A Novel Smart High-Voltage Circuit Breaker for Smart Grid Applications
WHAT IS A CIRCULT BREAKER ?
Circuit breaker control mode selection and control mode of substation, the size of the substation and other factors. Substation control mode is different, different size, circuit breaker control mode also vary accordingly.
According to the working voltage of control circuit, the circuit breaker control mode can be divided into two kinds of, heavy current and weak current control. According to the operation mode. can be divided into one control two kinds of control and line selection.
So-called high voltage control, is from the control equipment of commands to the circuit breaker operating mechanism, the working voltage of the control circuit for dc 110 v or 220 v. According to the control site, divided into two kinds of centralized control and local control; According to the jump, switching circuit monitoring, divided into two kinds of lighting monitoring and audio surveillance; According to the connection of control circuit IS divided into control switch has a fixed position is not corresponding to the connection with control switch contact automatic reset.
Weak current control can be divided into the following two cases:
(1) the working voltage of circuit breaker control circuit into two parts, low voltage and heavy current issue commands control equipment is working voltage weak current is usually 48 v. Command is issued, and then through the middle and weak electricity conversion link weak current signal conversion to high voltage signal, command, to the circuit breaker operating mechanism. Intermediate conversion links between circuit breaker and at the same structure and high voltage control circuit. This weak current control, is essentially the layout on the control panel of weak electrochemical control equipment,
(2) from the control equipment to the working voltage of circuit breaker operating mechanism of all circuits are all elv- This way of command signal transmission distance is relatively close, the circuit breaker operation and power is large, it is not suitable for 220500 kv substation.
Low voltage line selection control wiring is more complex, more operation steps, hard to ensure its reliability. 220-500 kv substation circuit breaker, do not recommend using low voltage line selection control.
Common characteristic is due to the weak current control on the control panel using the miniaturization of the weak current control device, the control panel on the unit area can be assigned by the control loop, Under the condition of same number of controlled object, compared with the high voltage control, can reduce the area of the control panel, convenient monitoring and operational personnel; Reduced the master control room construction area, reduce the investment in civil engineering. This is a major advantage of the weak current control. But weak current equipment there is insufficient, low voltage terminal and weak current equipment of electrical insulation distance is small. be afraid of dust, especially under the condition of dust containing conductive material more dangerous; Weak current equipment terminals and screen after the weak current connection terminals and soft line connection with welding, due to close the distance between the terminal, when check line and cleaning pay special attention to prevent short circuit between terminals; In addition, there is low mechanical strength, off contact capacity small, poor anti-jamming performance shortcomings.
High voltage control can be divided into high voltage one to one direct control and high voltage line selection control. Very few of the latter in the practical engineering applications. High voltage one to one direct control method has simple control circuit, power supply voltage of a single operation, the operation personnel easy to grasp, convenient maintenance, high reliability advantages, all kinds of used in substation is put into operation a major control method.
High voltage control, because of the working voltage of control equipment is higher, to meet the requirements of insulation distance, control equipment, terminal equipment such as the volume is big, and within the unit area on the control panel can decorate less control goes back from them, In substation scale, more cases of the object, and the control panel. This not only increases the surface area of the main control room, increasing the cost of civil engineering, at the same time, due to the large surveillance plane. is unfavorable to the normal monitoring and operation. At present, the control method is: one to one direct control, station is not a conventional control panel, control was achieved by independent measurement device. The old station is also gradually according to the methods of modification.
(1) shall have the monitoring circuit of the control power. Circuit breaker control power is the most important, once lost power supply, circuit breaker can#39;t operate. Whatever the reason, therefore, when the circuit breaker control power supply disappears, should sound and light signals, prompt the personnel on duty timely processing.
(2) should be regularly monitored circuit breaker jump, switching circuit integrity, when tripping or switching circuit malfunction, should signal circuit breaker control circuit disconnection,
(3) should be prevent electric lock circuit breaker 'jump', 'jump' to the circuit breaker is very dangerous, easy to cause body damage, even caused an explosion of the circuit breaker, so blocking measures must be taken. At present, the microcomputer protection device and the operation of the circuit breaker loop in the default configuration, have prevent breaker 'jump' electrical circuits. Practical application, use and can only use one to prevent the circuit breaker electric circuits of the 'jump'. Design a
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一种用于智能电网应用的新型智能高压断路器
什么是断路器？
断路器的控制方式选择与变电所的控制方式、变电所的规模等因素有关。变电所的控制方式不同、规模不同，断路器的控制方式也相应而异。
按控制回路的工作电压，断路器的控制方式可分为强电控制和弱电控制两种。
按操作方式，可分为一对一控制和选线控制两种。
所谓强电控制，就是从发出操作命令的控制设备到断路器的操动机构，整个 控制回路的工作电压均为直流110V或220V。根据控制地点，分为集中控制与就 地控制两种，按跳、合闸回路监视，分为灯光监视和音响监视两种：按控制回路接线分为控制开关具有固定位置的不对应接线与控制开关触点自动复位的接线。
弱电控制分为以下两种情况。
（1）断路器控制回路的工作电压分成弱电和强电两部分，发出操作命令的控制设备工作电压是弱电一般是48V。命令发出后，再经过中间强弱电转换环节把弱电命令信号转换成强电信号，送至断路器的操动机构。中间转换环节和断路器之间的回路结构与强电控制相同。这种弱电控制，实质上只是把布置在控制屏上的控制设备弱电化了。
（2）从控制设备到断路器的操动机构全部回路的工作电压均为弱电。这种方式的命令信号传输距离较近，断路器的操动功率又比较大，它不适用于220500kV 变电所。
弱电选线控制的接线比较复杂，操作步骤较多，其可靠性难以保证。220一 500kV变电所的断路器，不推荐采用弱电选线控制。
弱电控制的共同特点是由于在控制屏上采用了小型化的弱电控制设备，控制屏上单位面积内可布置的控制回路多。在相同数量的被控对象情况下，与强电控制相比，可以减少控制屏的面积，方便运行人员监视和操作；减少了主控制室的建筑面积，降低土建工程投资：这是采用弱电控制的主要优点：但是弱电设备也存在着不足，弱电端子和弱电设各中的电气绝缘距离较小，怕积灰尘，特别是灰 尘中含有导电物质的情况下更危险；弱电设备的端了和屏后的弱电连接端了与软 线的连接多采用焊接，山于端了间距离较近，在查线和清扫时特别注意防止端了间的短路：另外，还有机械强度低，触点断开的容量小，抗干扰性能差等缺点。
强电控制分为强电一对一直接控制和强电选线控制。后者在实际工程中应用的很少。强电一对一直接控制方式具有控制回路简单，操作电源电压单一，运行人员容易掌握，维护方便，可靠》生较高等优点，是国内投入运行的各类变电所中采用的一种主要的控制方式。
强电控制，因控制设备的工作电压比较高，为满足绝缘距离的要求，控制设备、接线端子排等设备体积都比较大，而在控制屏上单位面积内可布置的控制回路数却较少。在变电所规模大，被控对象多的情况下，所需的控制屏数量多。这不仅加大了主控制室的面积，增加了土建工程的费用，同时，由于监视面过大，也不利于正常的监视和操作。
目前，采用的控制方式是：强电一对一直接控制，站内不设常规的控制屏，通过独立的测控装置实现控制。老站也逐步按该方式进行改造。
在断路器控制回路设计时应注意以下基本要求。
（1）应有对控制电源的监视回路。断路器的控制电源最为重要，一旦失去电源，断路器便无氵去操作。因此，无论何种原因，当断路器控制电源消失时，应发出声、光信号，提示值班人员及时处理。
（2）应经常监视断路器跳、合闸回路的完好性，当跳闸或合闸回路故障时，应发出断路器控制回路断线信号。
（3）应有防止断路器“跳跃”的电气闭锁装置，发生“跳跃”对断路器是非常危险的，容易引起机构损伤，甚至引起断路器瀑炸，故必须采取闭锁措施。目前，微机保护装置和断路器的操作回路的默认配置中，均有防止断路器“跳跃” 的电气回路。实际运用时，用且只能用其中一处的防止断路器“跳跃”的电气回路。设计和运行时，应严格对厂家设计的该部分回路把关。
1997年2月2日，某电厂220kv出线A相故障，线路两侧保护装置止确动作，但在重合时两侧断路器均产生“跳跃”现象。其中，该电厂侧的断路器连续开断后，液压急剧下降，断路器停留在合位后拒分。由于故障点未切除，该厂 220kV断路器失灵保护动作将母联断路器及一条母线上的所有元件切除，一条母线停电。事故检查发现：故障线路的该电厂侧分相操作箱中，防跳继电器电压保持线圈极性接反，防跳回路未能起到作用，致使断路器产生“跳跃”现象：对端则山于其防跳继电器中的电流线圈短路，而导致防跳回路未能起到作用。
断路器的“跳跃”现象一般是跳闸、合闸回路同时接通时才发生。“防跳” 回路的设计应使得断路器出现“跳跃”时，将断路器闭锁到跳闸位置。
（4）跳、合闸命令应保持足够长的时间，并当跳闸或合闸完成后，命令脉冲应能自动解除。通常山断路器的辅助触点自动断开跳、合闸回路。
（5）对于断路器的跳、合闸状态，应有明显的位置信号，故障自动跳闸、自动合闸时，应有明显的动作信号。
（6）断路器的操作动力消失或不足时，例如，弹簧机构的弹簧未拉紧，液压或气压机构的压力降低等，应闭锁断路器的动作，并发出信号；SF6气体绝缘的断路器，当SF6气体压力降低而断路器不能可靠运行时，也应闭锁断路器的动作，并发出信号。
在线路或变压器无故障情况下，压力降低时应闭锁跳闸回路。如果此时不闭锁，一旦线路或变压器发生故障，山于断路器压力已降低，主触头已无消弧能力，可能引起断路器爆炸，其后果不堪设想。
（7）在满足上述要求的条件下，力求控制回路接线简单，采用的设备和使用的电缆最少。
什么是新型智能断路器？
本文提出了一种新型高压SF气体断路器的“智能操作”概念，其中动触头从一个位置自动控制到相邻位置，以改善断路器的使用寿命。为了分析概念智能化运行，开发了一种新型高压SF气体断路器，并在新设计的模型基础上计算了新型断路器的运行特性。然后根据断路器的新的运动特性对机械和电气磨损进行定量分析。最后，我们展示了新型高压SF气体断路器的生命周期改进。我们的分析也可用于根据智能模块收集的统计数据估算断路器的剩余寿命周期。
在故障期间，断路器一直扮演着关键的电气设备角色，以控制和保护包括高压电力系统的输电线路在内的电力设备。即使在正常运行期间，智能电网对于智能电网应用也变得更加重要：除了故障保护功能外，智能电网还需要更频繁地断开或提供额定电流。例如，基于最优潮流分析，最佳传输切换能够大大降低发电成本。它还表明，分支和总线耦合器切换是一个强大的控制选项，以找到最佳的鲁棒网络拓扑。另外，表明，网络重新配置可以减轻或消除被监测线路的潜在过载。除了传输切换之外，研究在断开的电力市场上的可中断负载，[以确保电力系统安全性和最优电价也已证明;因此断路器将被要求在未来的智能电网的配电网络中在额定电流下执行更正常的操作（即，甩负荷）。为了满足这些智能电网应用的需求，开发新技术以延长用于传输系统的高压断路器的寿命周期（操作次数）以实现更可靠的操作是恰当的。
自20世纪20年代SF气体被发现以来，高压断路器的发展取得了长足的进步。目前，SF气体断路器（GCB）已经成为高压市场的主流，已广泛应用于所有涉及72.5 kV至800 kV电压范围的应用。虽然SF具有温室效应，但由于其绝缘强度高，目前故障电流中断能力高，故专门用作高压断路器的绝缘和淬火介质;而诸如真空等替代介质则仅将其用于高达100 kV的电压。我们的目标是通过延长断路器的使用寿命来提高断路器的可靠性，从而使断路器在电力系统中需要更少的维护和更长的时间。这意味着需要生产和使用更少的SF用于GCB，这将导致相当大的环境效益。
历史上，高压SF GCB的发展经历了三个阶段，即两压阶段，缓冲阶段和混合式断路器阶段。混合型GCB具有自爆式热膨胀式和缓冲式GCB的混合结构。本文提出了一种新型GCB智能断路器。常规上，断路器本身被认为是非智能的。以前的断路器研究主要集中在监测SF气体参数，GCB的控制电路状态等。传统的GCB接收来自继电器的开或关信号，然后根据其工厂简单操作设置，不能针对不同情况进行修改或调整。为了增加生命周期，我们建议开发操作机制的智能控制，以提高GCBs的基本中断特性，以满足智能电网应用对GCBs频繁额定电流操作的关键作用的需求。所提出的高压气体断路器的智能操作利用了数字电路和柔性液压阀调节器的进步，以相对较低的额外成本延长断路器的操作寿命周期。我们的数据和分析证实了我们方法的有效性：自从我们开始，故障和正常操作的生命周期可以大幅增加智能控制单元将显着减少电气和机械磨损。 我们的分析也可以用来预测其剩余寿命GCB通过我们的智能控制模块使用制造商的断路器经验数据。剩余的生命周期评估也可以作为智能GCB未来即时维护调度的重要输入。
SF气体断路器智能操作原理
迄今为止，尽管存在各种系统条件，气体断路器只能按照设计的固定移动特性运行。然而，很明显，在不同的电力系统运行条件下，例如空载，正常负载和短路故障，GCB的切换要求是相当不同的。实际上，由间隙大小，接触移动速度等应该根据系统条件而变化。当GCB打开短路故障时，必须克服高能电弧;相反，它在正常负载情况下打开时具有较低的电弧负担。传统上，断路器的设计只有一个开路特性，与开断电流值无关。因此，该特性是针对最糟糕的情况而设计的，即接触系统必须高速移动以减少电气磨损;因此它缩短了生命周期，因为它会给GCB的机械部件造成不必要的压力。
在高压GCB术语中，根据IEC标准，操作被定义为“移动触点从一个位置到另一个位置的转换”。这里提出了一种智能操作的新概念，作为“动态触点从一个位置到另一个位置的自适应转换”。具有智能操作的GCB可以根据电力系统的实时数据自动调整其操作机制。因此，新型断路器将具有更多的开放特性;例如，它将以较低的速度打开无负载电路以降低其机械磨损，但以更高的速度断开故障电路以减少电气磨损。这样，GCB将具有更长的生命周期并且需要更少的维护。
提议的智能操作GCB（IOGCB）由传统的断路器结构和附加的智能控制单元（ICU）组成，为设备带来一些新功能。因此，在图1中引入了框图的新型IOGCB将不需要改变变电站和继电保护系统的当前结构。
如图1所示，实线方块代表传统GCB中的部件，其与传输线和变电站的连接保持不变。虚线框表示智能控制单元（ICU），智能控制单元（ICU）被添加到断路器以实现智能操作功能。 ICU由两个模块组成：智能开关模块和参数调整模块。
1）智能交换模块是ICU的核心部分，ICU是一个微处理器控制器系统。
微处理器控制器有四个基本功能。第一个功能是接收来自保护继电器的实时电流大小和相位角值，这些值在开/关决定之前发送，以便调整设备可以有足够的时间来更改其参数。它还将断路器的状态信号发送给继电器和控制中心。
第二功能是执行在线操作，该在线操作基于继电器电流幅度数据和预先设计的阈值来选择用于参数调节模块的操作模式和相关特性设置值。在实践中，根据现场数据确定阈值并根据离线设计的预先计算的特征模式保存设置值。
第三个功能是获取机械状态信息和统计每个操作的总体统计数据以进行维护。
其最终功能是将跳闸或闭合信号发送到断路器控制线圈，以便在接收到继电器的最终跳闸或闭合信号后，以适当的相位启动操作，以减少电弧幅值和持续时间。
2）参数调整模块将操作机构的参数更改为从第二功能中选择的设定值，以便根据电力系统条件以不同的速度运行。这是一个适用于所有通用断路器的理想模块。在本文中我们提出了一个调节调节装置，该装置由一个高速可控液压阀组成，根据来自智能微处理器的信号，我们可以轻松切换到不同的模式，以用于我们的缓冲型GCB。调整装置应在继电器协调时间内调整其参数。
由于空间限制，我们限制了参数调整模块的基础知识和智能切换的第二功能。我们还介绍了第三个统计函数的基础，以显示我们的新方法的有效性。最后一个功能是在最佳切换阶段跳闸，这也将被解决。
ICU包括一个微处理器系统（成本在几百美元左右），一个高速调节阀（成本在几十美元左右）和软件开发成本，与数万美元的高性能计算机相比，电压CB。如果微处理器系统满足电磁兼容性的要求，那么微处理器系统就可以是可靠的，因为许多数字继电器微处理器已经成功演示。
增加的高速调节阀控制中断特性可能会稍微给原来的机械操作机构带来更多的复杂性。然而，额外的ICU可通过连续监测（包括连接，锁存器，储能系统，压缩机，执行器，风门，阀门等）来减少断路器机械部件的故障率，这些故障占整个断路器故障的44％ CIGRE第二次关于高压断路器可靠性的国际调查。作为常规机械部件维护程序的一部分，电力公司需要定期检查和维护额外阀门。
磨损和生命周期分析
电气和机械磨损都会导致接触材料损失;并且断路器的寿命很大程度上取决于电触头的质量。电气磨损涉及诸如触点形式，交流或直流开关，接触速度和接触压力等因素。机械磨损涉及材料的性质，触点的形式，它们的相对运动以及它们之间的压力。
成功的交流电中断取决于SF间隙的绝缘耐受能力是否大于电路施加在间隙上的增加的电压，以试图重新建立电流.
介电强度的计算相当复杂。它涉及许多因素，例如：
1）电介质的性质;
2）联系人之间的距离;
3）电场不均匀系数;
4）电极的表面粗糙度;
5）气体分子的密度。
由于我们的智能CB改变了开放速度以适应不同的电力系统条件，因此我们将磨损分析的重点放在动触点行程上，其特点是接触速度和电弧时间，并假设所有其他因素保持不变。另外，由于篇幅限制，我们通过假设在电流为零后中断不会失败来简化我们的表示，这意味着在我们的分析中避免重新点燃问题。我们也在智能断路器中使用相位控制，我们还将研究接触速度和相位控制在电弧放电时间方面的组合效应。
也就是说，在电弧放电时间之后，当触点之间的距离达到一定值时，SF的介电强度可
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