摘要　提出了超高压断路器“智能操作”(即“动触头从一个位置到另一个位置的自适应控制的转换”)的新概念。这是断路器性能智能化的一个重要方面和可行途径。介绍了该智能操作断路器的工作原理、可行性和实施方案。
关键词　超高压　SF6断路器　智能操作
中图分类号　TM561.3

1　引言
　　电力系统正朝着高电压、大容量发展，作为电力系统控制和保护设备的断路器，其性能对电网的安全、稳定运行至关重要。自六氟化硫（SF6）气体被采用以来，超高压断路器已得到长足的发展，其突出的优点是单元断口电压高、开断性能好、无油化、少维修、品种多样、技术经济性能指标好，使SF6断路器在超高压领域内已几乎占据了所有的份额。
　　超高压SF6断路器的发展经历了双压式—压气式—混合式三个阶段。由于单纯的自能热膨胀灭弧室不能兼顾开断大电流和开断小电流的要求，难以在实际断路器中被单独使用。目前正蓬勃发展的被称为“自能式”的SF6断路器，实质上应是自能热膨胀和压气相结合的混合式结构。混合式结构的突出优点是充分利用了被开断电弧自身的能量，使压气缸活塞的直径大为减小，从而大大地减轻了分闸操作的负担，使操作功减小，而压气作用克服了小电流开断时自能灭弧所固有的缺点。
　　随着微机引入断路器的控制，一种新型的断路器正在兴起，断路器的智能化已被提出和试用。展望未来，SF6断路器的发展趋势将是在完善混合式断路器的基础上，向智能断路器方向发展。也就是说，21世纪初，超高压SF6断路器的发展将进入第四阶段——智能式阶段。
　　到现在为止，从已报导的文献来看，国际上提出的智能断路器［1］或正在实施的断路器智能化都还只是断路器外围的控制和监测，最后提供给断路器的仍旧是一个简单的分合闸信号，断路器仍按原定设计完成分合闸操作，还未涉及断路器本身的性能。智能断路器有必要向开断性能的智能化方向发展。究竟哪些性能可以智能化，有待于国内外专家共同努力，不断研究。
　　本文提出了超高压断路器“智能操作”的新概念，为开发新一代超高压断路器开辟一种新的可行途径。
2　断路器的“智能操作”及其意义
　　从电力系统分合过程的理论分析［2］和实际运行经验可知，由于断路器在电网不同工作状态下（例如无载、空载、负载、短路故障等）开断时的实际电路参数不同，断路器所需开断能力是不相同的。但目前国内外现有的断路器均只有按设计预定的一种分闸方式。由于灭弧过程的影响，负载分闸特性就与空载不同，而且开断条件不同其负载分闸特性也不相同，所产生的电气和机械上的作用也不同。为了满足在电网各种工作条件下均能顺利开断和可靠性的要求，设计断路器就必须考虑到在各种工作条件下实际可能产生的最严酷的电气与机械性能的要求，但这又受到机械强度、耐机械冲击性能、磨损等各种因素的制约，使断路器寿命和可靠性均受到影响。
　　机械开关器件的“操作”按IEV的定义是“动触头从一个位置到另一个位置的转换”［3］。本文提出了“智能操作（intelligent operation）”的新概念，即“动触头从一个位置到另一个位置的自适应控制的转换”。断路器的智能操作则可根据电网中所发出的不同开断信息自动调整操动机构和选择灭弧室合理的工作条件，从而改变了现有断路器的单一空载分闸特性。例如在无载时以较低的分闸速度断开，而在系统故障时又以较高的分闸速度开断等，以自动获得实际开断时电气和机械性能上的最佳开断效果。
　　智能操作是断路器性能智能化的一个重要方面。实现智能操作的优越性有：
　　(1)使断路器实际操作大多是在较低速度下开断，从而减小断路器开断时的冲击力和机械磨损，不仅可减少机械故障和提高可靠性，还能提高断路器的操作使用寿命，在工程上有较大的经济效益和社会效益。
　　(2)智能操作理论的深入研究将涉及断路器的性能、自适应控制的原理与装置、系统工作状态的信号处理和自动识别等一系列新内容,不仅具有断路器发展的理论上的意义,还有利于一些新兴学科在高压电力设备中得到应用和发展。
　　(3)实现有关检测、保护、控制及通信等高压开关设备一般的智能化功能。
　　(4)有可能改变目前的试探性自动重合闸的工作方式，而成为自适应自动重合闸，即做到在短路故障开断后，如故障仍存在，则会拒绝重合，只有当故障消除后才能重合。
　　(5)实现定相合闸，降低合闸操作过电压，取消合闸电阻，进一步提高可靠性。
　　(6)实现选相分闸，控制实际燃弧时间，使断路器起弧时间控制在最有利于燃弧的相位角，不受系统燃弧时差要求的限制，从而提高断路器实际开断能力。　　
3　智能操作断路器的工作原理
　　智能操作断路器是在现有断路器基本结构的基础上再增加一个智能控制单元构成，有较好的兼容性。即智能操作断路器的使用不一定要改变现有变电站和继电保护系统的结构，也不影响现有系统的各种功能，只是增加一些新的功能。图1为智能操作断路器工作原理框图。图中实线部分为现有断路器和变电站的有关结构和相互关联。

图1　智能操作断路器工作原理框图
Fig.1　Principle block diagram of intelligent
operation circuit breaker

　　在现有的变电站断路器的工作中，由继电保护装置和操作人员对断路器发出控制信号，命令断路器合闸或分闸，而断路器接到分合闸信号后就按设计预定的单一分合闸运动特性操作，动作结束后将状态信号返回主控室。
　　图1中虚线框和虚线为引入智能操作后所增加的部分，即智能控制单元。它由数据采集、智能识别和执行机构（调节装置）3个基本模块构成。
　　(1)智能识别模块　是智能控制单元的核心，是由微处理器构成的微机控制系统，能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，自动地识别当次操作时断路器所处的电网工作状态，根据对断路器仿真分析的结果决定出合适的所需的分合闸运动特性，并对执行机构发出调节信息，待调节完成后再发出分合闸信号。
　　(2)数据采集模块　由小型电压、电流转换装置和模/数快速转换器组成，随时把电网的数据由模拟量转换为数字量，供智能识别模块进行处理分析。
　　(3)执行机构（调节装置）　由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，用来调整操动机构的参数，以便改变每次操作时的运动特性。对液压操动机构来说，它由可控液压阀构成。
　　归纳起来，智能操作断路器的工作过程是：当系统故障由继电保护装置发出分闸信号或由操作人员发出操作信号后，首先启动智能识别模块工作，判断当前断路器所处的工作条件，对调节装置发出不同的定量控制信息而自动调整操动机构的参数，以获得与当前系统工作状态相适应的运动特性，然后使断路器动作。
　　当然，短路故障开断要求断路器分闸的时间尽可能短，不能因智能操作所增加的控制和调节装置而人为地使断路器的分闸时间延长。这完全可从智能控制单元的硬件结构和软件程序上解决，使因增加控制和调节装置而延长的时间约束在可接受的和可忽略的程度。
　　此外，还可根据需要加装显示模块、通信模块以及各种检测模块，以扩大智能操作断路器的智能化功能。
4　SF6压气式断路器实现智能操作的可行性与实施方案
4.1　可行性
　　（1）目前超高压SF6断路器灭弧室大多是压气式结构，并以液压或气动操动机构操作。本文以液压操动机构为例进行说明。
　　断路器的操动机构和灭弧室是相互联系相互影响且不可分割的两部分。操动机构带动灭弧室及触头系统按一定规律运动，而断路器的运动特性是顺利完成开断的基础。运用牛顿第二定律描述操动机构和灭弧室共同决定的分闸运动特性：

式中　M为运动系统的归化质量；u为运动系统的速度；Fy为液压操动力；Fp为灭弧室压气室对运动系统的反力；Fb为缓冲力；Ff为摩擦力。
　　根据液压操动机构的工作原理，液压操动力可表示为［4］
Fy＝F0－cu2　(2)
　　从式(2)可见，液压操动力由两部分组成：一是F0为液压工作缸的预作用力，即工作缸的静态输出力，它与工作缸结构、蓄压筒内的压力及辅助油箱内的油压有关，为一定值；二是cu2为液压机构管道中所损耗的力，c为综合管道损失系数，是液体压力损失的综合体现，因此它是由液压操动机构的机构参数决定的。cu2表明，液压操动机构中所损耗的力不仅与c的大小有关，还与系统运动速度的平方有关。如果改变管道综合损失系数，从上两方程中就可看出，分闸运动特性将随之改变，有关分闸运动特性的研究结果见文［5］。在目前实际产品中就是采用改变液压机构排油节流孔的大小来调整空载分闸运动特性的