CN106300655A - 智能配电网户外断路监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了智能配电网户外断路监控装置，包括断路器本体，所述本体上设置电源模块、控制模块和采样模块，所述控制模块与所述采样模块分别与电源模块连接，所述控制模块包括单片机控制器、信号处理模块与智能驱动控制器，所述控制模块与所述采样模块之间通过传输模块连接。本装置可以实现开断线路负荷及隔离故障功能，实现就地控制操作和由前端采集装置接收系统指令实现远程控制操作；不仅能完成功能数据采集，即实时采集线路三相电流、电压、断路器状态等数据；还可以实现远程的故障报警，通过检测线路相间短路故障、单相接地故障并发送故障信息至自动化主站。

Description

智能配电网户外断路监控装置

技术领域

本发明涉及户外配电设备技术领域，尤其涉及智能配电网户外断路监控装置。

背景技术

随着经济的发展、社会的进步，科技和信息化水平的提高，能源的开发利用、电网的协调发展面临着新课题和新挑战。依靠现代信息、通信和控制技术，提高电网智能化水平是未来发展的趋势。为此，各供电企业都加快了电网信息化、自动化、互动化建设的步代，龙其在配电网自动化方面，升级改造工作非常迫切。

在配电网自动化系统的建设中，自动化装置的低压电源问题一直是线路升级改造的一大瓶颈；常规方案用电磁式电压互感器取电，在工程关施中需要单独吊装、接线，既增加工程施工量，又空易出现接线错误；也有方案是利用高压电流互感器、或者太阳能电池板取电，但这种方案在实际使用中可能受天气及负荷变化的影响，电源供给不稳定，限制了配电自动化的发展。

目前普通户外高压断路器均由普通断路器、控制器、电源变压器构成，这种模式的开关，电源变压器一、二次接线盒、控制器的控制接线全部暴露在户外严寒、酷热、大风、雷雨期间故障率高，可靠性差。在进行线路检修时，需要人工手动分合闸，自动化程度低，难以达到智能电网的基本要求。当10KV线路停电后，包括一些由于天气、通道原因在内造成的瞬时故障时，也必须进行人为巡查来确定故障点及故障类型进行故障排查，然后进行手动重合闸，恢复供电，这种故障处理模式的缺点是处理故障时间较长，经济效益和社会效益不匹配，限制了配网自动化的发展。

所以，户外高压断路器作为电力系统中最重要的控制和保护设备之一，面临着取源不便、高压电流互感器易误开路、分合闸操作驱动机构耐冲击性薄弱等缺点；如果单纯在普通型户外真空断路器的基础上进行改装，就需要加装电源单元、电流互感器、自动化数据接口以及前端采集装置等设备，涉及的设备数量较多，组织协调复杂，现场安装工程量大。

申请号为200920277443.X 的实用新型提供了一种具备手动快速合闸功能的户外永磁式高压真空断路器,包括箱壳以及与箱壳内设置的主轴相连的合闸操作装置、手动分闸装置、真空辅助开关及真空灭弧装置,所述合闸操作装置为手动快速合闸操作装置,包括动力输入机构、通过轴承与动力输入机构相连的传动机构、与传动机构通过轴承连接的驱动机构以及储能机构,其中,驱动机构分别与所述主轴及储能机构相连,动力输入机构连接着复位机构,传动机构连接着固力机构。本发明具有手动快速合闸操作装置,可带负荷手动合闸,且在无操作电源的情况下,也可实现电流三段式保护功能,因此本发明完全符合电力系统运行规程要求,为尽快实现架空配网自动化,发挥着积极的促进作用。

申请号为201020649867.7的实用新型公开了一种户外高压交流真空断路器,包括断路器本体,连接在断路器本体上的电流互感器与隔离开关,以及电压互感器,所述电压互感器与断路器本体安装在同一支座上,电压互感器分别通过绝缘电缆连接断路器本体与电流互感器,从而构成一个有机的整体。所述断路器本体采用三相分离的柱式结构,将三相一次回路安装在各相的绝缘套筒内,单相发生故障时,不会引起三相短路。并且,导电体全部安装在所述绝缘套筒内,绝缘性能大大提高。二次接线进行优化,将以前的航空插座更改为接线盒,易于维修,更加适合自动化配网。本发明结构设置巧妙,将户外电压互感器与断路器设计成一体式结构,解决了以前断路器配网自动化的电源采集难题。

为了加快电网自动化建设的步伐，减少现场施工量，提高工作效率，结合供电局配电网管理工作实际情况，我们需要一种能够实现自取能、自监测、自控制的一体化断路装置。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供智能配电网户外断路监控装置，主要用于开断过载电流、短路电流以及实现线路故障监测、判断、处理，体积小、重量轻，方便现场施工、安装与维护。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：智能配电网户外断路监控装置，包括断路器本体，所述本体包括断路器底座、三相真空灭弧室装置，高压电流互感器组和弹簧储能操作机构，所述本体上还设置电源模块、控制模块和采样模块，所述控制模块与所述采样模块分别与电源模块连接，所述控制模块包括单片机控制器、信号处理模块与智能驱动控制器，所述控制模块与所述采样模块之间通过传输模块连接。

所述电源模块包括取能装置与蓄电池组，所述取能装置包括高压电容分压装置，与三相真空灭弧室装置的上端电连接，从高压运行线路上取电。

进一步地，所述取能装置为感应取能装置，包括平板电容器及其连接的整流稳压单元，所述平板电容器位于高压运行线路的交变电场中。

所述信号处理模块设置于断路器底座中，包括低压电流互感器及其所连接的降压型转换器，处理取能装置的输出信号和高压电流互感器的输出信号。

所述智能驱动控制器设置于弹簧储能操作机构上，包括电容器电压检测电路和分合闸控制模块，所述分合闸控制模块包括储能电容和功率开关器件，所述分合闸控制模块与采样模块连接。

所述采样模块包括线路电流检测模块、线路电压检测模块和开关状态检测模块。

所述传输模块包括开关量传输单元与串行通信单元，所述开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，所述串行通信单元包括RS485串行通信接口电路。

所述断路器本体外围设置隔离开关，所述本体与所述隔离开关设置机械联锁装置。

作为配电网户外断路监控装置的智能核心部件，控制模块包括单片机控制器、信号处理模块与智能驱动控制器，其中，单片机控制器包括单片机芯片与数据采集器，它还可以配合无线天线与收发模块，实现远程信号的接收与传输；单片机控制器可以将控制指令、参数与驱动信号远程互联传输给信号处理模块和智能驱动控制器，无线天线与收发模块可以与远程中央控制室实现通信，便于对断路监控装置进行远程定值设定和远程控制，既可以远程调整开关保护定值，合理配置线路开关保护参数，又可以远程进行分合闸操作，减少线路维护时间，提高工作效率。

信号处理模块主要是为了应对普通断路器在更换制器的时候，有可能出现电流互感器二次开路的情况，这时电流互感器一次电流均成为励磁电流，使铁芯的磁通密度急剧上升，从而在二次绕组感应出高达数千伏的感应电势，可能会对操作人员造成危险，本发明装置经过安全防护设计，所有电流互感器的出线都在底座内经过了低压电流互感器和降压型转换器的二次转换处理，能够彻底避免电流互器二次开路的问题，保证安装操作员的安全。

智能驱动控制器主要用于监控断路器储能电容器的性能与电压，当电压低于预设值时，通过电源模块为电容器充电，反之则停止充电，同时监测电网参数和断路器状态，将相应的参数显示输出，便于断路监控装置之间经过传输互联而组成区域网络，在该网络中通过监控中心的上位机界面控制断路器的分、合闸，同时监测网络中各断路器的运行状况。

作为对该装置的功能拓展，断路监控装置可以配合远程控制单元，实现系统化的短路监控，远程控制单元可以包括PLC控制器、信号收发装置及报警装置，采样模块经过扩展可以检测并区分接地故障、短路故障，隔离线路故障区段，支持线路过负荷、三相不平衡等异常数据，配合设置于主站系统中的远程控制单元，实现推图、语音、短信方式报警。

本发明的断路监控装置相比于传统的配网高压断路器，将断路器本体、取能单元、测量单元以及前端采集装置等进行了一体化的设计，取能装置提供低压工作电源，电流互感器采集电流信号，经二次转换后和断路器控制信号一起通过电缆通讯线输入前端采集装置，前端采集装置经过信号滤波处理后，通过通讯模块将信号传至系统后台，如线路发生故障，前端采集装置可以按照预定控制策略控制断路器跳闸，隔离故障，还可通过前端采集装置接收后台控制指令对断路器进行分合闸操作。

本发明的有益效果主要在以下几个方面：

1）自带高压取能装置，为装置各元件运行提供低压电源。

通过在断路器底座上加装高压电容取能装置，使断路器与取能装置一体化。取能装置采用线路分压取电方式，或感应取能方式，不受天气、负荷电流变化影响，均能为用电单元提供可靠工作电源，稳定可靠。

2）方便现场安装，杜绝现场接线错误。

采用固封型架空线路真空断路器，体积小、重量轻，不需要连接其它电源装置，一次吊装断路器即可施工完毕，施工周期短，减少停电时间：所有二次连线在工厂完工，降低现场施工接线错误的风险。

3）具备实时采集功能和电流互感器开路安全防护设计。

采样模块实时检测线路负荷电流、电压、断路器状态以及单相接地故障、相间短路故障等信息，可以扫收系统指令，远程进行断路器的控制；所有高压电流互感器的出线都在底座内经过了二级电流互感器的转换处理，信号处理模块负责将电流互感器的一次信号，转换为二次弱电信号，能够彻底避免高压电流互感器开路造成的安全事故，在前端采集装置未安装时，不需要考虑高压电流互感器误开路的风险，减少现场施工误操作事故。

4）具备可见隔离断开点。

本装置通过加装隔离刀闸开关，形成了真空断路器与隔离开关的组合电器，增加了可见隔离断开点，并具有可靠的连锁操作，提高了该装置的工作可靠性和安全性能。

5）功能扩展为远程操作与故障报警。

本装置可以实现开断线路负荷及隔离故障功能，实现就地控制操作和由前端采集装置接收系统指令实现远程控制操作；不仅能完成功能数据采集，即实时采集线路三相电流、电压、断路器状态等数据；还可以实现远程的故障报警，通过检测线路相间短路故障、单相接地故障并发送故障信息至自动化主站。

本发明能够在户外交流电停电的情况下，利用储能装置快速切换，把故障信息及时发送到上一级监控平台，并能够在满足复电的条件下通过远程控制实现安全送电，最大限度的减少停电时间，解决了普通柱上开关长期暴露在户外造成的故障率高，可靠性差问题，经济效益和优质服务社会效益明显，同时为配网运行自动化和专业化提供了有效的辅助手段，提高了生产管理水平。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置电源取能模块的稳压电路图。

图3是本发明装置传输模块的开关量输入电平转换电路图。

图4是本发明装置传输模块的串行通信接口电路图。

图5是本发明装置智能驱动控制器的电容器电压检测电路图。

具体实施方式

实施例一

如图1至图5所示，智能配电网户外断路监控装置，包括断路器本体，本体包括断路器底座、三相真空灭弧室装置，高压电流互感器组和弹簧储能操作机构，底座上安装有与弹簧储能操作机构连接的分合闸操作杆和储能操作杆；本体上还设置电源模块、控制模块和采样模块16，控制模块与采样模块分别与电源模块连接，控制模块包括单片机控制器14、信号处理模块11与智能驱动控制器15，控制模块与采样模块之间通过传输模块连接。

电源模块包括取能装置1与蓄电池组2，取能装置包括高压电容分压装置，与三相真空灭弧室装置的上端电连接，从高压运行线路上取电；高压电容分压取电装置包括电压变换器、工作储能电容器以及输出电容器，实现为装置各个模块供源。

信号处理模块设置于断路器底座中，包括低压电流互感器12及其所连接的降压型转换器13，处理取能装置的输出信号和高压电流互感器的输出信号。

智能驱动控制器设置于弹簧储能操作机构上，包括电容器电压检测电路3和分合闸控制模块，分合闸控制模块包括储能电容4和功率开关器件5，分合闸控制模块与采样模块连接。

采样模块包括线路电流检测模块6、线路电压检测模块7和开关状态检测模块8。

传输模块包括开关量传输单元9与串行通信单元10，开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，串行通信单元包括RS485串行通信接口电路。

断路器本体外围设置隔离开关，本体与隔离开关设置机械联锁装置。

在具体实施时，断路监控装置采用三相支柱式结构，具有开断性能稳定可靠，无燃烧和爆炸危险、安全、免维护、体积小、重量轻和使用寿命长等特点，采用全封闭结构，密封性能好，有防潮、防凝露性能，特别适应于严寒或高温潮湿地区使用，三相支柱内部增加伞裙，隔断一次回路与箱体的直接距离，使爬电距离大大增加，外部一次线端子外包增爬伞裙，使外部断口爬电距离增大至600MM以上，满足海拔3500米以下地区使用。

断路监控装置的操作机构采用小型化弹簧操作机构，分合闸能耗低；操作过程分为储能、合闸、分闸及过流脱扣等过程，其中，储能操作时，拉动储能手柄，或电动机转动，在传动齿轮的带动下使凸轮转动，合闸弹簧被逐渐拉长，当弹簧过中后，凸轮由定位件保持不再转动，开关处准备合闸状态，同时凸轮与传动轴脱离，使机构不能再次储能；合闸操作时储能完毕后，拉动手动合闸手柄，或给合闸线圈施加电压，使合闸半轴转动，合闸拐臂与合闸法轴解扣，合闸弹簧释放能量，带动传动轴使开关合闸，同时分闸弹簧被储能；分闸及过流脱扣过程时，断路器合闸后，拉动分闸手柄或给分闸线圈施加电压或当线路电流超过消涌流装置的设定值时过流线圈被驱动，都使得分闸半轴转动，分闸拐臂与分闸半轴解扣，分闸弹簧释放能量，带动传动杆使开关分闸；机构传动采用直动传输方式，分合闸部件小，可靠性高，操作机构置于密封的断路器机构箱中，解决了机构锈蚀的问题，提高了机构的可靠性；分、合闸可手动或电动操作及远方操作（远方操作须配用相应的带通讯功能的控制器），可与控制器配套实现配电自动化，也可以与重合控制器配合组成重合器；断路器可以装设二相或三相CT，可通过箱体内专用复合控制器供过流自动脱扣保护使用，也可将二次线引出箱体进行微机控制保护；加装户外隔离开关和断路器形成一体化，断路器与隔离开关具有可靠的机械联锁装置，断路器腔体侧面设置户外防水航空插头。

作为配电网户外断路监控装置的智能核心部件，控制模块包括单片机控制器、信号处理模块与智能驱动控制器，其中，单片机控制器包括单片机芯片与数据采集器，单片机芯片作为微处理器，需要具有较高的性能，以实现对外部信号的实时测量和达到灵敏的控制能力。因此可以采用Microchip公司的经典8位单片机PICl6F877，其内部带有多种功能模块：A/D转换，PWM控制，定时器等，是一种把众多功能集成到一起的芯片，实现硬件电路软件化，降低成本，提高系统可靠性。同时，它还可以配合无线天线与收发模块，实现远程信号的接收与传输；单片机控制器可以将控制指令、参数与驱动信号远程互联传输给信号处理模块和智能驱动控制器，无线天线与收发模块可以与远程中央控制室实现通信，便于对断路监控装置进行远程定值设定和远程控制，既可以远程调整开关保护定值，合理配置线路开关保护参数，又可以远程进行分合闸操作，减少线路维护时间，提高工作效率。

信号处理模块主要是为了应对普通断路器在更换制器的时候，有可能出现电流互感器二次开路的情况，这时电流互感器一次电流均成为励磁电流，使铁芯的磁通密度急剧上升，从而在二次绕组感应出高达数千伏的感应电势，可能会对操作人员造成危险，本发明装置经过安全防护设计，所有电流互感器的出线都在底座内经过了低压电流互感器和降压型转换器的二次转换处理，能够彻底避免电流互器二次开路的问题，保证安装操作员的安全。

智能驱动控制器主要包括电压检测模块、储能电容和功率开关器件，用于监控断路器储能电容器的性能与电压，处于高压断路器的操动机构中，电容器电压检测电路包括线性光耦；线性光耦工作在光电压模式下，线性度可达到12位精度，工作频率最大为40kHz。储能电容器上的电压通过电阻分压，得到幅值小于15V的电压信号，该信号经跟随器驱动后输入线性光耦隔离传输部分。在二次侧输出的电压信号首先通过RC电路滤除高频信号，再经铁氧体磁珠L2滤除数字噪声，最后输入单片机芯片；功率开关器件为绝缘栅双极型晶体管，其工作原理为：驱动器对储能电容电压进行实时监测。若电压不足则进行充电：若收到远控/近控或者上位机传来的分闸或合闸指令，首先判断断路器的位置是否正确电容器电压是否达到预设值。相符则驱动IGBT进行分、合闸操作。当到达分、合闸位置或已经超过分、合闸预设操作时间则立即关断IGBT，停止分、合闸操作，将断路器位置上传至上位控制模块。所以，这种特殊的工作机理要求实时性比较强，特别是在分、合闸过程中。需实现精确的换向控制，实际操作中，当电压低于预设值时，通过电源模块为电容器充电，反之则停止充电，同时监测电网参数和断路器状态，将相应的参数显示输出，便于断路监控装置之间经过传输互联而组成区域网络，在该网络中通过监控中心的上位机界面控制断路器的分、合闸，同时监测网络中各断路器的运行状况。

传输模块包括开关量传输单元与串行通信单元，开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，串行通信单元包括RS485串行通信接口电路，开关量输入单元用于接受断路器操作命令示。当操作按钮闭合后，光耦一次侧导通发出光信号。光耦二次侧受光导通，操作信号送人控制器，在按钮断开时，为线路中的反向自感电动势提供一个电流通路。避免因产生的自感电动势过高而损坏光耦。开关量输出单元用于指示断路器的运行状态，过流分闸、失压分闸，以及断路器操动机构故障报警信号等。在断路器构成断路器监控网络时，装置要把电网的参数、电容电压值、断路器的状态信号及时上传到中控主机上，由于距离较大，所以可采用工业上常用的Rs-485通信，具有传输距离长、速度较高、电平容性好、使用灵活方便、成本低廉和可靠度高等优点，在智能管理、在线控制、地质勘探等许多领域都有着广泛的应用。

作为对该装置的功能拓展，断路监控装置可以配合远程控制单元，实现系统化的短路监控，远程控制单元可以包括PLC控制器、信号收发装置及报警装置，采样模块经过扩展可以检测并区分接地故障、短路故障，隔离线路故障区段，支持线路过负荷、三相不平衡等异常数据，配合设置于主站系统中的远程控制单元，实现推图、语音、短信方式报警。

本发明的断路监控装置相比于传统的配网高压断路器，将断路器本体、取能单元、测量单元以及前端采集装置等进行了一体化的设计，取能装置提供低压工作电源，电流互感器采集电流信号，经二次转换后和断路器控制信号一起通过电缆通讯线输入前端采集装置，前端采集装置经过信号滤波处理后，通过通讯模块将信号传至系统后台，如线路发生故障，前端采集装置可以按照预定控制策略控制断路器跳闸，隔离故障，还可通过前端采集装置接收后台控制指令对断路器进行分合闸操作。

实施例二

智能配电网户外断路监控装置，包括断路器本体，本体包括断路器底座、三相真空灭弧室装置，高压电流互感器组和弹簧储能操作机构，底座上安装有与弹簧储能操作机构连接的分合闸操作杆和储能操作杆；本体上还设置电源模块、控制模块和采样模块，控制模块与采样模块分别与电源模块连接，控制模块包括单片机控制器、信号处理模块与智能驱动控制器，控制模块与采样模块之间通过传输模块连接；信号处理模块设置于断路器底座中，包括低压电流互感器及其所连接的降压型转换器，处理取能装置的输出信号和高压电流互感器的输出信号；智能驱动控制器设置于弹簧储能操作机构上，包括电容器电压检测电路和分合闸控制模块，分合闸控制模块包括电容器电压检测电路、储能电容和功率开关器件，分合闸控制模块与采样模块连接；采样模块包括线路电流检测模块、线路电压检测模块和开关状态检测模块；传输模块包括开关量传输单元与串行通信单元，开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，串行通信单元包括RS485串行通信接口电路；断路器本体外围设置隔离开关，本体与隔离开关设置机械联锁装置。

电源模块包括取能装置与蓄电池组，与实施例一的区别主要区别在于，取能装置为感应取能装置，包括平板电容器及其连接的整流稳压单元，平板电容器位于高压运行线路的交变电场中。将感应取能技术应用于装置中，一方面，减少了供源的复杂度和困难度，能够合理利用资源，另一方面，在感应取能的供电单元中加入整流稳压单元，整流稳压单元包括整流器和降压器，低损耗整流器和高效率降压型转换器通过收集电场环境中产生的高压线路耦合能量，将这种能量转换成良好调节的输出，为供电元件组件提供能量；稳压单元能够有效避免线路元件在大电流下取能单元吸取能量过剩而烧损电源电路，减小电源的发热量，并将多余的吸取能量进行有效储存，，整流稳压单元还可以连接保护电容，能防止取能单元饱和，且使取能单元能够发出瞬时大功率，增强取能电源带负载能力以及适应能力。

作为对该装置的功能拓展，断路监控装置可以配合远程控制单元，实现系统化的短路监控，远程控制单元可以包括PLC控制器、信号收发装置及报警装置，采样模块经过扩展可以检测并区分接地故障、短路故障，隔离线路故障区段，支持线路过负荷、三相不平衡等异常数据，配合设置于主站系统中的远程控制单元，实现推图、语音、短信方式报警。

本发明的断路监控装置相比于传统的配网高压断路器，将断路器本体、取能单元、测量单元以及前端采集装置等进行了一体化的设计，取能装置提供低压工作电源，电流互感器采集电流信号，经二次转换后和断路器控制信号一起通过电缆通讯线输入前端采集装置，前端采集装置经过信号滤波处理后，通过通讯模块将信号传至系统后台，如线路发生故障，前端采集装置可以按照预定控制策略控制断路器跳闸，隔离故障，还可通过前端采集装置接收后台控制指令对断路器进行分合闸操作。

Claims (8)

1.智能配电网户外断路监控装置，包括断路器本体，所述本体包括断路器底座、三相真空灭弧室装置，高压电流互感器组和弹簧储能操作机构，其特征在于：所述本体上还设置电源模块、控制模块和采样模块，所述控制模块与所述采样模块分别与电源模块连接，所述控制模块包括单片机控制器、信号处理模块与智能驱动控制器，所述控制模块与所述采样模块之间通过传输模块连接。

2.如权利要求1所述的智能配电网户外断路监控装置，其特征在于：所述电源模块包括取能装置与蓄电池组，所述取能装置包括高压电容分压装置，与三相真空灭弧室装置的上端电连接，从高压运行线路上取电。

3.如权利要求1所述的智能配电网户外断路监控装置，其特征在于：所述取能装置为感应取能装置，包括平板电容器及其连接的整流稳压单元，所述平板电容器位于高压运行线路的交变电场中。

4.如权利要求2或3所述的智能配电网户外断路监控装置，其特征在于：所述信号处理模块设置于断路器底座中，包括低压电流互感器及其所连接的降压型转换器，处理取能装置的输出信号和高压电流互感器的输出信号。

5.如权利要求2或3所述的智能配电网户外断路监控装置，其特征在于：所述智能驱动控制器设置于弹簧储能操作机构上，包括电容器电压检测电路和分合闸控制模块，所述分合闸控制模块包括储能电容和功率开关器件，所述分合闸控制模块与采样模块连接。

6.如权利要求2或3所述的智能配电网户外断路监控装置，其特征在于：所述采样模块包括线路电流检测模块、线路电压检测模块和开关状态检测模块。

7.如权利要求2或3所述的智能配电网户外断路监控装置，其特征在于：所述传输模块包括开关量传输单元与串行通信单元，所述开关量传输单元包括开关量输入电平转换电路和继电器输出电路，所述串行通信单元包括RS485串行通信接口电路。

8.如权利要求1所述的智能配电网户外断路监控装置，其特征在于：所述断路器本体外围设置隔离开关，所述本体与所述隔离开关设置机械联锁装置。