江蘇國網自控科技股份有限公司的研究人員姜萬東、周海濤等，在2019年第1期《電氣技術》雜志上撰文，介紹一種中壓斷路器智能控制系統的研發與應用，該控制系統由控制智能單元、電動底盤車驅動器、顯示及管理單元等構成。控制系統采用分布式網絡設計方案，傳感器和控制器通過就地網絡總線或無線射頻網絡實現連接，具有占用空間小且應用靈活的特點，對斷路器智能化改造有一定的借鑒意義。

國家電網在2009年提出了新的電網發展規劃，即建設堅強智能電網，明確了高壓開關設備智能化的提升要求。現階段高壓開關設備智能化主要集中在特高壓及高壓斷路器上，而在電網中數量占比最大的3.6～40.5kV中壓斷路器智能化研究卻停滯不前。

其主要原因是，以往國內中壓斷路器制造商的技術積累集中在一次設備上，缺乏二次智能控制設備的研發和應用經驗，因此遲滯了智能中壓斷路器的研發與推廣。

本文介紹一種中壓智能斷路器控制系統，該系統在滿足中壓斷路器智能化要求的前提下無需對斷路器本身進行較大的改變。系統主要包括控制智能單元、顯示與管理智能單元、內置電動底盤車驅動器以及無線測溫傳感器等。

該系統通過就地網絡總線或無線射頻通信實現了傳感器與智能控制單元、驅動器與智能控制單元以及顯示及管理智能單元與智能控制單元之間的數據交換，具有占用空間小且應用靈活特點，對中壓斷路器智能化改造具有一定的借鑒意義。

1 控制智能單元構成

圖1為控制智能單元的構成框圖。該控制單元由4部分構成：①上下行通信接口與射頻無線通信部分；②傳感器采集部分；③開關量輸入部分；④繼電器輸出部分。

智能控制單元對外通信接口分為上行接口和下行接口，上行通信接口與顯示和管理單元通信；下行通信接口與斷路器電動底盤車內置的電動底盤車驅動器通信。上下行通信為485通信總線，上行通信速率為38400bit/s，下行通信速率為9600bit/s。射頻無線通信采用天線外引式2.4G通信模塊，該模塊和斷路器高壓觸臂上的無線測溫傳感器進行數據通信，讀取高壓觸頭的溫度。

智能控制單元接入的傳感器有：①壓力傳感器，接口的輸入量程電壓為0～5V，軟件可設定對應的壓力參數。對于不同型號或廠家的斷路器可選擇不同規格的壓力傳感器來監測斷路器主觸頭壓力情況；②電阻式位移傳感器，該傳感器用來測量斷路器的分、合開關行程，傳感器接口為三線式，即供電電源V+、V◆和傳感器輸出的電壓VR；③電流型霍爾傳感器，監測斷路器分閘線圈電流、合閘線圈電流以及儲能電動機回路電流；④電壓型霍爾傳感器，監測控制回路電壓；⑤電子式電流互感器，其信號為弱電壓信號可直接接入智能控制單元，電子式電流互感安裝于斷路器下觸臂，用于監測斷路器主回路的電流。

圖1 智能控制單元構成框圖

智能控制單元開入量采集斷路器狀態輔助接點的常閉和常開、彈簧儲能狀態接點、底盤車的試驗位置和工作位置接點。智能控制單元繼電器輸出，分別接入斷路器控制回路中的分閘回路和合閘回路，實現對斷路器的分合閘控制。智能控制單元安裝位置示例如圖2所示。示例中該智能控制單元安裝在斷路器機構控制室內。

2 內置式電動地盤車驅動器

斷路器底盤車實現遠程和就地的自動控制是斷路器智能化的一項基本需求。電動底盤車采用直流電動機驅動，傳動系統可為鏈條或齒輪，通過改變直流電動機的旋轉方向來帶動底盤車推進或退出。本文采用一種可安裝底盤車內的電動底盤車驅動器，實現原理框圖如圖3所示。電動底盤車驅動器主要由電動機驅動電路部分、開關量采集部分以及通信部分構成。

圖2 智能控制單元安裝示例圖

圖3 內置式電動底盤車驅動器構成框圖

該驅動器采用全橋控制電路，圖3中電子開關Q1，Q2通過PWM控制來調節底盤車直流電動機的供電電壓大小；電子開關Q3和Q4調整電動機的供電電壓極性，使電動機的旋轉方向發生變化。

底盤車載有斷路器時機械慣量較大，驅動器若輸出全壓起動電動機，則極易引起堵轉，因此驅動器對底盤車起動時采用軟起動控制方式；底盤車停止過程中為避免對開關柜其他部件的機械沖擊，驅動器對底盤車停止采用軟停止控制方式，軟起動和軟停止控制曲線如圖4所示。

圖4中AB段為驅動器控制底盤車起動過程曲線，驅動器在T1時間內輸出電壓從0逐漸增致全壓220V，軟件中T1默認為1s。CD段為控制器軟停曲線，驅動器檢測到小車行進到位（T2時間）后，逐漸將輸出電壓降低到0，軟停時間為T2～T3，軟件默認此時間為0.2s。BC段為驅動器全壓輸出段。

圖4 驅動器軟起、軟停控制曲線

驅動器判斷底盤車的到位信息來自開關量采集的底盤車試驗位置和工作位置，且驅動器電壓輸出受斷路器的位置閉鎖，當斷路器處在合閘位置時，斷路器的常閉接點斷開自動切斷驅動器電壓的輸出。驅動器的通信接口與智能控制單元進行通信，智能控制單元以通信的方式下發推進或退出的命令，驅動器接收到命令后，按照驅動控制曲線輸出驅動電動機電壓實現對電動底盤車的控制。

底盤車驅動器內部采集了電動機控制回路的電壓和電流，驅動器在驅動底盤車推進或退出過程中將電動機的運行電流和電壓值實時上送到智能控制單元。電動底盤車運行到位后，底盤車驅動器自動形成這個控制過程中電動機的電流與電壓曲線數據，并上送到智能控制單元。控制系統的人機界面可以顯示出驅動器控制中的實時電流、電壓信息以及底盤車到位后整個控制過程的電流和電壓曲線。

底盤車驅動器具有短路保護、過載保護、堵轉保護及欠電壓保護等功能，可在電機控制回路異常或電動機故障時迅速的關斷輸出電源，并將驅動器監測的信息上送到智能控制單元。圖5為底盤車驅動器在底盤車內部的安裝示意圖。

圖5 底盤車驅動器安裝示意圖

3 斷路器動觸頭無線測溫

在當前用電負荷日益增長下，斷路器的動觸頭和靜觸頭由于接觸電阻異常造成溫度快速升高，并引起事故的事件時有發生，所以在斷路器的動觸頭加裝無線測溫傳感器對觸頭溫度實時監測是解決此類問題的較好方式。

本文采用的無線測溫傳感器為感應取能式無線測溫傳感器，感應取能原理如圖6所示。當斷路器觸臂中有電流通過時，感應線圈感應出交流電壓UAC，UAC整流成直流電壓VDC后經電壓反饋電路控制的電子開關為傳感器供電。當UAC 電壓過高時，反饋鉗制電路將控制電子開關截止，傳感器后續電路依靠電容儲能放電繼續工作，電容電壓降低到一定值后電壓反饋電路控制電子開關導通感應線圈為儲能電容充電。

圖6 無線測溫傳感器的感應取能原理

該取能電路的優點是，在感應鐵心上只需一個繞組，感應電壓過高時電子開關截止利用電容的儲能為傳感器提供能量，相對于采用短接另外一組感應繞組限制感應電壓的方式，節省了一組線圈的同時也降低了繞組的發熱。

該傳感器起動工作電流為10A，抗短路沖擊能力為50kA/1s。傳感器射頻天線為PCB板基天線，基準頻率2.4GHz，空中傳輸速率為250kb/s，空曠環境下發射距離為10m，溫度數據間隔3s發射一次。圖7為感應式無線測溫傳感器的安裝位置示意圖。

圖7 無線測溫傳感器安裝位置

4 顯示與管理智能單元

顯示與管理智能單元在斷路器智能控制系統中負責人機交互、動態模擬圖顯示以及網絡數據傳輸等功能，圖8為智能顯示與管理單元實現圖框。

圖8 顯示與管理智能單元框圖

顯示與管理智能單元有2路以太網通信口和2路485通信口，兩路以太網口與監控系統進行數據通信，分為主網口和備用網口。2路485通信口分別和控制智能單元與電動接地刀驅動器通信。電動接地刀驅動器硬件與內置式電動底盤車驅動器相同區別只是控制邏輯的差異。顯示與管理智能單元還帶有高壓帶電顯示傳感器接口，指示母線帶電狀態；溫濕度傳感器接口可接入開關柜內的溫濕度傳感器，實現開關柜的溫濕度控制功能。

在軟件上，顯示與管理智能單元可結合專家數據庫系統，通過讀取出智能控制單元中各種傳感器記錄的數據，分析和診斷斷路器的工作狀態情況，進而預測斷路器的檢修周期和使用壽命狀態評估。

5 控制系統的構成與應用

智能斷路器智能控制系統的構成框圖如圖9所示，該系統由顯示與管理智能單元、智能控制單元及相關傳感器、電動底盤車驅動器、無線測溫傳感器等構成。智能控制單元進行對斷路器上傳感器數據采集和斷路器分合控制，下發電動底盤車驅動的控制命令等功能；電動底盤車驅動器直接控制電動底盤車的直流電動機，實現對底盤車推進、退出的控制；顯示和管理單元負責整個控制系統數據的綜合處理與分析，并與監控系統進行數據交換、實現電網對斷路器的三遙功能。

圖9 智能斷路器控制系統框圖

圖10為智能斷路器控制系統記錄的某型號斷路器一次分閘位移曲線。智能控制單元通過讀取位移傳感器的采樣變化，將斷路器分閘時位置移動行程記錄成波形數據文件上送到顯示與管理智能單元。顯示與管理智能單元通過以往分閘位移數據以及出廠數據記錄，通過對比和分析對斷路器機械壽命進行預測。

圖10 某斷路器的一次分閘位移曲線

結論

本文介紹了一種中壓智能斷路器控制系統的研制與應用，該控制系統采用分布網絡實現控制系統內部的智能單元和驅動器的數據交互，通過射頻無線通信讀取無線溫度傳感器測得的斷路器觸頭溫度。該斷路器智能控制系統可滿足傳統中壓斷路器智能化基本需求，且占用空間小應用靈活，具有一定的推廣價值。