一种具有故障自动隔离功能的智能真空断路器的制作方法

本发明涉及电网开关设备，具体为一种具有故障自动隔离功能的智能真空断路器。

背景技术：

1、为提高供电可靠性，配电网对故障的快速隔离与自愈能力提出了更高要求。真空断路器凭借灭弧能力强、使用寿命长等技术优势，已成为中压配电网中故障切除与负荷控制的核心开关设备。但现有方案在故障隔离的自主性上仍存在显著短板。

2、一、 故障隔离决策依赖外部通信网络，极端场景下可靠性不足。当前主流的配网故障隔离依赖配电主站进行集中管理，配网主站通过光纤、无线公网等链路采集各断路器的故障信息，经集中定位后向对应断路器下发分闸隔离指令。该模式在通信信号良好的城区运行稳定，但在郊区等信号盲区，或遭遇光纤链路损坏时，断路器将失去故障判别与隔离决策能力，仅能依靠基础过流保护动作，极易引发上下级断路器越级跳闸，导致非故障区段大面积停电，供电可靠性大幅下降。

3、二、 故障特征识别维度单一，复杂故障辨识准确率低。现有智能断路器的保护方法普遍基于稳态工频电气量，通过电流有效值、电压幅值等稳态参数判别故障类型。而中压配电网中80%以上的故障起始于瞬时性电弧接地或高阻接地，此类故障的过渡电阻可达数百甚至上千欧，故障电流幅值小、稳态特征不明显，传统工频量算法难以有效识别。同时，间歇性电弧故障的电流呈现断续特征，常规保护易将其判定为负荷波动而漏判，导致故障持续发展为永久性相间短路，扩大设备损坏程度。

4、三、 隔离控制仅覆盖外部线路故障，缺失设备本体故障的主动隔离。现有断路器的保护控制逻辑仅面向线路侧故障设计，仅在线路发生短路、接地故障时执行分闸操作，对于断路器自身的内部劣化故障，普遍仅配置简单的在线监测告警功能，无法触发主动隔离保护。在实际运行中，真空灭弧室真空度下降、触头接触不良导致过热、操作机构卡涩等本体故障均属于渐进式劣化故障，若不采取强制隔离措施，设备将持续带故障运行，最终可能引发开断失败、触头熔焊、灭弧室爆炸等恶性事故，威胁电网安全。

5、基于上述现有的技术缺陷，亟需研发一种可完全本地自主运行、多维度精准识别故障、覆盖线路与本体双场景的真空断路器故障自动隔离控制方案。

技术实现思路

1、为解决上述的问题，本发明提供了一种具有故障自动隔离功能的智能真空断路器，包括真空灭弧室、操作机构、多源感知传感单元与智能控制模块；

2、所述操作机构用于驱动所述真空灭弧室完成分合闸操作；

3、所述多源感知传感单元用于同步采集线路电气量数据与断路器本体状态数据；

4、所述智能控制模块分别与所述多源感知传感单元、操动机构信号连接，所述智能控制模块内存储并运行故障自动隔离控制方法，所述方法包含并行运行的线路故障辨识层、分布式协同隔离层、断路器本体健康自隔离层；

5、所述线路故障辨识层用于提取故障暂态特征并判别故障类型与故障方向；

6、所述分布式协同隔离层用于与相邻断路器交互闭锁信号，完成故障区段隔离；

7、所述本体健康自隔离层用于基于断路器本体状态参数计算健康指数，根据健康指数进行本体劣化故障预警或强制分闸隔离。

8、所述多源感知传感单元包括三相罗氏线圈电流传感器、零序电流互感器、电压传感器、真空度传感器、温度传感器以及机构行程速度传感器。

9、所述智能控制模块包括信号调理单元、a/d转换器、fpga协处理器、arm主处理器、通信单元和隔离驱动电路；所述信号调理单元的输入端连接多源感知传感单元的输出端，所述信号调理单元的输出端经a/d转换器连接fpga协处理器； 所述fpga协处理器与所述arm主处理器通信连接，所述arm主处理器的输出端经所述隔离驱动电路连接所述操动机构的控制端，所述通信单元与所述arm主处理器连接。

10、一种应用于如上所述的智能真空断路器的故障自动隔离控制方法，包括并行运行的线路故障隔离与断路器本体健康自隔离；

11、所述线路故障隔离的操作方法为：

12、s1、多源数据同步采集与并行预处理；并实时计算相电流突变量与零序电压有效值，当满足故障启动判据时输出对应故障启动标志，触发故障判别；

13、s2、基于故障启动标志进行多特征故障分类与故障方向判别；

14、s3、经s2判定为正向故障后，控制断路器执行分闸操作，基于重合闸延时监测线路零序电压、电流电气量，进行故障永久性判定；根据故障判定结果进行分级隔离；

15、s4、基于分级隔离等级启动分布式协同区段隔离，生成goose闭锁报文并发送至线路上下游相邻断路器，协同相邻断路器完成故障区段定位与分闸闭锁；

16、所述断路器本体健康自隔离，具体为：分别设置断路器本体状态监测数据各参数的预警阈值与故障阈值，基于加权计算综合健康指数，根据健康指数数值与单参数阈值划分等级，对应执行正常运行监测、预警监测以及故障强制分闸自隔离的三级管控模式。

17、s1中所述多源数据包括线路电气量感知数据与断路器本体状态监测数据；

18、所述线路电气量感知数据包括三相电流、零序电流、三相电压、零序电压；所述断路器本体状态监测数据包括稳态运行工况下的真空度、三相触头温度、操作机构行程、分合闸速度状态参数。

19、s1中所述预处理过程为：

20、对三相电流、零序电流、三相电压、零序电压原始采样序列，采用8阶fir 带通数字滤波器进行滤波处理，保留故障产生的暂态高频特征信号；

21、将断路器本体状态监测数据中各状态参数映射至[0,1]归一化区间：以设备出厂额定安全值为上限、严重故障阈值为下限对各状态参数做线性归一化转换。

22、s1中输出故障启动标志的具体方法为：

23、当相电流突变量连续3个采样点大于断路器额定电流预设比例时，输出短路故障启动标志；实时计算零序电压有效值，若零序电压有效值超过额定相电压预设比例时，置位接地故障启动标志。

24、所述s2具体操作为：

25、s201、根据短路故障启动标志位，进行相间/三相短路故障分类与方向判别，其判别方法为：

26、提取滤波后故障电流有效值、故障相电压跌落幅值；

27、若故障电流有效值超过过流保护阈值，且故障相电压跌落至额定电压70%以下，则判定发生短路故障；若未满足判定条件，则判定为非故障扰动，复位故障标志；

28、当判定发生短路故障，采用正序故障分量阻抗角判据，计算故障分量电压与故障分量电流的相位差值；

29、预先根据线路阻抗参数确定正向动作角度区间，若相位差值落入正向动作角度区间，判定为正向故障；若相位差值落入反向区间，则判定为反向故障；

30、s202、当启动标志为接地故障启动标志位，对滤波处理后的暂态高频特征信号进行小波包特征提取得到暂态零序能量积分值；根据暂态零序能量积分值进行接地故障方向判别。

31、所述小波包特征提取方法为：

32、对暂态零序信号执行4层小波包分解，共拆分出16个互不重叠的子频带，输出各子频带重构离散序列d1~d16；

33、分别计算每个子频带的故障特征能量ei，，k代表子频带内全部采样点；对比16组ei数值，筛选出能量数值最大的子频带作为故障特征主频带；

34、提取能量数值最大子频带的重构暂态零序电压

u0f(k)、暂态零序电流

i0f(k)，剔除其余低能量干扰频带数据，减少后续积分运算数据量；

35、基于单个完整工频周期，逐采样点相乘累加计算总暂态零序能量积分值e0：

36、

37、式中，δt为固定采样间隔。

38、所述s3具体包括：

39、控制操动机构快速分闸，断开故障线路；分闸到位后启动重合闸延时计时器，持续监测延时过程中线路零序电压、电流电气量；在重合闸延时计时内，若故障电流、零序电压故障特征消失，则判定为瞬时性故障；若延时结束执行重合闸合闸后，瞬时再次检测到故障电流、零序电压突变量，则判定为永久性故障；

40、根据故障判定结果进行分级隔离：

41、当故障判定结果为永久性故障，则执行一级永久隔离；持续输出合闸闭锁继电器驱动信号，物理切断合闸控制回路，保持真空断路器处于分闸隔离状态；同步触发本地故障告警，上传完整故障报文；

42、当故障判定结果为瞬时性故障，则执行二级临时隔离；短时分闸切除故障，延时后自动重合恢复供电，无合闸闭锁动作；仅记录故障事件；

43、当匹配为反向故障，则执行预警监测模式，断路器维持合闸运行；仅存储异常事件日志。

44、有益效果：本发明为一种具有故障自动隔离功能的智能真空断路器，采用 fpga+arm双核分层运算架构，所有故障判别、隔离决策均可在断路器本地控制器完成，无需依赖配电主站与外部通信网络；并配置goose通信与电压-时间两套协同隔离逻辑，通信中断时可独立完成故障区段精准隔离，能够解决传统集中式方案依赖通信的痛点，有效避免越级跳闸与大面积停电。

45、并且，本发明并行运行线路故障隔离与本体健康自隔离两种流程，不仅可实现线路侧短路、接地故障的快速隔离，还可通过多源传感监测真空度、触头温度、机构特性等本体参数，计算健康指数并分级管控，严重本体劣化故障可主动强制隔离，从根源避免灭弧室爆炸、开断失败等恶性事故，全面提升设备运行安全性。同时，通过重合闸逻辑区分瞬时性与永久性故障，瞬时故障自动重合恢复供电；设置三级差异化隔离策略，轻微异常仅预警不跳闸，减少开关无效动作损耗；且能够向主干上下级线路中的断路器开关进行分布式协同区段隔离，实现上下级保护选择性配合，精准缩小停电范围，有效提升配网供电可靠性。