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第2章智能电器的一次设备概述智能电器中一次设备与监控器的关系作为电器设备，一次设备是本体，监控器为一次设备完成的操作功能服务。作为电力系统和用电负荷的智能监控与保护，监控器是采集和分析现场信息，做出控制决策的核心。一次设备是监控器监控的对象，是完成最后操作的执行元件。一次设备对监控器设计的影响对监控器功能的影响因素一次设备类型及其操动机构的工作原理。同类型一次设备的安装位置和应用。监控器设计考虑因素一次设备操动机构的工作原理；应用场合对操作控制的要求。2.1智能电器一次设备的功能及分类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完成电能的传输、分配与供给；对电力系统设备及各类用电负载的运行进行控制与保护。常见应用现场及要求完成的基本功能输电线路中电能传输的控制、输电设备和线路保护。配、供电系统中①向下级电网或用户分配上级电网输送的电能，保护馈电线路及电力设备。②故障时，切断故障电路供电，保证非故障电路和重要负载的连续供电。一次设备的基本功能/常见应用现场及要求完成的基本功能用于各类电力用户被监控对象的电能控制和保护。①根据负载工作的要求接通或切断其供电电源（电能控制）。②线路或负载发生故障时，按相应的保护特性切断电源，避免停电区范围扩大。一次设备的基本功能/常见应用现场及要求完成的基本功能提示接在同一电网系统中不同位置上的一次设备完成的功能不同，要求不同的控制和保护特性参数。2.1.2一次设备的分类1.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。按绝缘介质SF6、真空、空气2.成套电器设备及其分类1）成套电器基本概念利用成套技术把变电站或成套组合电器（成套电器）当作一个整体。保证电网在系统上对开关设备的要求；兼顾开关及其他电器元件之间的相互配合。2）成套电器的使用特点作为电力系统的子系统，适应性强、结构上更科学、使用更可靠，技术含量更高。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。占地少、投入运行快、运行可靠性高、抗污染、低噪音、不可燃。3）成套电器分类按内部绝缘介质空气绝缘和其他气体（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。成套电器设备及其分类/成套电器分类按内部是否有变压器预装式变电站（HV/LVPrefabricatedSubstation）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（GasInsulatedSwitchgear）、气体绝缘金属封闭开关柜C-GIS（CubicGasInsulatedSwitchgear）和金属封闭开关柜（高压成套开关设备）。3）成套开关设备的内部配置基本配置一次开关元件、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。常用一次开关元件大多采用断路器。某些变电站用开关柜除断路器外还配置接地开关。配电网馈电线路用成套开关设备常用负荷开关+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1.智能开关元件操动机构操作的控制能量实现智能电器操作控制要求按运行状态调节开关操作机构的出力特性；接受指令接通/分断机构的控制电源。操动机构必须由电能控制其操作。常用的一次开关元件操动机构可用电能控制的所有开关元件。2.成套电器的智能监控完成电力系统各环节中的线路和电力设备等的监控与保护。影响成套电器智能监控功能的主要因素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）成套设备内部元件的在线监测要求。实现成套电器智能监控的条件①内部一次开关元件的操动机构的操作必须用电能控制。②系统中与继电保护相关的运行参数和相关电器设备的运行状态能被实时监测。③内部应能装配实现在线监测的传感器及其信号传送设备。2.2断路器及其智能控制概述断路器的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。当前断路器智能化包括的内容①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。断路器实现操作智能控制的条件①合、分闸操作过程中操动机构的运动速度能根据被监控对象工作状态进行调整（改变合分闸出力特性）。②能根据断路器操动机构工作原理，设计出实现操作智能控制和零损耗分、合闸的监控器。2.2.1传统断路器的工作特点和控制要求本教材中，把除永磁操动机构外的其他操动机构称为传统操动机构。2.2.2永磁操动机构的基本工作原理及其控制简介永磁保持的电磁操动机构的简称。一种针对真空断路器负载特性开发的新型操动机构；与传统断路器机构相比，出力特性与真空断路器负载特性匹配更好。有更好的智能控制性能。1．永磁操动机构的特点及分类1）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。合、分闸操作的能量由电磁铁与永磁铁共同产生；闭合或断开状态由永磁铁的磁力保持。2）机构特点①与弹簧操动机构相比，操动机构的零部件大大减少；②机械结构简单，动作可靠性提高，可实现真空断路器真正免维护。③调节电磁铁线圈电压即可使机构出力特性和运动速度适应合、分闸过程中负载特性的要求；④便于实现操作的智能控制。3）机构分类分双线圈、单线圈和分离磁路式3类。（1）双线圈永磁操动机构结构电磁铁带有合闸线圈和分闸线圈，提供断路器合/分闸操作电磁力。永磁铁提供使断路器保持在闭合或断开位置的磁力。特点①合闸线圈线圈线径较细。②永磁铁体积较小。③分闸线圈需要较大的供电电流。④合闸时动触头冲击大。⑤紧急情况下手动分断速度较慢。⑥便于实现断路器操作的智能控制。（2）单线圈永磁操动机构适用于开断容量较小的真空断路器。结构电磁铁带有一个在断路器关合位置的线圈，提供断路器的合闸能量。永磁铁保持断路器闭合与断开状态。特点①有分闸弹簧，提供分闸操作的能量，可使机构满足断路器对分闸速度的要求。②供电电路及其控制器简单，体积较小，适于户外封闭式箱体内安装。③电磁铁线圈电流较大，保证提供合闸能量同时为分闸弹簧储能。④可手动立即分闸。⑤不易实现分闸操作的智能控制。（3）分离磁路式永磁操动机构结构电磁铁包含合闸和分闸操作两个线圈。工作原理操作磁路和状态保持磁路分开。永磁铁保持开关闭合状态；分闸弹簧的预压力保持开关分断状态。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。实际使用的产品很少。2.永磁操动机构的操作控制1）电磁铁线圈的供电方式用直流电源供电。AC/DC变换器配合大容量电解电容器提供所需的直流电能；电力电子开关器件控制分、合闸线圈的接通/分断。主电路结构形式取决于操动机构的工作原理。2）典型电路双稳态双线圈结构永磁机构供电电源原理电路结构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-CloseOpen,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。要求操作智能控制时，按预先设定的电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。操动机构智能控制的基本思路在电磁线圈通电期间，控制器按要求的机构出力特性调节线圈电压。电磁铁线圈的电压调节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。使用全控型器件时可以采用脉冲频率调制（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断路器的选相分/合闸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/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、分闸相位的智能控制方法——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，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（1）重合器用于馈电线路自动化，其监控器的监控目标就是一次断路器的操作功能及其与系统的配合。（2）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在应用中要求的断路器对被监控对象运行状态的监测、保护及控制的全部功能，也可以替代低压开关设备智能监控器。在