CN112490069A - 一种改造升级的智能柱上真空断路器 - Google Patents

Abstract

一种改造升级的智能柱上真空断路器，在断路器本体上装有一个小型化的电容式PT取能装置和一个信号处理单元，信号处理单元与一个前端采集装置通过电缆进行连接。信号处理单元可对1回线路的3个测量电压、1个零序电压，3个测量电流、1个零序电流的信号进行放大，并对2个直流量进行信号的采集。前端采集装置包括采样单元、主控单元、通信模块和电源单元；采样单元用以接收信号处理单元的信号。主控单元包括ARM微处理器电路和三段式方向过流保护和零序方向保护电路。通信模块包括以太网通信、串口通信、GPRS通信及RS232/485通信电路。本发明的有益效果是：可为配网管理提供数据支撑。装置采用一体化设计，现场安装简单。

Description

一种改造升级的智能柱上真空断路器

技术领域

本发明涉及一种断路器，尤其涉及一种智能柱上真空断路器。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，依靠现代信息、通信和控制技术，提高电网的智能化水 平是电网未来发展的趋势。为此，供电企业加快了电网信息化、自动化、互动化建设的步伐， 尤其在配电网的自动化方面，升级改造的工作非常迫切。

目前的配电线路中，老旧真空断路器不在少数，并且存在着断路器的功能亟待更新、升 级的情况。现阶段的配电线路在正常运行时，其负荷分布、线路电压、开关状态等运行数据 还无法实时掌握；对线路中的故障检测、分析还不够全面，不能第一时间发现线路故障，并 迅速定位、隔离故障区域。若要更换全新设备，则需要大量的资金投入。目前急需一种技术 先进、投资成本低、并且可实现就地施工改造老旧真空断路器的方案。

老旧真空断路器的改造应能达到以下的预期目标：

(1)实现线路的故障判断、定位以及自动隔离。区分单相接地故障、相间短路故障、过负荷等信息并实时发送故障短信，实现配电网系统的监测、保护和控制等功能，缩小停电范围。

(2)实时在线检测线路负荷电流，电压、开关状态，例如：过负荷、负荷突变、电压异常等情况。

(3)实现开关保护定值的设定和调整，改造之前的保护只有档位设定，而且需要停电 现场调整定值；改造之后，进行远程调整定值范围为过流：20A-6000A，速断：20A-6000A，保护定值设定更加精确。

(4)防止二次设备开路保护设计，装置中所有高压电流互感器的出线都在底座内经过 了低压电流互感器和信号调理电路模块的二次转换处理，能够彻底避免高压电流互感器开路 造成的安全隐患。

(5)取电电源一体化设计，不再加装传统磁感应式PT，彻底避免现场二次接线错误引 起二次故障，铁磁谐振等安全隐患。

(6)现场安装方便，接线简单，只需连接三进三出连接引线，安装简单。

(7)手机配网e+，可以随时随地查看线路运行情况、故障情况、操作次数、负荷曲线、 实时故障消息推送等信息，第一时间了解停电原因和时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种改造升级的智能柱上真空断路器，使其具有一体化、小型化的 整体结构，将真空断路器本体、信号处理单元、电容式PT、测量单元以及低功耗小型化的前 端采集装置进行一体化设计，确保断路器的安装简单、维护方便。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种改造升级的智能柱上真空断路器，由底座、操作机构、互感器、绝缘件、真空开关 管及一次导电回路组成的柱上真空断路器本体，其特征在于，在断路器本体底座的一侧装有 一个支架，支架上装有一个小型化的取能电源装置，在底座的另一侧装有一个信号处理单元， 信号处理单元与一个前端采集装置通过电缆进行连接，用以将采集到的断路器有关运行参数 的信号传送给前端采集装置。

所述的取能电源装置是一个电容式PT，采用金属化聚丙烯膜电容器，且配有AC/DC电源 模块而输出直流电压。

所述的信号处理单元有一个外壳，外壳里装有放大电路单元、放大电路单元可对1回线 路的3个测量电压、1个零序电压，3个测量电流、1个零序电流的模拟量信号进行放大，并 对2个直流量利用降压电路进行信号的采集。

所述的前端采集装置有一个外壳，外壳为挂箱式结构，外壳里装有采样单元、主控单元、 通信模块和电源单元，其中，采样单元的输入端与信号处理单元相连接，采样单元的输出端 与主控单元的输入端相连接，主控单元的输出端与通信模块相连接，电源单元则与采样单元、 主控单元和通信模块相连接。

所述的采样单元可对1回线路的3个测量电压、1个零序电压，3个测量电流、1个零序 电流的模拟量、2个直流量进行采集。

所述的主控单元包括ARM微处理器及其附属电路、存储器电路、三段式方向过流保护电 路和零序方向保护电路。

所述的通信模块包括以太网通信、串口通信、GPRS通信及RS232/485通信电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)具备方向保护的低功耗前端采集装置

该前端采集装置具备三段式方向过流保护和零序方向保护，可实现多电源的配网线路的 保护。同时具有双向有功功率、无功功率的测量功能，为配网管理提供数据支撑。

(2)电容式PT取电

该断路器采用电容式PT提供工作电源，体积小、重量轻，免维护，彻底杜绝铁磁谐振的 隐患。

(3)设备一体化设计

电容式PT、信号处理单元、断路器本体和前端采集装置一体化设计，现场接线方便，安 装简单。

附图说明

图1是本发明的智能柱上真空断路器的整体结构示意图。

图2是本发明的智能柱上真空断路器的侧视结构示意图。

图3是方向保护示意图。

图4是零序方向保护逻辑图。

图5是三段式方向过流保护逻辑图。

图6是前端采集装置系统原理图。

图7是智能断路器的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的智能柱上真空断路器的具体结构作进一步的详细说明。

如图1、图2所示，是本发明的智能柱上真空断路器的整体结构示意图。

一种改造升级的智能柱上真空断路器，由底座、操作机构、互感器、绝缘件、真空开关 管及一次导电回路组成的柱上真空断路器本体3，其特征在于，在断路器本体3的底座4的 一侧装有一个支架1，支架1上装有一个小型化的取能电源装置2，在底座4的另一侧装有一个信号处理单元5，信号处理单元5与一个前端采集装置6通过电缆7进行连接，用以将 采集到的断路器有关运行参数的信号传送给前端采集装置6。

所述的取能电源装置2是一个电容式PT，采用金属化聚丙烯膜电容器，且配有AC/DC电 源模块而输出直流电压。

所述的信号处理单元5有一个外壳，外壳里装有放大电路单元、放大电路单元可对1回 线路的3个测量电压、1个零序电压，3个测量电流、1个零序电流的模拟量信号进行放大， 并对2个直流量利用降压电路进行信号的采集。

所述的前端采集装置6有一个外壳，外壳为挂箱式结构，外壳里装有采样单元、主控单 元、通信模块和电源单元，其中，采样单元的输入端与信号处理单元相连接，采样单元的输 出端与主控单元的输入端相连接，主控单元的输出端与通信模块相连接，电源单元则与采样 单元、主控单元和通信模块相连接。

所述的采样单元可对1回线路的3个测量电压、1个零序电压，3个测量电流、1个零序 电流的模拟量、2个直流量进行采集。

所述的主控单元包括ARM微处理器及其附属电路、存储器电路、三段式方向过流保护电 路和零序方向保护电路。

所述的通信模块包括以太网通信、串口通信、GPRS通信及RS232/485通信电路。

本发明的智能柱上真空断路器为了保证稳定运行和小型化设计，采用了电容式PT提供 装置的电源。电容式PT的工作性能稳定可靠，采用金属化聚丙烯膜电容器，具有损耗因数 低、绝缘电阻高、耐压高等优点；而电容式PT内部配置的AC/DC电源模块具有输入电压范 围宽、交直流两用、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔离等优点。

该取能装置可以实现线路零负荷启动，避免受天气、负荷大小等外界因素的影响，体积 小，工作稳定可靠。

本发明的智能柱上真空断路器的前端采集装置6具有线路的短路功率方向保护功能，适 用于分布式电源保护，如小水电线路等。线路的方向保护如图3所示，为了消除双侧电源网 络中保护无选择性的动作，就需要在可能误动作的保护上加设一个功率方向元件。该元件当 短路功率由母线流向线路时动作；当短路功率由线路流向母线时不动作。双侧电源网络相间 短路方向保护就是在单侧电源网络相间短路保护的基础上增加了方向判别元件，以保证其选 择性的保护。

当双侧电源网络上的保护装设方向元件后，就可以把他们拆开成两个单侧电源网络看待， 两组方向保护之间不要求配合关系，其整定计算仍可按单侧电源网络保护原则进行。

对于两端电源供电的辐射形网络或单电源供电的环网，为了切除故障元件，应在线路两 端装设断路器和继电保护装置。如图3中的K1发生短路时，只要求3、4两套保护动作断开断 路器3和4；而K2发生短路时，只要求1、2两套保护动作断开断路器1和2。针对这种电网， 需在过电流保护基础上增加方向元件。通常规定短路功率方向由母线指向线路为短路功率的 正方向，方向元件动作，反之由线路指向母线为反方向，方向元件不动作。零序方向保护逻 辑如图4所示。三段式方向过流保护逻辑如图5所示。

前端采集装置以高性能32位微处理器为硬件开发平台，以C语言为软件开发工具，保证 设备的稳定性及可靠性。其系统框图如图6所示：

前端采集装置可提供1回线路(4电压4电流，其中3个测量电压、1个零序电压，3个测量电流、1个零序电流)模拟量、2个直流量的采集、以及以太网通信、串口通信、GPRS 通信及RS232/485通信，另外也可根据用户的需求调整配置。通信协议采用IEC60870-5-104 标准规约，可将数据上传至标准主站系统。

本发明的智能柱上真空断路器能够实时检测线路三相电流、三相电压、断路器状态以及 单相接地故障、相间短路故障等信息，进行短路和接地故障的有效告警和隔离，并可以接收 系统指令，远程进行断路器的分合闸，也可以通过远程方式，对前端采集装置进行定值整定， 为快速优化线路运行提供了必要的技术手段。

本发明的智能柱上真空断路器的断路器本体，采用10kV架空线路常见的ZW-32真空断路 器，具有手动分合闸拉环，负责线路负荷和故障电流的开断，可由前端采集装置控制，进行 分、合闸及保护调整操作。

本发明的智能柱上真空断路器的电容式PT用于给前端采集装置各用电单元提供电源。装 置采用线路电压取电，线路正常运行时均能取电，只要线路带电，无论负荷电流为多少，天 气如何恶劣，均能为用电单元提供可靠工作电源。

本发明的智能柱上真空断路器的工作原理如图7所示，该设备直接通过电缆线输入前端 采集装置6，前端采集装置6经过信号滤波、测量后，通过通讯模块将信号传至系统后台。如 线路发生接地和短路故障，前端采集装置6可以控制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6接收后台控制指令对断路器进行分合闸操作。

本发明的智能柱上真空断路器的的主要功能如下：

1)三段式方向过流保护：具备带功率方向测量和保护的过流跳闸功能；

2)零序方向保护：具备测量零序电流大小和方向的功能，应用于用户开关可准确因用 户侧接地保护跳闸，准确隔离接地故障区段；

3)数据采集功能，可实时采集线路三相电流、电压、正反向有功、无功、断路器分合闸及储能状态等数据；

4)线路运行工况异常报警功能，除了可检测线路相间短路故障、单相接地故障等线路 故障外，还以根据用户需要，对线路电压波动、线路负荷异常变化等异常工况进行告警，并 发送信息至自动化主站。

本发明的智能柱上真空断路器的主要特点如下：

1)一、二次设备深度融合，易工程化设计

①该智能柱上真空断路器将断路器本体3、取能电源装置2、信号处理单元5以及低功耗 小型化的前端采集装置6进行一体化设计，达到一、二次设备深度融合的设计目标，为配网 线路的高速化建设提供了必要的技术支撑；

②该智能柱上真空断路器现场安装使用时不需要额外接线,只需插接一个航空插头的简 单工作便可完成整体安装。施工简单、维护方便，将智能柱上真空断路器的现场安装带入了 “小时工程化”的阶段；

③该智能柱上真空断路器可以通过GPRS通信系统，方便、快捷对前端采集装置进行远 程管理，可以在几十秒内完成装置保护定值的远程整定，为设备运行维护提供了极大的便利， 将线路运检人员从定值现场调整的工作中解放出来。

2)故障研判更加准确

该智能柱上真空断路器实时测量三相电流、三相电压，不仅可以进行常规的幅值保护， 同时也可以进行故障方向判断(短路方向和零序方向)，从而为故障研判提供了更加可靠的 判定依据。

3)具备良好的功能扩展能力

该智能柱上真空断路器中的前端采集装置具有采集电气量丰富的特点。装置可以根据这 些数据，进行计算，提供更加丰富的定制功能。为配网管理提供必要的数据支撑。例如：

①提供分区考核依据。智能断路器可以提供线路有功功率、无功功率、功率因数和电量 等运行数据，作为配网管理部门分区考核依据；

②监控线路运行异常状况。可实时监测线路电压波动、线路负荷突变、电能量异常。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)具备方向保护的低功耗前端采集装置

该前端采集装置具备三段式方向过流保护和零序方向保护，可实现多电源的配网线路的 保护。同时具有双向有功功率、无功功率的测量功能，为配网管理提供数据支撑。

(2)电容式PT取电

该设备采用电容式PT提供工作电源，体积小、重量轻，免维护，彻底杜绝铁磁谐振的隐 患。

(3)设备一体化设计

电容式PT、信号处理单元、断路器本体和前端采集装置一体化设计，现场接线方便，安 装简单。

Claims (7)

1.一种改造升级的智能柱上真空断路器，由底座、操作机构、互感器、绝缘件、真空开关管及一次导电回路组成的柱上真空断路器本体，其特征在于，在断路器本体底座的一侧装有一个支架，支架上装有一个小型化的取能电源装置，在底座的另一侧装有一个信号处理单元，信号处理单元与一个前端采集装置通过电缆进行连接，用以将采集到的断路器有关运行参数的信号传送给前端采集装置。

2.根据权利要求1所述的一种改造升级的智能柱上真空断路器，其特征在于，所述的取能电源装置是一个电容式PT，采用金属化聚丙烯膜电容器，且配有AC/DC电源模块而输出直流电压。

3.根据权利要求1所述的一种改造升级的智能柱上真空断路器，其特征在于，所述的信号处理单元有一个外壳，外壳里装有放大电路单元、放大电路单元可对1回线路的3个测量电压、1个零序电压，3个测量电流、1个零序电流的模拟量信号进行放大，并对2个直流量利用降压电路进行信号的采集。

4.根据权利要求1所述的一种改造升级的智能柱上真空断路器，其特征在于，所述的前端采集装置有一个外壳，外壳为挂箱式结构，外壳里装有采样单元、主控单元、通信模块和电源单元，其中，采样单元的输入端与信号处理单元相连接，采样单元的输出端与主控单元的输入端相连接，主控单元的输出端与通信模块相连接，电源单元则与采样单元、主控单元和通信模块相连接。

5.根据权利要求4所述的一种改造升级的智能柱上真空断路器，其特征在于，所述的采样单元可对1回线路的3个测量电压、1个零序电压，3个测量电流、1个零序电流的模拟量、2个直流量进行采集。

6.根据权利要求4所述的一种改造升级的智能柱上真空断路器，其特征在于，所述的主控单元包括ARM微处理器及其附属电路、存储器电路、三段式方向过流保护电路和零序方向保护电路。

7.根据权利要求4所述的一种改造升级的智能柱上真空断路器，其特征在于，所述的通信模块包括以太网通信、串口通信、GPRS通信及RS232/485通信电路。

Images