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智能断路器的技术原理及行业应用

——产品中心、文学协会 张兆翔

断路器,这个产品概念在传统电力行业和低压电器中并不算新,但随着低压电器的代际更新及不断整合引入新的传感器技术,逐渐在传统通信连接和物联网智慧互联方面的引起关注。今天天博直播就聊聊这个话题。

一、什么是智能断路器?

断路器是从传统的电闸演变而来,是常见的配电管理设备,是指当回路发生短路或过流故障时能迅速切断电源,防止故障扩大,同时也可以作为一般开关使用,实现电能的分配和控制的装置。天博直播日常生活最常见到的“空气开关”就是一种“微型”断路器。

断路器相关产品和涉及产品种类较多:按电压等级,可分为高压断路器和低压断路器;按电流性质,可分为交流断路器和直流断路器;按灭弧原理可来分为空气断路器、油断路器、真空断路器等;按框架结构,可分为框架万 能型和塑料外壳式;按脱钩保护构造形式,可分为电磁式、电子式、智能型、可通信智能型等,除了上述基本分类之外,其实还可以根据多种用途、分断速度等维度划分更细的品类。

断路器

图1:最常见的“空气开关”

天博直播日常生活最能见到的断路器就是“空气开关”,又叫做微型断路器,属于低压断路器,是低压电器中最重要的保护及控制元件之一,集控制和多种保护功能于一体,当线路正常工作时,作为电源开关接通或分断电路;当电路发生短路、过载和失压等故障时,它能自动跳闸切断故障电路,从而保护线路和电气设备。

那什么是智能型断路器?

智能断路器在传统断路器控制用电线路、保护安全用电的基础上,引入电磁技术和芯片技术,以及现场总线技术和微机处理器,断路器逐渐开始具备智能化,依托各种传感器技术、微电子技术和各种信息传输技术,将控制、计量及通信等功能融于一体,可以更好的完成开断任务和提高开断的可靠性,实现断路器的智能化操作。

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图2:低压断路器类型基本情况

(含非智能)

常见的智能断路器多为低压断路器,主要有万 能式(又称框架式)和塑料外壳式两类,框架式一般耐受电流高(一般额定在400A到6300A)、分断能力强,保护参数可选择等,同时价格较贵,安装尺寸要求和安装也均较为复杂,多用于一级配电或用在大电流回路的开合方面。较之框架式,塑料外壳式(一般额定在10A到800A),一般参数不可调,结构简单,尺寸小、安装方便灵活,价格较低,通常用于二、三级配电,负荷分散、回路较少的场景,尤其适合数量大和范围广的场景。

二、基本原理结构和组网方式

(1)传统微型断路器(空气开关)原理结构

传统机械式断路器构造原理

图3:传统机械式断路器构造原理

传统机械式断路器结构较为简单,主要实现电力线路的开合,最主要构造和功能如下:

  1. 手动杆,用于手动开合断路器;

  2. 传动装置,将触点压在一起或者分开;

  3. 触点,接触时用于接通电流,分开则用于断开电流;

  4. 接线柱,用于进出电力线的连接;

  5. 双金属片,用于电流过载的强制触点分离;

  6. 电磁阀,检测电流变化迅速分离触点;

  7. 灭弧室,用于消灭接通电路时产生的火花。

(2)智能型断路器的演进和组网结构

伴随微电子、单片机及计算机技术、新型传感器技术不断发展,断路器结构也在不断的演进,智能型断路器在传统机械式断路器基础上引入了智能控制单元,不仅具有传统断路器的基本功能,还配有新型的电子设备,与传感器和数字化控制装置相配合,实现了断路的电子操作,变机械传动为变频器经电机驱动,提高了机械系统的可靠性。

新一代智能型断路器构造

图4:新一代智能型断路器构造

更新一代智能断路器还配有数字化各类通信接口接口,可以将位置、状态、分合闸指令信息通过各种通信接口协议进行传输,还可根据需要加装显示?椤⒏髦滞ㄐ拍?橐约案髦旨觳饽?椋岳┐笾悄懿僮鞫下菲鞯闹悄芑δ堋

新一代智能型断路器集各种功能

图5:新一代智能型断路器集各种功能之大成

新一代智能型断路器已经集合过欠压保护、漏电、电表、浪涌保护、定时器、多功能仪表等功能于一身,且可以多种线路开关+智能网关组合控制,而且可以通过PC、APP端进行远程控制。

智能型断路器及组网结构示意

图6:智能型断路器及组网结构示意

三、行业应用方向和解决方案

智能型断路器通过传统断路器与,可广泛用于一切需要定时打开和关闭的机电设备、工业电器及家用电器。如:景观灯、霓虹灯、路灯、广告灯箱、家用电器及水泵和工矿定时通风设备等。

智能断路器及云平台应用场景示意

图7:智能断路器及云平台应用场景示意

(1)5G基站电源及能耗管理

国家十四五规划中,明确提出了“推动绿色发展,促进人与自然和谐共生”的理念,要求深入实施可持续发展战略,支持绿色技术创新。根据工信部统计,2020年全国通信网络能耗逼近900亿千瓦时,相比2015年增幅高达60%,占到运营商开支的23%,并且还在持续增长。随着国家新基建5G战略的实施,从2019年5G基站大规模入网,5G基站的单站能耗远高于4G,约为4G基站的2.5-3.5倍,2021年无线基站的耗能将在2020年增幅31%的基础上,再增加25%。有研究表明,现在用户1GB流量差不多要消耗超过1千瓦时的电量,节能减排、降本增效刻已不容缓,运营商近年提出的降本增效实际已成为了运营商提升利润的直接手段。

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图8:运营商整体所需电力耗能比例

如上图所示,通信网络能耗占运营商整体能耗的85%,其中无线网络(基站+配套)能耗占比60%左右。

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图9:基站供电系统示意图

基站侧供电系统主要由一路380V交流市电引入,通过交流配电箱、开关电源转换为-48V直流后连入基站设备,基站设备再通过馈线/光纤连接到铁塔上的天线。5G基站的单站能耗远高于4G,各级电信运营商及铁塔公司均对5G单站及配套电源功耗及电源管理非常关注。

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图10:5G基站及配套功耗较之过去大幅增加

尽管主设备厂家也针对主设备及射频部分不断研发各种能源管理功能,诸如符号关断、通道关断、载波关断、深度睡眠等节能策略,优势是在灵活方便且与主设备功能配合紧密,劣势是不能做综合性电源管理,无法对其他相关电源配套进行监控、计量和管理。

主设备节能策略与基于智能型断路器电源管理方案对比

图11:主设备节能策略与基于智能型断路器电源管理方案对比

智能断路器可配合现有基站供电系统,可提供一整套5G基站电源系统管理方案,尤其在5G单站能耗节能管理方面配合运营商、铁塔公司、主设备供应商提供自主和定时管理策略,提供配套电力和动环设备的智能化管理手段。

基于智能型断路器的5G基站电源及能耗管理方案

图12:基于智能型断路器的5G基站电源及能耗管理方案

(2)智慧物业服务与管理

基于智能型断路器的电源管理方案可用于改造现有物业服务,在不新增和改造现有设备、充分利旧设备的基础上,通过智能开关和线路改造来有效提升智能化管理手段?晒惴河糜谛吕仙缜镆倒芾怼⒃扒芾淼瘸【埃谑⌒略錾璞父脑旌透律璞傅耐度搿

基于智能型断路器的物业服务与管理方案

图13:基于智能型断路器的物业服务与管理方案

包括但不限于上述两类使用场景,智能断路器在智慧安防管理方面,与消防设备智能烟感、智能气感、智能水阀、电梯等设备进行联动控制,检测和监测到危险信号时可设置自动关断电路,消除火灾隐患?梢运抵灰械绲牡胤骄涂梢允褂弥悄苄投下菲饔糜诘缌ο呗犯脑炖刺嵘悄芑芾硎侄危谑≈斩松璞竿度耄晒惴河糜谥腔鄢鞘小⒅腔凵缜⒅腔垩稀⒅腔垡搅啤⒅腔叟┮怠⒏叨松坛〕小⒏叨俗≌⒐ひ祷チτ玫瘸【埃迪值缌ο低车脑冻碳嗖庥肟刂啤⒃谙呒觳狻⒐收显ぞ氡;ぁ

尽管该产品方案提供了一种新的产品思路和智慧化运营手段,但其应用方案仍需进一步测试和验证。诸如以下方面:

1、如何在网络不稳定或无网络时仍可执行自动开断操作?

2、时钟如何获取?授时如何校正?

3、智能断路器从传统相对保护性、防范型的设备,转变为主动控制型设备,其对负载设备进行频繁上、下电操作,是否会对设备有一定冲击或影响?

四、产业链基本情况

目前断路器及关键部件行业发展比较成熟,生产企业众多,竞争比较激烈,是一个竞争充分、市场化程度较高的行业。其中主要分为三类:第一类是门类齐全、竞争力较强、掌握最 先进的技术的跨国企业,如施耐德Shneider、ABB、Siemens、GE等国外厂家。还有国内低压电器市场的主要经营者,如正泰电器、德力西电气等国内企业;第二类是多专注于低压断路器关键部件的研发生产的企业,包括新宏泰、常熟开关厂、上海人民电器等企业。第三类是研发能力相对缺乏,依赖价格竞争的众多小规模生产企业,竞争非常激烈。

断路器行业上游为原材料及核心零部件产品,中游为电机、电操、断路器、开关等部件及其构成的输配电成套设备,下游为电力、机械、建筑等领域客户。

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图14:低压电器产业链

依据客户的不同,低压电器的下游可分为项目型市场和零售市场。项目型市场的主要客户为大型的行业客户,可以划分为传统工业、基础设施、OEM、建筑、电力、供电局和新能源;批发零售市场主要针对的是中小型的客户,下游也覆盖各个行业。零售市场占低压电器市场的50%左右,项目型市场占比约43%,其中主要行业客户来自于建筑、供电局、工业等应用领域。两种市场的关键的差别在于,客户对于自身需求的认知程度和对产品质量的要求程度均不同,从而低压电器厂商需要采取不同的营销方式。行业客户对自身的需求十分熟悉,一般具有比较严格的供应商筛选体系,从接触到比较稳定的合格供应商,一般需要2到5年左右。

五、行业资质要求

随着用户对断路器及关键部件的可靠性和稳定性要求不断提高,企业技术的更新换代加快,行业新入难度不断提高。行业资质要求包括技术壁垒、资金壁垒和资质和认证壁垒。

●技术壁垒:断路器及关键部件研发创新涉及电工电子、机械制造、材料科学、计算机通信等多个领域,需要具备很强的复合研发能力。同时用户需求的不断提升也加大了研収难度。而技术的提升是一个漫长的过程,需要企业不断的研发投入、大量的行业经验积累和人才储备。

●资金壁垒:断路器及关键部件前期设备投入、后期研发投入金额巨大,对新进企业形成了较高的资金壁垒。

●资质和认证壁垒:国内生产和销售断路器产品企业需具备配电开关控制设备制造资质;销售的智能断路器产品必须符合国标规范GB14048.1《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》和GB14048.2《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》两部分标准,且通过3C认证及工信部入网、信号核准。还需要根据具体销售区域和客户要求满足一系列认证,如环●!⒌绱藕徒】档纫蟮取S行┏Ъ椅讼鄞死嗖罚挂攵愿貌酚氡O展窘泻献骼丛し揽赡艿姆缦铡

智慧用电


智能断路器及平台方案不仅能用在5G基站电源和能耗管理方面,在其他应用领域也能广泛应用,尤其在不新增和改造现有设备、充分利旧设备的基础上,借助电力线路上的智能开关和线路改造,进而提升整体智能化水平,提供了一种新的管控手段和产品思路,很值得天博直播进一步研究。


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