转换系统。成套开关设备的一次线路接线方案 一次线路接线方案是成套开关设备的功能标志，取决于电力系统主接线要求、使用环境与控制对象、主要电器元件特点等因素。智能化成套开关设备智能化成套开关设备监控器的主要功能监控器的主要功能 除替代原开关设备的二次装置，完成设备要求的监测、控制、保护、运行参数调整等功能外，还必须具有与其后台管理系统进行通信的功能，以便实现电力系统的继电保护与自动化管理。不同类型、不同应用的成套开关设备，其智能监控器的设计要求不同。成套开关设备的各成套开关设备的各组成部件间的联锁组成部件间的联锁 一次开关元件的误操作将给现场工作人员和电力设备带来严
40、重的危害，因此成套开关设备各组成部件之间必须设置可靠的联锁 常用的联锁包括机械、电气和程序。一般成套设备中都会设置机械联锁，当需要联锁的元件在不同设备中，或者联锁程序很复杂时，应该采用电气和程序联锁。成套开关设备一般在5个环节设置联锁。（1）主开关(断路器、负荷开关等)与控制室模拟盘之间 防止主开关误分合。（2）主开关与隔离开关或隔离触头间 只有主开关分断时才能操作隔离开关或隔离触头；在隔离开关或隔离触头操作时，不允许操作主开关。（3）接地开关与隔离开关或一次导电回路间 只有隔离开关断开，且接地开关所在一次回路未与带电母线连接，接地开关才能关合操作；接地开关接通时不能操作隔离开关。（4）接地开
41、关或一次导电回路与柜门间 接地开关闭合，一次导电回路未与带电母线接通时才能打开柜门；在柜门关闭并锁定，且接地开关断开后，一次回路才能送电。（5）手车柜二次插头与主开关间 二次插头插合，二次电路接通时，主开关可以关合；主开关关合时，不能拔下二次插头。2.5.2 常用成套开关设备及其智能控制常用成套开关设备及其智能控制 1金属封闭开关柜金属封闭开关柜（高压成套开关设备）组成结构及应用组成结构及应用 简称开关柜。由封闭与接地金属外壳内的主开关、隔离开关或隔离触头、互感器、避雷器、母线等一次元件及测量、保护、控制等二次装置组成。常用于电力系统的电能接收与分配。金属封闭开关柜的类型金属封闭开关柜的类型
42、固定式开关柜 内部主开关和其他某些一次元件在金属外壳内固定安装。移开式开关柜 上述元件安装在可移动的手车上，与内部固定安装的电气元件连接通过隔离触头插入静触头来实现，又称手车柜。智能化高压开关柜监控器设计要求 监控器一般安装在金属外壳正面，要配置操作和显示面板，替代传统开关柜的二次装置实现监测、控制、保护及各种联锁、闭锁功能。为满足不同使用场合的开关柜要求的功能，智能监控器设计可以有通用和专用两种方式。（1）通用功能监控器特点 具有各种使用场合下的全部功能，具体应用时，可用操作面板进行功能选择与参数设置，以适应运行现场的要求。生产厂商对所有开关柜只需要开发一种监控器。硬件和软件复杂，开发成本高
43、，可靠性比较低，调试、操作和维护困难。专用功能式监控器的特点 针对完成相同功能的某一类开关柜而设计。不同功能的开关柜需要配置不同的智能监控器。采用模块化的硬、软件设计方法，硬件和软件按功能设计成通用模块，不同监控器按需要配置不同的功能模块，使监控器开发简化，开发成本降低。可靠性高，调试、操作和维护方便。2预装式（箱式）变电站 一种集高压开关、变压器、低压配电s设备于一体的户内外紧凑式配电设备。安装方式 地面式、半埋式、地下式、柱上简易式。外壳材料 金属、混凝土、玻璃纤维或陶瓷等。一次接线 环网二回线接、双回线接线及终端变电站式接线。箱式变电站的箱式变电站的使用特点使用特点 可安装在城市中除道路
44、外几乎所有地方，也能用直升飞机吊装于高山峡谷的弹丸之地，既可用于荒郊野外，也可伸入负荷中心。外型美观、搬迁容易，容易与周围环境协调，可以大大节省土建与征地费。箱式变电站的箱式变电站的结构特点结构特点 高压室、变压器室、低压室三部分一般呈“目”字形或“品”字形布置，后者可扩大低压出线单元。为解决隔热、通风与防尘、除湿的矛盾，需配置温度和湿度自动调节装置。变压器容量一般为1001250 kVA最常用的是315630 kVA。短路保护采用熔断器，以方便高压架空进线，低压侧用电缆出线。预装式变电站的预装式变电站的智能化设计方法智能化设计方法 整体考虑现场运行对高压开关、变压器和低压配电开关的智能监控要
45、求，针对各部分所需的测量、保护和开关操作控制功能，采取整体或分布式的监控器设计方案。（1）整体设计整体设计 各部分功能集中于一套装置。监控器完成的功能监控器完成的功能 各部分的测量。内部变压器、高/低压部分线路保护。发生故障时发出高压或低压开关的相应操作命令，故障清除后保证变电站尽快恢复正常工作。监控器整体设计的特点整体设计的特点 处理器性能、存储器容量、模拟量通道的采样速率等要求非常高。软件必须保证所有工作能够得到及时处理，设计困难。监控器的硬件和软件设计非常困难，难于保证其安全可靠地运行。输入/输出通道数量多，接线困难。（2）分布式设计的监控器 是一种智能化的数字通信网络。基本思路基本思路
46、 把监控功能按变电站内部功能单元分解，为每个功能单元独立设计的监控器作为监控网络中的一个节点，完成本单元的保护控制功能。监控网络设置一个网络管理器，通过现场总线与各单元的监控器连接。监控器分布式设计的特点 网络管理器与各单元监控器采用数字通信的方法交换信息，完成预装式变电站的运行状态显示、运行参数设置与修改、与上级管理系统的通信及监控网络的管理，监控器外部接线简单。各单元监控器中功能相同的软、硬件模块可以互换共享，设计规范。3气体绝缘金属封闭开关设备气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear,GIS）定义定义 采用或部分采用高于大气压的气体介质作为绝缘介质的金属
47、封闭开关设备。当前GIS中气体介质几乎都用SF6气体。一次元件和设备一次元件和设备 断路器、隔离开关、电压互感器、避雷器、母线、电缆终端盒、出线套管等。GIS内部结构内部结构 按完成的功能分若干个单元，每个功能单元包含共同完成一种功能的主回路和辅助回路的元件，每个功能单元占用一个间隔。高压部分密封于充有SF6气体的接地金属外壳内，辅助回路分别配置在各主元件或（和）单元的控制柜内。GIS使用特点使用特点 占地面积和占用空间小，运行安全、可靠，运输和现场安装方便。运行期内的电寿命长，维护工作量少，对环境的不良影响小。常用于城市中心变电站，山区水电站，以及环境污染严重、地震多发及高海拔地区。特别适用
48、于超高压和特高压等级的电力系统。一种一种在结构和使用上具有在结构和使用上具有GIS特点的中特点的中压电力开关设备压电力开关设备气体绝缘金属封闭气体绝缘金属封闭开关柜开关柜（Cubic Gas Insulated Switchgear,C-GIS）C-GIS于于GIS的的区别区别 充入的SF6气体压力较低（多为0.020.05 MPa）。各功能单元作为一个整体装在同一个箱形结构的密封开关柜中。柜内可按单元分隔成不同间隔，如母线室、断路器室、进（出）线室等，根据单元的工作条件，充入不同压力的气体。为减少密封隔离舱的数量，合理布置元件，充分利用箱体空间，也可以不分间隔整体充气。使用特点使用特点 比传
49、统开关柜体积小，重量轻，不易受环境条件的影响。使用可靠，特别适于高湿、高海拔、重盐雾地区及易受异物入侵的环境。操动控制部分有些部件可置于大气中，维护方便。断路器一般用SF6或真空断路器。GIS和和C-GIS的智能化的智能化 1）智能化目标智能化目标 集中在在线监测和智能控制两方面。（1）在线监测）在线监测 在设备运行状态下，对影响设备安全可靠运行的内部参数进行实时在线监测，为设备的预防性检修提供依据。需要检测的主要参数需要检测的主要参数 SF6气体的密度与水分含量 设备局部放电及其定位 断路器的机械特性与电气寿命 避雷器泄漏电流 内部各一次开关元件的工作状态。（2）智能控制 对设备运行的现场参
50、量及状态进行实时监测，完成要求的测量、保护与控制功能。2）GIS和C-GIS的智能化模式 当前常见的有在线检测与智能控制分离和一体设计两种模式。（1）在线检测与智能控制分离设计 把在线监测与智能控制设计成两套装置，独立完成各自的功能，与上级监管系统的通信通道各自独立。（2）在线检测与智能控制一体设计 二者的功能合为一体，共用一套智能监控器，共享与上级监管系统的通信通道。特点 监控器功能较复杂，装置设计、开发的难度相对较高。可以充分共享分离式设计两套装置中的硬、软件资源，设备智能化程度提高，上级监管更加合理。当前国内基本采用分离设计模式，国外多采用一体设计模式。4熔断器熔断器-接触器组合开关柜（