摘要：在“碳達峰、碳中和”目標的推動下，中壓真空斷路器的小型化、智能化已成為發展的趨勢，小型化可以節省材料、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的開關柜，這樣相對于一般800mm寬的開關柜，占地面積節省37.5%，節省土地資源。通過智能一體化設計，大大減少控制、保護的二次接線，同時實現開關設備的遠程操控、狀態監測、智能運維，以及變電站無人值守。
2.小型智能化斷路器現狀
世界著名開關設備企業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、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、電量和電源質量測量，Modbus通訊協議。
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的操作機構用于中壓智能斷路器iVB，基于一體化設計的理念，GE的iVB真空斷路器希望通過將電子傳感單元及保護系統高度的系統集成，來實現設備的智能化，一次設備和二次信號、保護完美結合成統一體，最大限度的實現功能集成，為客戶創造最大價值，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，可以應用于550mm開關柜。斷路器保護智能保護系統通過Modubus通訊，斷路器之間使用雙絞線連接，通過開關柜的觸摸屏實現對線路中所有斷路器的實時參數、狀態的監測和控制。iVB智能斷路器是一臺充分系統集成的產品，一臺斷路器取代傳統開關柜分立元件-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、國內等電力行業標準的要求，同時綠色環保，相間距只有135mm，手車寬度414mm。智能化解決方案，完善的開關設備資產健康管理解決方案， 有思維的開關設備溫度實時監測，準確測量主回路溫度，識別安全隱患；智能電機驅動控制及保護系統，支持“一鍵順控”程序化操作，實現安全高效運維；用戶監控與ABB云技術相結合，數據實時分析；通過對斷路器早期故障的準確預測，掌控健康狀態；移動客戶端或瀏覽器隨時隨地訪問運行數據，支持安卓、iOS、Windows操作系統，依據NB/T 42044《3.6 kV～40.5 kV智能交流金屬封閉開關設備和控制設備》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計問題
小型化設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構或固封極柱形式。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一般操作機構尺寸過大，而由于小型化斷路器建議采用觸頭質量輕、分閘所需速度低、行程小的真空滅弧室，這樣機構所需提供的操作功就小，可以有效降低操作系統的磨損量，進而減少了斷路器所需要的經常維護。如使用低壓框架斷路器的操作機構，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，VD4采用彈簧儲能、自由脫扣的功能模塊化EL型操動機構，主彈簧包含在模塊內，機構本體自帶手動儲能手柄，使機構具有完整的驅動功能，同時具有精確的動作特性及穩定的預期壽命。可自由選配簡單快速安裝的二次附件。樸素的設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、鄰近效應造成額外發熱損耗大，尺寸小發熱不易散發出去，特別是固封極柱形式，真空滅弧室的發熱集中在密封的極柱內部，不論是工程塑料還是環氧樹脂的導熱系數都很低，需要減少滅弧室觸頭的電阻，適當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，基礎框架滿足額定電壓12kV產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，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測量保護、機構狀態監測、關鍵性能的監測、遠程操控等功能。系統測量、保護功能更多是采用智能數字脫扣單元，即集成了開關柜綜保的功能，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，實現電流、電壓、有功、諧波等的實時測量、并實現故障的判斷，長延時、短延時、瞬動等的自動脫扣，是實現斷路器智能化的基礎；而機構狀態、關鍵性能的監測則是對溫升、局放、真空度、操作機構線圈及電動機、分合閘速度等的監測，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。
因此智能化應以系統智能保護為前提，智能保護是基于數字化微機處理技術，無需外部電源即可實現自主脫扣，通過微小的電流、電壓值數字化處理實現系統計算，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置、操控，實現配電系統自動化。
性能、狀態監測需要對斷路器一次回路、二次回路進行監測，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品采用非接觸式監測，如分合閘線圈、儲能電機的電流監測，則通過安裝在開關柜儀表室內部的智能監控單元實現，無需破壞斷路器整體性能，溫升測量則是采用表帶測溫無線傳輸方式，不影響斷路器操作系統。
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，一般采用固封式結構，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
