低压电气技术智能化发展趋势分析

国能长源荆州热电有限公司 周 华

伴随科技不断进步，社会上出现了许多先进技术，受此影响，智能电器行业技术人员尝试将计算机技术与电器设备融合在一起，经过不断尝试取得了一定成绩，其社会关注度也不断提高。截止到今天，大众对“智能化”一词不在感到陌生，“智能化发展趋势”成为了生活、工作的主要发展趋势。

智能电器技术是21世纪电气领域的主要研究内容，但受限于外界因素，此项工作的发展情况并不理想。低压电器与民众日常生活息息相关，在铁路运输系统、电力系统中具有极高的应用频率。作为工业发展用电、居民用电、农业水利用电的基础供电形式之一，伴随社会不断发展，传统低压供电正在向智能化方向发展。在本文中，笔者对低压电器技术智能化发展趋势展开了详细阐述，供从业人员参考使用。

1 低压电器发展

1.1 低压电器发展历程

近年受科技进步速度与经济全球化发展趋势影响，低压电器产品进入了全新发展阶段。我国低压电器产品共经历了三个发展阶段：

第一阶段。20世纪60～70年代初，属于模仿阶段，代表产品有CJ10、DW10、DZ10等，此阶段产品特点为尺寸大、能耗高、性能指标不理想；第二阶段。20世纪70～80年代初，属于发展阶段，产品多为第二代产品，代表产品有CJ20、DW15、DZ20等，此阶段产品特点为指标优化情况明显、特点鲜明、体积较小、可以进行组合搭配；第三阶段。20世纪90年代初至今，属于自主研发阶段，代表产品有W40、DW45、DZ40等，产品特点为性能优良、可靠性高、体积小、智能化、模块化、多功能化。

1.2 低压电器产品设计方法及发展

低压电器产品设计难度较高，为保证所设计低压电器产品质量，须思考产品电气特性与机械特性，借助反复计算制定最终计划。即使经过缜密计算，实际产品与理想状态也可能存在差异，因此需进行反复多优化。即高质量低压电器产品需要经过大量的时间，投入大量的人力、物力才可以实现（图1）。

图1 低压电器产品的设计流程图

2 低压电器关键技术

2.1 信号处理技术

信号处理技术是电力行业核心技术之一。空心电流互感器（CT）可完成主回路电流信号的收集，空心CT 通过观察di/dt 的变化情况，实现大电流信号到毫伏级电压信号的转变。受电感相位超前效应影响，应对信号进行调理复原。电路借助积分回路来延迟信号传递，实现相位补偿。必须慎重选择截止频率，保证衰减系数与电流谐波次数成近似正比关系[1]。

在完成信号采集后，需要进行放大处理，提高其点位，然后借助ADC 单元将模拟量转变为数字量。在之后结合用电设备以提高用电质量，对用电设备进行保护，分析用电设备故障原因。

2.2 保护处理技术

智能控制器应具备电流保护、过/欠压、过/欠频、逆功率等保护功能。电流保护主要包括过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬时保护等，以保证智能电器正常运行。以过载长延时保护为例，其本质为反时限动作特定的保护方式，基本原理为模拟双金属片过电流热效应积累情况，动作时间与故障电流二者成反比关系。当电量积累到一定程度后，在发现主回路电流对设备造成损坏后，MCU 将发出脱扣指令。

2.3 通信技术

目前计算机技术在各行业中的应用频率非常广泛，对人们日常生产生活具有重要影响。现场总线技术本质属于计算机技术与其他科技的融合体，以提高通信系统数字化性能。在“节能减排”背景下，应使用合理手段完成各类电力参数收集，实现智能化电能管理，掌握电能变化规律，了解未来发展趋势。

控制器通信技术多为MCU 的UART 模块，结合控制芯片完成电平转换。在实际工作中应建立配套低压配电网监控体系，实现远程监控，在实际工作中应提高对电器的诊断能力，提高智能系统的自动化程度与可靠性，实现低压配电系统的智能化管理。

2.4 在线升级技术

在电力盘柜中安装框架断路器，在满足用户功能升级需求时完成控制器程序更新，这一做法需要更换开关，会增加开关损坏频率。即可以在其中融入在线升级技术，实现软件自更新，实现在不拆卸开关的前提下完成售后工作，提高产品性能。

3 智能化技术在低压电器中的应用

3.1 智能化控制技术

智能控制技术包括智能断路器、智能电动机保护器、智能接触器等。其中智能断路器是智能型监控器与断路器的结合体，可以完成智能化脱扣器搭建。断路器性能增强，延时、短延时、顺势过流保护等工作将得到明显提升。目前，软起动器、变频器、电力电子调速装置等设备在供电系统中的应用频率不断提高，导致电网与配电系统中出现了大量的高次谐波，模拟式电子脱扣器可以反映故障电流峰值，导致断路器发生故障，智能化断路器可以有效缓解此类问题发生可能性。

相对于传统双金属片热继电器而言，智能化热继电器性能更加优良，可以降低过载、断相、三相不平衡等故障发生可能性，可以实现故障类型数字化限制，为电动机营造一个良好的运行环境，保证电动机运行质量。

3.2 智能化设计技术

当今社会，智能化低压电器产品设计周期不断缩短，主要原因为相关技术日益成熟。如借助三维计算机辅助设计系统，工作人员可以高效率、高质量的完成信息收集、方案设计与分析工作。此设计系统包括多项功能，如结构设计、实体造型、特性分析、动态显示等。CAD 软件也具备相匹配的专家模块，可提高所制定设计方案的科学性与合理性。低压电器产品造成较为繁琐，计算机系统可以帮助工作人员综合各方面情况，以设计出令自己满意的形象。

CAD/CAM 技术除了可以完成电器外观设计外，还具备一定的计算能力。在当今社会，有限元算法在磁场计算中拥有非常高的使用频率，可以帮助电器工程师完成电磁场计算。计算机分析软件可以完成运动分析、受力分析、有限元分析等多项分析工作，可以帮助设计师对产品空间结构有更加全面的了解，保证所设计计划的科学性。

3.3 智能化检测技术

要想保证低压电器产品性能，再投入市场前，必须对其进行性能测试。在上世纪九十年代左右，技术人员提出了“可测性设计”概念，即在进行系统设计时应考虑测试问题，在设计过程中同步进行测试，控制研发周期[2]。智能化检测技术属于计算机技术、传感器技术、电力电子技术、电器技术等多项技术的结合体，也正是因为融合了多项技术，使得技术人员可以对产品性能进行全面测试，其基本测试原理如图2所示：

图2 光机电电磁电器动态测试装置原理图

4 智能化低压电器技术展望

4.1 智能化低压电器技术概念

电器主要包括两个方面，分别为电气设备以及电气系统，其主要的工作就是进行电能的传输、分配以及管理，同时针对电力系统以及自动控制系统的电或者非电对象进行检测、切换、协调以及管理等。所以，实际当中电器自身的性能以及具备的功能会直接性影响着电力系统在运行过程中的稳定性、经济性以及可靠性。

智能电网的出现在电器方面提出了比以往更为严格的要求。因为电器在实际运行的过程中会涉及到较多的器件与设备之间联系以及互动等过程，此过程具有较强的动态性，同时也掺杂着较多的能量转化，同时也会经历光、热、机械以及腐蚀等化学过程和物理过程。对于传统的电器来说，其早已无法有效满足当前时代背景下电力系统高速发展的需求，对于智能电网的建设来说更是如此。

总而言之，智能电网的出现使得电器拥有了更为丰富的含义，对电气的需求层次和以往相比也要大幅度加深。所以不可否认的是，电器智能化发展已经是智能电网建设过程中不可缺少的一项内容，同时企业是促进智能电网建设的重要基础。

对于电器智能化来说，其既是电器领域智能化技术的主要概念，同时越是后续开展电器技术研究工作的重要趋势。“智能电器技术”具体来说就是实现产品智能化的一项技术，同时其也为“电器智能化技术”产品研究的重要成果。也可以将智能电器看作为电器智能化技术的重要基础，将其应用在电力系统当中可以实现系统运行的自动化控制，是能够充分发挥智能功能的一种电器产品。

针对智能电器产品而言，主要能够将其划分成两个方面的内容，分别为智能电器器件与智能电器系统。电器智能化技术的实现，其所涵盖的技术较为广泛，例如电力电子技术、数字化技术以及计算机技术等，因此智能化电器技术在后续的发展受到了社会各界的广泛关注。

4.2 人工智能技术在低压电器中的应用

人工智能领域包含多方面内容，比如控制领域、信息领域、系统领域、计算机科学领域等。对人工智能领域进行分析发现，人工神经系统、遗传算法、专家系统以及模糊控制技术四大技术引起自身特点影响，使其在人工智能领域的应用频率不断提高。以模糊逻辑控制技术为例，将其与低压电器技术融合在一起，可以提高智能化低压电器产品的性能与质量，可以保证用户使用体验，提高其市场地位[3]。

4.3 现场总线技术在低压电器中的应用

相对于传统线缆，现场总线造价更低、可靠性更好，适应性更强，而且现场总线只需要一根双芯电缆，布线难度较低、安装费用较低。同时，现场总线遵守国际统一标准，具有一定的互换性与联动性，可以更好的满足技术人员实际需求。

4.4 仿真与虚拟技术在低压电器中的应用

通断能力、温升、零部件强度、动热稳定是低压电器基本特性，因此在实际设计前应对设计对象进行详细分析，包括电磁场、应力场、磁场等等。伴随有限元分析技术不断成熟，为技术人员提供了更多选择借助此项技术，技术人员可以更好的完成数据对比，保证所设计方案的科学性与合理性，获得令自己满意的设计效果。

4.5 接触器智能化技术

当前阶段对于新型智能化接触器的应用较为广泛，其主要是通过电流反馈，利用脉冲方式进行接触器供电工作，以此来有效延长电寿命。对于此种接触器研究最早为德国穆勒公司，其采用电压反馈方式，在电压发生变动过程中也可以实现恒定电流控制，然而此种接触器在充分发挥其优势的同时也存在一定的缺陷，比如信号获取困难，以及电流发生波动情况较为严重等。与其进行对比，电流反馈具备的优势也会更加突出，美国相关公司经常会应用此项技术来延长电寿命。

伴随我国技术的发展与进步，智能化接触器具备的综合性也更加突出，其在实际中的应用不需要投入过多成本，然而如果出现故障，会对电力设备的正产运转产生不利影响，因此应该充分注重对其的质量以及故障检测工作。

综上，相对传统低压电器而言，智能化低压电器可更好地适应当今社会发展趋势，是我国社会发展的必然趋势。目前相关工作正处于起步阶段，相关技术人员应端正自身工作态度，加大研究力度，确保智能化低压电器技术可以向环保、安全方向发展，争取帮助我国早日进入智能化电器时代。