低壓電氣技術(shù)智能化發(fā)展趨勢分析

國能長源荊州熱電有限公司 周 華

伴隨科技不斷進步，社會上出現(xiàn)了許多先進技術(shù)，受此影響，智能電器行業(yè)技術(shù)人員嘗試將計算機技術(shù)與電器設(shè)備融合在一起，經(jīng)過不斷嘗試取得了一定成績，其社會關(guān)注度也不斷提高。截止到今天，大眾對“智能化”一詞不在感到陌生，“智能化發(fā)展趨勢”成為了生活、工作的主要發(fā)展趨勢。

智能電器技術(shù)是21世紀電氣領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容，但受限于外界因素，此項工作的發(fā)展情況并不理想。低壓電器與民眾日常生活息息相關(guān)，在鐵路運輸系統(tǒng)、電力系統(tǒng)中具有極高的應(yīng)用頻率。作為工業(yè)發(fā)展用電、居民用電、農(nóng)業(yè)水利用電的基礎(chǔ)供電形式之一，伴隨社會不斷發(fā)展，傳統(tǒng)低壓供電正在向智能化方向發(fā)展。在本文中，筆者對低壓電器技術(shù)智能化發(fā)展趨勢展開了詳細闡述，供從業(yè)人員參考使用。

1 低壓電器發(fā)展

1.1 低壓電器發(fā)展歷程

近年受科技進步速度與經(jīng)濟全球化發(fā)展趨勢影響，低壓電器產(chǎn)品進入了全新發(fā)展階段。我國低壓電器產(chǎn)品共經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：

第一階段。20世紀60～70年代初，屬于模仿階段，代表產(chǎn)品有CJ10、DW10、DZ10等，此階段產(chǎn)品特點為尺寸大、能耗高、性能指標不理想；第二階段。20世紀70～80年代初，屬于發(fā)展階段，產(chǎn)品多為第二代產(chǎn)品，代表產(chǎn)品有CJ20、DW15、DZ20等，此階段產(chǎn)品特點為指標優(yōu)化情況明顯、特點鮮明、體積較小、可以進行組合搭配；第三階段。20世紀90年代初至今，屬于自主研發(fā)階段，代表產(chǎn)品有W40、DW45、DZ40等，產(chǎn)品特點為性能優(yōu)良、可靠性高、體積小、智能化、模塊化、多功能化。

1.2 低壓電器產(chǎn)品設(shè)計方法及發(fā)展

低壓電器產(chǎn)品設(shè)計難度較高，為保證所設(shè)計低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量，須思考產(chǎn)品電氣特性與機械特性，借助反復(fù)計算制定最終計劃。即使經(jīng)過縝密計算，實際產(chǎn)品與理想狀態(tài)也可能存在差異，因此需進行反復(fù)多優(yōu)化。即高質(zhì)量低壓電器產(chǎn)品需要經(jīng)過大量的時間，投入大量的人力、物力才可以實現(xiàn)（圖1）。

圖1 低壓電器產(chǎn)品的設(shè)計流程圖

2 低壓電器關(guān)鍵技術(shù)

2.1 信號處理技術(shù)

信號處理技術(shù)是電力行業(yè)核心技術(shù)之一。空心電流互感器（CT）可完成主回路電流信號的收集，空心CT 通過觀察di/dt 的變化情況，實現(xiàn)大電流信號到毫伏級電壓信號的轉(zhuǎn)變。受電感相位超前效應(yīng)影響，應(yīng)對信號進行調(diào)理復(fù)原。電路借助積分回路來延遲信號傳遞，實現(xiàn)相位補償。必須慎重選擇截止頻率，保證衰減系數(shù)與電流諧波次數(shù)成近似正比關(guān)系[1]。

在完成信號采集后，需要進行放大處理，提高其點位，然后借助ADC 單元將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。在之后結(jié)合用電設(shè)備以提高用電質(zhì)量，對用電設(shè)備進行保護，分析用電設(shè)備故障原因。

2.2 保護處理技術(shù)

智能控制器應(yīng)具備電流保護、過/欠壓、過/欠頻、逆功率等保護功能。電流保護主要包括過載長延時保護、短路短延時保護、短路瞬時保護等，以保證智能電器正常運行。以過載長延時保護為例，其本質(zhì)為反時限動作特定的保護方式，基本原理為模擬雙金屬片過電流熱效應(yīng)積累情況，動作時間與故障電流二者成反比關(guān)系。當(dāng)電量積累到一定程度后，在發(fā)現(xiàn)主回路電流對設(shè)備造成損壞后，MCU 將發(fā)出脫扣指令。

2.3 通信技術(shù)

目前計算機技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用頻率非常廣泛，對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活具有重要影響?，F(xiàn)場總線技術(shù)本質(zhì)屬于計算機技術(shù)與其他科技的融合體，以提高通信系統(tǒng)數(shù)字化性能。在“節(jié)能減排”背景下，應(yīng)使用合理手段完成各類電力參數(shù)收集，實現(xiàn)智能化電能管理，掌握電能變化規(guī)律，了解未來發(fā)展趨勢。

控制器通信技術(shù)多為MCU 的UART 模塊，結(jié)合控制芯片完成電平轉(zhuǎn)換。在實際工作中應(yīng)建立配套低壓配電網(wǎng)監(jiān)控體系，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，在實際工作中應(yīng)提高對電器的診斷能力，提高智能系統(tǒng)的自動化程度與可靠性，實現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)的智能化管理。

2.4 在線升級技術(shù)

在電力盤柜中安裝框架斷路器，在滿足用戶功能升級需求時完成控制器程序更新，這一做法需要更換開關(guān)，會增加開關(guān)損壞頻率。即可以在其中融入在線升級技術(shù)，實現(xiàn)軟件自更新，實現(xiàn)在不拆卸開關(guān)的前提下完成售后工作，提高產(chǎn)品性能。

3 智能化技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用

3.1 智能化控制技術(shù)

智能控制技術(shù)包括智能斷路器、智能電動機保護器、智能接觸器等。其中智能斷路器是智能型監(jiān)控器與斷路器的結(jié)合體，可以完成智能化脫扣器搭建。斷路器性能增強，延時、短延時、順勢過流保護等工作將得到明顯提升。目前，軟起動器、變頻器、電力電子調(diào)速裝置等設(shè)備在供電系統(tǒng)中的應(yīng)用頻率不斷提高，導(dǎo)致電網(wǎng)與配電系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量的高次諧波，模擬式電子脫扣器可以反映故障電流峰值，導(dǎo)致斷路器發(fā)生故障，智能化斷路器可以有效緩解此類問題發(fā)生可能性。

相對于傳統(tǒng)雙金屬片熱繼電器而言，智能化熱繼電器性能更加優(yōu)良，可以降低過載、斷相、三相不平衡等故障發(fā)生可能性，可以實現(xiàn)故障類型數(shù)字化限制，為電動機營造一個良好的運行環(huán)境，保證電動機運行質(zhì)量。

3.2 智能化設(shè)計技術(shù)

當(dāng)今社會，智能化低壓電器產(chǎn)品設(shè)計周期不斷縮短，主要原因為相關(guān)技術(shù)日益成熟。如借助三維計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，工作人員可以高效率、高質(zhì)量的完成信息收集、方案設(shè)計與分析工作。此設(shè)計系統(tǒng)包括多項功能，如結(jié)構(gòu)設(shè)計、實體造型、特性分析、動態(tài)顯示等。CAD 軟件也具備相匹配的專家模塊，可提高所制定設(shè)計方案的科學(xué)性與合理性。低壓電器產(chǎn)品造成較為繁瑣，計算機系統(tǒng)可以幫助工作人員綜合各方面情況，以設(shè)計出令自己滿意的形象。

CAD/CAM 技術(shù)除了可以完成電器外觀設(shè)計外，還具備一定的計算能力。在當(dāng)今社會，有限元算法在磁場計算中擁有非常高的使用頻率，可以幫助電器工程師完成電磁場計算。計算機分析軟件可以完成運動分析、受力分析、有限元分析等多項分析工作，可以幫助設(shè)計師對產(chǎn)品空間結(jié)構(gòu)有更加全面的了解，保證所設(shè)計計劃的科學(xué)性。

3.3 智能化檢測技術(shù)

要想保證低壓電器產(chǎn)品性能，再投入市場前，必須對其進行性能測試。在上世紀九十年代左右，技術(shù)人員提出了“可測性設(shè)計”概念，即在進行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮測試問題，在設(shè)計過程中同步進行測試，控制研發(fā)周期[2]。智能化檢測技術(shù)屬于計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)、電器技術(shù)等多項技術(shù)的結(jié)合體，也正是因為融合了多項技術(shù)，使得技術(shù)人員可以對產(chǎn)品性能進行全面測試，其基本測試原理如圖2所示：

圖2 光機電電磁電器動態(tài)測試裝置原理圖

4 智能化低壓電器技術(shù)展望

4.1 智能化低壓電器技術(shù)概念

電器主要包括兩個方面，分別為電氣設(shè)備以及電氣系統(tǒng)，其主要的工作就是進行電能的傳輸、分配以及管理，同時針對電力系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)的電或者非電對象進行檢測、切換、協(xié)調(diào)以及管理等。所以，實際當(dāng)中電器自身的性能以及具備的功能會直接性影響著電力系統(tǒng)在運行過程中的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性以及可靠性。

智能電網(wǎng)的出現(xiàn)在電器方面提出了比以往更為嚴格的要求。因為電器在實際運行的過程中會涉及到較多的器件與設(shè)備之間聯(lián)系以及互動等過程，此過程具有較強的動態(tài)性，同時也摻雜著較多的能量轉(zhuǎn)化，同時也會經(jīng)歷光、熱、機械以及腐蝕等化學(xué)過程和物理過程。對于傳統(tǒng)的電器來說，其早已無法有效滿足當(dāng)前時代背景下電力系統(tǒng)高速發(fā)展的需求，對于智能電網(wǎng)的建設(shè)來說更是如此。

總而言之，智能電網(wǎng)的出現(xiàn)使得電器擁有了更為豐富的含義，對電氣的需求層次和以往相比也要大幅度加深。所以不可否認的是，電器智能化發(fā)展已經(jīng)是智能電網(wǎng)建設(shè)過程中不可缺少的一項內(nèi)容，同時企業(yè)是促進智能電網(wǎng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)。

對于電器智能化來說，其既是電器領(lǐng)域智能化技術(shù)的主要概念，同時越是后續(xù)開展電器技術(shù)研究工作的重要趨勢。“智能電器技術(shù)”具體來說就是實現(xiàn)產(chǎn)品智能化的一項技術(shù)，同時其也為“電器智能化技術(shù)”產(chǎn)品研究的重要成果。也可以將智能電器看作為電器智能化技術(shù)的重要基礎(chǔ)，將其應(yīng)用在電力系統(tǒng)當(dāng)中可以實現(xiàn)系統(tǒng)運行的自動化控制，是能夠充分發(fā)揮智能功能的一種電器產(chǎn)品。

針對智能電器產(chǎn)品而言，主要能夠?qū)⑵鋭澐殖蓛蓚€方面的內(nèi)容，分別為智能電器器件與智能電器系統(tǒng)。電器智能化技術(shù)的實現(xiàn)，其所涵蓋的技術(shù)較為廣泛，例如電力電子技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及計算機技術(shù)等，因此智能化電器技術(shù)在后續(xù)的發(fā)展受到了社會各界的廣泛關(guān)注。

4.2 人工智能技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用

人工智能領(lǐng)域包含多方面內(nèi)容，比如控制領(lǐng)域、信息領(lǐng)域、系統(tǒng)領(lǐng)域、計算機科學(xué)領(lǐng)域等。對人工智能領(lǐng)域進行分析發(fā)現(xiàn)，人工神經(jīng)系統(tǒng)、遺傳算法、專家系統(tǒng)以及模糊控制技術(shù)四大技術(shù)引起自身特點影響，使其在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用頻率不斷提高。以模糊邏輯控制技術(shù)為例，將其與低壓電器技術(shù)融合在一起，可以提高智能化低壓電器產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，可以保證用戶使用體驗，提高其市場地位[3]。

4.3 現(xiàn)場總線技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用

相對于傳統(tǒng)線纜，現(xiàn)場總線造價更低、可靠性更好，適應(yīng)性更強，而且現(xiàn)場總線只需要一根雙芯電纜，布線難度較低、安裝費用較低。同時，現(xiàn)場總線遵守國際統(tǒng)一標準，具有一定的互換性與聯(lián)動性，可以更好的滿足技術(shù)人員實際需求。

4.4 仿真與虛擬技術(shù)在低壓電器中的應(yīng)用

通斷能力、溫升、零部件強度、動熱穩(wěn)定是低壓電器基本特性，因此在實際設(shè)計前應(yīng)對設(shè)計對象進行詳細分析，包括電磁場、應(yīng)力場、磁場等等。伴隨有限元分析技術(shù)不斷成熟，為技術(shù)人員提供了更多選擇借助此項技術(shù)，技術(shù)人員可以更好的完成數(shù)據(jù)對比，保證所設(shè)計方案的科學(xué)性與合理性，獲得令自己滿意的設(shè)計效果。

4.5 接觸器智能化技術(shù)

當(dāng)前階段對于新型智能化接觸器的應(yīng)用較為廣泛，其主要是通過電流反饋，利用脈沖方式進行接觸器供電工作，以此來有效延長電壽命。對于此種接觸器研究最早為德國穆勒公司，其采用電壓反饋方式，在電壓發(fā)生變動過程中也可以實現(xiàn)恒定電流控制，然而此種接觸器在充分發(fā)揮其優(yōu)勢的同時也存在一定的缺陷，比如信號獲取困難，以及電流發(fā)生波動情況較為嚴重等。與其進行對比，電流反饋具備的優(yōu)勢也會更加突出，美國相關(guān)公司經(jīng)常會應(yīng)用此項技術(shù)來延長電壽命。

伴隨我國技術(shù)的發(fā)展與進步，智能化接觸器具備的綜合性也更加突出，其在實際中的應(yīng)用不需要投入過多成本，然而如果出現(xiàn)故障，會對電力設(shè)備的正產(chǎn)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響，因此應(yīng)該充分注重對其的質(zhì)量以及故障檢測工作。

綜上，相對傳統(tǒng)低壓電器而言，智能化低壓電器可更好地適應(yīng)當(dāng)今社會發(fā)展趨勢，是我國社會發(fā)展的必然趨勢。目前相關(guān)工作正處于起步階段，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)端正自身工作態(tài)度，加大研究力度，確保智能化低壓電器技術(shù)可以向環(huán)保、安全方向發(fā)展，爭取幫助我國早日進入智能化電器時代。