什么是智能斷路器？智能斷路器行業(yè)應(yīng)用方向和解決方案
發(fā)布日期：2021-05-08 點(diǎn)擊：3790
斷路器，這個(gè)產(chǎn)品概念在傳統(tǒng)電力行業(yè)和低壓電器中并不算新,但隨著低壓電器的代際更新及不斷整合引入新的傳感器技術(shù)，逐漸在傳統(tǒng)通信連接和物聯(lián)網(wǎng)智慧互聯(lián)方面的引起關(guān)注。今天我們就聊聊這個(gè)話題。
一、什么是智能斷路器？
斷路器是從傳統(tǒng)的電閘演變而來，是常見的配電管理設(shè)備，是指當(dāng)回路發(fā)生短路或過流故障時(shí)能迅速切斷電源，防止故障擴(kuò)大，同時(shí)也可以作為一般開關(guān)使用，實(shí)現(xiàn)電能的分配和控制的裝置。我們?nèi)粘Ｉ畛Ｒ姷降?ldquo;空氣開關(guān)”就是一種“微型”斷路器。
斷路器相關(guān)產(chǎn)品和涉及產(chǎn)品種類較多：按電壓等級(jí)，可分為高壓斷路器和低壓斷路器；按電流性質(zhì)，可分為交流斷路器和直流斷路器；按滅弧原理可來分為空氣斷路器、油斷路器、真空斷路器等；按框架結(jié)構(gòu)，可分為框架萬 能型和塑料外殼式；按脫鉤保護(hù)構(gòu)造形式，可分為電磁式、電子式、智能型、可通信智能型等，除了上述基本分類之外，其實(shí)還可以根據(jù)多種用途、分?jǐn)嗨俣鹊染S度劃分更細(xì)的品類。
圖1：最常見的“空氣開關(guān)”
我們?nèi)粘Ｉ钭钅芤姷降臄嗦菲骶褪?ldquo;空氣開關(guān)”，又叫做微型斷路器，屬于低壓斷路器，是低壓電器中最重要的保護(hù)及控制元件之一，集控制和多種保護(hù)功能于一體，當(dāng)線路正常工作時(shí)，作為電源開關(guān)接通或分?jǐn)嚯娐?；?dāng)電路發(fā)生短路、過載和失壓等故障時(shí)，它能自動(dòng)跳閘切斷故障電路，從而保護(hù)線路和電氣設(shè)備。
那什么是智能型斷路器？
智能斷路器在傳統(tǒng)斷路器控制用電線路、保護(hù)安全用電的基礎(chǔ)上，引入電磁技術(shù)和芯片技術(shù)，以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和微機(jī)處理器，斷路器逐漸開始具備智能化，依托各種傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)和各種信息傳輸技術(shù)，將控制、計(jì)量及通信等功能融于一體，可以更好的完成開斷任務(wù)和提高開斷的可靠性，實(shí)現(xiàn)斷路器的智能化操作。
圖2：低壓斷路器類型基本情況
(含非智能)
常見的智能斷路器多為低壓斷路器，主要有萬 能式(又稱框架式)和塑料外殼式兩類，框架式一般耐受電流高(一般額定在400A到6300A)、分?jǐn)嗄芰?qiáng)，保護(hù)參數(shù)可選擇等，同時(shí)價(jià)格較貴，安裝尺寸要求和安裝也均較為復(fù)雜，多用于一級(jí)配電或用在大電流回路的開合方面。較之框架式，塑料外殼式(一般額定在10A到800A)，一般參數(shù)不可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小、安裝方便靈活，價(jià)格較低，通常用于二、三級(jí)配電，負(fù)荷分散、回路較少的場(chǎng)景，尤其適合數(shù)量大和范圍廣的場(chǎng)景。
二、基本原理結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式
(1)傳統(tǒng)微型斷路器(空氣開關(guān))原理結(jié)構(gòu)
圖3：傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器構(gòu)造原理
傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器結(jié)構(gòu)較為簡單，主要實(shí)現(xiàn)電力線路的開合，主要構(gòu)造和功能如下：
手動(dòng)桿，用于手動(dòng)開合斷路器；
傳動(dòng)裝置，將觸點(diǎn)壓在一起或者分開；
觸點(diǎn)，接觸時(shí)用于接通電流，分開則用于斷開電流；
接線柱，用于進(jìn)出電力線的連接；
雙金屬片，用于電流過載的強(qiáng)制觸點(diǎn)分離；
電磁閥，檢測(cè)電流變化迅速分離觸點(diǎn)；
滅弧室，用于消滅接通電路時(shí)產(chǎn)生的火花。
(2)智能型斷路器的演進(jìn)和組網(wǎng)結(jié)構(gòu)
伴隨微電子、單片機(jī)及計(jì)算機(jī)技術(shù)、新型傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，斷路器結(jié)構(gòu)也在不斷的演進(jìn)，智能型斷路器在傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器基礎(chǔ)上引入了智能控制單元，不僅具有傳統(tǒng)斷路器的基本功能，還配有新型的電子設(shè)備，與傳感器和數(shù)字化控制裝置相配合，實(shí)現(xiàn)了斷路的電子操作，變機(jī)械傳動(dòng)為變頻器經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提高了機(jī)械系統(tǒng)的可靠性。
圖4：新一代智能型斷路器構(gòu)造
更新一代智能斷路器還配有數(shù)字化各類通信接口接口，可以將位置、狀態(tài)、分合閘指令信息通過各種通信接口協(xié)議進(jìn)行傳輸，還可根據(jù)需要加裝顯示模塊、各種通信模塊以及各種檢測(cè)模塊，以擴(kuò)大智能操作斷路器的智能化功能。
圖5：新一代智能型斷路器集各種功能之大成
新一代智能型斷路器已經(jīng)集合過欠壓保護(hù)、漏電、電表、浪涌保護(hù)、定時(shí)器、多功能儀表等功能于一身，且可以多種線路開關(guān)+智能網(wǎng)關(guān)組合控制，而且可以通過PC、APP端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
圖6：智能型斷路器及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意
三、行業(yè)應(yīng)用方向和解決方案
智能型斷路器通過傳統(tǒng)斷路器與，可廣泛用于一切需要定時(shí)打開和關(guān)閉的機(jī)電設(shè)備、工業(yè)電器及家用電器。如：景觀燈、霓虹燈、路燈、廣告燈箱、家用電器及水泵和工礦定時(shí)通風(fēng)設(shè)備等。
圖7：智能斷路器及云平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景示意
(1)5G基站電源及能耗管理
國家十四五規(guī)劃中，明確提出了“推動(dòng)綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生”的理念，要求深入實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，支持綠色技術(shù)創(chuàng)新。根據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，2020年全國通信網(wǎng)絡(luò)能耗逼近900億千瓦時(shí)，相比2015年增幅高達(dá)60%，占到運(yùn)營商開支的23%，并且還在持續(xù)增長。隨著國家新基建5G戰(zhàn)略的實(shí)施，從2019年5G基站大規(guī)模入網(wǎng)，5G基站的單站能耗遠(yuǎn)高于4G，約為4G基站的2.5-3.5倍，2021年無線基站的耗能將在2020年增幅31%的基礎(chǔ)上，再增加25%。有研究表明，現(xiàn)在用戶1GB流量差不多要消耗超過1千瓦時(shí)的電量，節(jié)能減排、降本增效刻已不容緩，運(yùn)營商近年提出的降本增效實(shí)際已成為了運(yùn)營商提升利潤的直接手段。
圖8：運(yùn)營商整體所需電力耗能比例
如上圖所示，通信網(wǎng)絡(luò)能耗占運(yùn)營商整體能耗的85%，其中無線網(wǎng)絡(luò)(基站+配套)能耗占比60%左右。
圖9：基站供電系統(tǒng)示意圖
基站側(cè)供電系統(tǒng)主要由一路380V交流市電引入，通過交流配電箱、開關(guān)電源轉(zhuǎn)換為-48V直流后連入基站設(shè)備，基站設(shè)備再通過饋線/光纖連接到鐵塔上的天線。5G基站的單站能耗遠(yuǎn)高于4G，各級(jí)電信運(yùn)營商及鐵塔公司均對(duì)5G單站及配套電源功耗及電源管理非常關(guān)注。
圖10：5G基站及配套功耗較之過去大幅增加
盡管主設(shè)備廠家也針對(duì)主設(shè)備及射頻部分不斷研發(fā)各種能源管理功能，諸如符號(hào)關(guān)斷、通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、深度睡眠等節(jié)能策略，優(yōu)勢(shì)是在靈活方便且與主設(shè)備功能配合緊密，劣勢(shì)是不能做綜合性電源管理，無法對(duì)其他相關(guān)電源配套進(jìn)行監(jiān)控、計(jì)量和管理。
圖11：主設(shè)備節(jié)能策略與基于智能型斷路器電源管理方案對(duì)比
智能斷路器可配合現(xiàn)有基站供電系統(tǒng)，可提供一整套5G基站電源系統(tǒng)管理方案，尤其在5G單站能耗節(jié)能管理方面配合運(yùn)營商、鐵塔公司、主設(shè)備供應(yīng)商提供自主和定時(shí)管理策略，提供配套電力和動(dòng)環(huán)設(shè)備的智能化管理手段。
圖12：基于智能型斷路器的5G基站電源及能耗管理方案
(2)智慧物業(yè)服務(wù)與管理
基于智能型斷路器的電源管理方案可用于改造現(xiàn)有物業(yè)服務(wù)，在不新增和改造現(xiàn)有設(shè)備、充分利舊設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過智能開關(guān)和線路改造來有效提升智能化管理手段?？蓮V泛用于新老社區(qū)物業(yè)管理、園區(qū)管理等場(chǎng)景，節(jié)省新增設(shè)備改造和更新設(shè)備的投入。
圖13：基于智能型斷路器的物業(yè)服務(wù)與管理方案
包括但不限于上述兩類使用場(chǎng)景，智能斷路器在智慧安防管理方面，與消防設(shè)備智能煙感、智能氣感、智能水閥、電梯等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，檢測(cè)和監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)可設(shè)置自動(dòng)關(guān)斷電路，消除火災(zāi)隱患?？梢哉f只要有電的地方就可以使用智能型斷路器用于電力線路改造來提升智能化管理手段，節(jié)省終端設(shè)備投入，可廣泛用于智慧城市、智慧社區(qū)、智慧養(yǎng)老、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)、商場(chǎng)超市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制、在線檢測(cè)、故障預(yù)警與保護(hù)。
盡管該產(chǎn)品方案提供了一種新的產(chǎn)品思路和智慧化運(yùn)營手段，但其應(yīng)用方案仍需進(jìn)一步測(cè)試和驗(yàn)證。諸如以下方面：
1、如何在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或無網(wǎng)絡(luò)時(shí)仍可執(zhí)行自動(dòng)開斷操作？
2、時(shí)鐘如何獲取？授時(shí)如何校正？
3、智能斷路器從傳統(tǒng)相對(duì)保護(hù)性、防范型的設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)控制型設(shè)備，其對(duì)負(fù)載設(shè)備進(jìn)行頻繁上、下電操作，是否會(huì)對(duì)設(shè)備有一定沖擊或影響？
四、產(chǎn)業(yè)鏈基本情況
目前斷路器及關(guān)鍵部件行業(yè)發(fā)展比較成熟，生產(chǎn)企業(yè)眾多，競爭比較激烈，是一個(gè)競爭充分、市場(chǎng)化程度較高的行業(yè)。其中主要分為三類：第一類是門類齊全、競爭力較強(qiáng)、掌握先進(jìn)的技術(shù)的跨國企業(yè)，如施耐德Shneider、ABB、Siemens、GE等國外廠家。還有國內(nèi)低壓電器市場(chǎng)的主要經(jīng)營者，如正泰電器、德力西電氣等國內(nèi)企業(yè)；第二類是多專注于低壓斷路器關(guān)鍵部件的研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)，包括新宏泰、常熟開關(guān)廠、上海人民電器等企業(yè)。第三類是研發(fā)能力相對(duì)缺乏，依賴價(jià)格競爭的眾多小規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)，競爭非常激烈。
斷路器行業(yè)上游為原材料及核心零部件產(chǎn)品，中游為電機(jī)、電操、斷路器、開關(guān)等部件及其構(gòu)成的輸配電成套設(shè)備，下游為電力、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域客戶。
圖14：低壓電器產(chǎn)業(yè)鏈
依據(jù)客戶的不同，低壓電器的下游可分為項(xiàng)目型市場(chǎng)和零售市場(chǎng)。項(xiàng)目型市場(chǎng)的主要客戶為大型的行業(yè)客戶，可以劃分為傳統(tǒng)工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、OEM、建筑、電力、供電局和新能源；批發(fā)零售市場(chǎng)主要針對(duì)的是中小型的客戶，下游也覆蓋各個(gè)行業(yè)。零售市場(chǎng)占低壓電器市場(chǎng)的50%左右，項(xiàng)目型市場(chǎng)占比約43%，其中主要行業(yè)客戶來自于建筑、供電局、工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。兩種市場(chǎng)的關(guān)鍵的差別在于，客戶對(duì)于自身需求的認(rèn)知程度和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求程度均不同，從而低壓電器廠商需要采取不同的營銷方式。行業(yè)客戶對(duì)自身的需求十分熟悉，一般具有比較嚴(yán)格的供應(yīng)商篩選體系，從接觸到比較穩(wěn)定的合格供應(yīng)商，一般需要2到5年左右。
五、行業(yè)資質(zhì)要求
隨著用戶對(duì)斷路器及關(guān)鍵部件的可靠性和穩(wěn)定性要求不斷提高，企業(yè)技術(shù)的更新?lián)Q代加快，行業(yè)新入難度不斷提高。行業(yè)資質(zhì)要求包括技術(shù)壁壘、資金壁壘和資質(zhì)和認(rèn)證壁壘。
●技術(shù)壁壘：斷路器及關(guān)鍵部件研發(fā)創(chuàng)新涉及電工電子、機(jī)械制造、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)通信等多個(gè)領(lǐng)域，需要具備很強(qiáng)的復(fù)合研發(fā)能力。同時(shí)用戶需求的不斷提升也加大了研収難度。而技術(shù)的提升是一個(gè)漫長的過程，需要企業(yè)不斷的研發(fā)投入、大量的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累和人才儲(chǔ)備。
●資金壁壘：斷路器及關(guān)鍵部件前期設(shè)備投入、后期研發(fā)投入金額巨大，對(duì)新進(jìn)企業(yè)形成了較高的資金壁壘。
●資質(zhì)和認(rèn)證壁壘：國內(nèi)生產(chǎn)和銷售斷路器產(chǎn)品企業(yè)需具備配電開關(guān)控制設(shè)備制造資質(zhì)；銷售的智能斷路器產(chǎn)品必須符合國標(biāo)規(guī)范GB14048.1《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則》和GB14048.2《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》兩部分標(biāo)準(zhǔn)，且通過及工信部入網(wǎng)、信號(hào)核準(zhǔn)。還需要根據(jù)具體銷售區(qū)域和客戶要求滿足一系列認(rèn)證，如環(huán)保、電磁和健康等要求等。有些廠家為了銷售此類產(chǎn)品，還要針對(duì)該產(chǎn)品與保險(xiǎn)公司進(jìn)行合作來預(yù)防可能的風(fēng)險(xiǎn)。
