摘要：在“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的推動下，中壓真空斷路器的小型化、智能化已成為發(fā)展的趨勢，小型化可以節(jié)省材料、占地面積等，綜合效益顯著；智能化可以保證供電的連續(xù)性、可靠性，提高效率，降低運維成本。
1.引言
小型化斷路器是指布置緊湊、尺寸較小的斷路器，主要是相間距、寬度較小，1250A 31.5kA的抽出式真空斷路器相間距≤150mm、寬度≤500mm，可用于寬度只有600mm甚至最小只有500mm的開關(guān)柜，這樣相對于一般800mm寬的開關(guān)柜，占地面積節(jié)省37.5%，節(jié)省土地資源。通過智能一體化設(shè)計，大大減少控制、保護的二次接線，同時實現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的遠程操控、狀態(tài)監(jiān)測、智能運維，以及變電站無人值守。
2.小型智能化斷路器現(xiàn)狀
世界著名開關(guān)設(shè)備企業(yè)很早就有小型智能化斷路器，如伊頓電氣公司的T-VAC型真空斷路器，見圖1。該真空斷路器整合智能保護繼電器，相間距150mm，斷路器寬度431mm，配備Digitrip智能綜合繼電保護，自供電數(shù)字脫扣保護，電流傳感器尺寸小，具有長延時、短延時、瞬動和接地保護，功率因數(shù)、電壓、電流、諧波失真值和波形記錄，脫扣時間記錄，范圍選擇聯(lián)鎖使最接近故障的斷路器清除該故障，無須時間滯后，減少故障破壞，避免不必要和浪費停機時間，高精度計量，電能、電量和電源質(zhì)量測量，Modbus通訊協(xié)議。
圖 1 伊頓公司T-VAC型真空斷路器
通用電氣公司（GE）采用低壓框架斷路器GLOBAL ACB的操作機構(gòu)用于中壓智能斷路器iVB，基于一體化設(shè)計的理念，GE的iVB真空斷路器希望通過將電子傳感單元及保護系統(tǒng)高度的系統(tǒng)集成，來實現(xiàn)設(shè)備的智能化，一次設(shè)備和二次信號、保護完美結(jié)合成統(tǒng)一體，最大限度的實現(xiàn)功能集成，為客戶創(chuàng)造最大價值，是有“大腦” 自脫扣的斷路器。iVB也是小型化斷路器，相間距150mm，斷路器寬度480mm，可以應(yīng)用于550mm開關(guān)柜。斷路器保護智能保護系統(tǒng)通過Modubus通訊，斷路器之間使用雙絞線連接，通過開關(guān)柜的觸摸屏實現(xiàn)對線路中所有斷路器的實時參數(shù)、狀態(tài)的監(jiān)測和控制。iVB智能斷路器是一臺充分系統(tǒng)集成的產(chǎn)品，一臺斷路器取代傳統(tǒng)開關(guān)柜分立元件-電流互感器、綜合保護繼電器、二次接線等，斷路器總成本低于傳統(tǒng)分立元件的價格總和。一臺斷路器就是一臺出線柜。
ABB公司的最新一代緊湊型iVD4型真空斷路器，見圖2，采用可回收的熱塑性材料PT整體澆注式固封極柱，機械性能、低溫性能等方面均得到了較大提升，絕緣能力大大超過國際、國內(nèi)等電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時綠色環(huán)保，相間距只有135mm，手車寬度414mm。智能化解決方案，完善的開關(guān)設(shè)備資產(chǎn)健康管理解決方案， 有思維的開關(guān)設(shè)備溫度實時監(jiān)測，準(zhǔn)確測量主回路溫度，識別安全隱患；智能電機驅(qū)動控制及保護系統(tǒng)，支持“一鍵順控”程序化操作，實現(xiàn)安全高效運維；用戶監(jiān)控與ABB云技術(shù)相結(jié)合，數(shù)據(jù)實時分析；通過對斷路器早期故障的準(zhǔn)確預(yù)測，掌控健康狀態(tài)；移動客戶端或瀏覽器隨時隨地訪問運行數(shù)據(jù)，支持安卓、iOS、Windows操作系統(tǒng)，依據(jù)NB/T 42044《3.6 kV～40.5 kV智能交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》進行完整的試驗驗證。
圖 2 ABB公司iVD4型真空斷路器
3 小型智能化斷路器的設(shè)計問題
小型化設(shè)計最大的問題就是解決絕緣問題，特別是相間的絕緣問題，相間距在150mm左右可以采用滅弧室絕緣罩結(jié)構(gòu)或固封極柱形式。而相間距再小就需要固封極柱，固封極柱之間需要保持大于20mm的空氣凈距，基于電容分壓計算，空氣間距過小，就會造成空氣間電場強度過高，難以承受工頻耐受和雷電沖擊耐受電壓，造成絕緣失效。
3.2小型化斷路器的操作機構(gòu)一般操作機構(gòu)尺寸過大，而由于小型化斷路器建議采用觸頭質(zhì)量輕、分閘所需速度低、行程小的真空滅弧室，這樣機構(gòu)所需提供的操作功就小，可以有效降低操作系統(tǒng)的磨損量，進而減少了斷路器所需要的經(jīng)常維護。如使用低壓框架斷路器的操作機構(gòu)，伊頓公司的T-VAC、GE的iVB、ABB的VD4真空斷路器都是采用與低壓框架斷路器相同的操作機構(gòu)，VD4采用彈簧儲能、自由脫扣的功能模塊化EL型操動機構(gòu)，主彈簧包含在模塊內(nèi)，機構(gòu)本體自帶手動儲能手柄，使機構(gòu)具有完整的驅(qū)動功能，同時具有精確的動作特性及穩(wěn)定的預(yù)期壽命?？勺杂蛇x配簡單快速安裝的二次附件。樸素的設(shè)計思想帶來了元器件的高可靠性。
3.3小型斷路器的溫升問題
斷路器相間距小，集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)造成額外發(fā)熱損耗大，尺寸小發(fā)熱不易散發(fā)出去，特別是固封極柱形式，真空滅弧室的發(fā)熱集中在密封的極柱內(nèi)部，不論是工程塑料還是環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)都很低，需要減少滅弧室觸頭的電阻，適當(dāng)增加上下支撐的面積，同時減少手車式斷路器觸頭的電阻，來降低發(fā)熱。而如果可以解決絕緣問題，采用絕緣框架形式則可以有效解決溫升問題，如T-VAC斷路器，采用DMC澆鑄絕緣支架，基礎(chǔ)框架滿足額定電壓12kV產(chǎn)品的額定雷電沖擊耐受電壓75kV要求，通過增加相間絕緣板可以滿足額定電壓17.5 kV產(chǎn)品的額定雷電沖擊耐受電壓95kV的絕緣要求，通用性強。而真空滅弧室、軟連接等暴露在空氣中，熱量直接散發(fā)，有利于溫升。小型化斷路器滅弧室絕緣框架示意圖，見圖3。
圖 3 小型化斷路器滅弧室絕緣框架
3.4智能保護終端的集成
斷路器智能終端包括系統(tǒng)測量保護、機構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、關(guān)鍵性能的監(jiān)測、遠程操控等功能。系統(tǒng)測量、保護功能更多是采用智能數(shù)字脫扣單元，即集成了開關(guān)柜綜保的功能，如T-VAC、iVB斷路器都是采用與低壓框架斷路器類似的智能脫扣器，實現(xiàn)電流、電壓、有功、諧波等的實時測量、并實現(xiàn)故障的判斷，長延時、短延時、瞬動等的自動脫扣，是實現(xiàn)斷路器智能化的基礎(chǔ)；而機構(gòu)狀態(tài)、關(guān)鍵性能的監(jiān)測則是對溫升、局放、真空度、操作機構(gòu)線圈及電動機、分合閘速度等的監(jiān)測，可以說是對斷路器智能化的補充，搖進、搖出電動操作則是進一步提升運維功能。
因此智能化應(yīng)以系統(tǒng)智能保護為前提，智能保護是基于數(shù)字化微機處理技術(shù)，無需外部電源即可實現(xiàn)自主脫扣，通過微小的電流、電壓值數(shù)字化處理實現(xiàn)系統(tǒng)計算，如羅氏線圈電流傳感器輸出電壓是150mV，因此電流、電壓傳感器和電源互感器集成在斷路器上則可以降低損耗，提升保護的速度，增加可靠性。通過通訊接口遠程設(shè)置、操控，實現(xiàn)配電系統(tǒng)自動化。
性能、狀態(tài)監(jiān)測需要對斷路器一次回路、二次回路進行監(jiān)測，可以是介入式傳感器測量，也可以是非介入式的計算分析，從安全可靠角度，越來越多的智能化產(chǎn)品采用非接觸式監(jiān)測，如分合閘線圈、儲能電機的電流監(jiān)測，則通過安裝在開關(guān)柜儀表室內(nèi)部的智能監(jiān)控單元實現(xiàn)，無需破壞斷路器整體性能，溫升測量則是采用表帶測溫?zé)o線傳輸方式，不影響斷路器操作系統(tǒng)。
3.5智能化傳感器安裝問題
智能化斷路器采用羅氏線圈電流傳感器，需要電流傳感器安裝在高壓觸臂上，見圖4，由于斷路器相間距小，傳感器是低壓元件，安裝在高壓觸臂上，需要一次高壓與二次低壓隔離、電氣絕緣，保證滿足斷路器耐壓水平，一般采用固封式結(jié)構(gòu)，和滅弧室極柱澆注在一起，成本高，通用性差，無法單獨維護、更換；還有采用絕緣支撐形式的電流、電壓一體化傳感器，并且集成控制電源互感器，尺寸小，安裝方便。
圖 4 安裝在觸臂上的電流傳感器
