淺談中壓智能開關(guān)設(shè)備開發(fā)設(shè)計

文／大全集團有限公司技術(shù)中心 蔡平 岳經(jīng)凱／

1 概述

科技的發(fā)展使社會對電力的需求量越來越大，對可靠性的要求也越來越高，同時對電力開關(guān)設(shè)備本身也提出了更高的要求，智能化、少維護、環(huán)保、小型化成為中壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢。

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器暴露出越來越多問題。而新型的電流互感器、電壓互感器，在中壓配電開關(guān)柜與設(shè)備中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電流互感器與電壓互感器，原理上完全可行，其優(yōu)越性十分明顯。

由于用戶對用電的高可靠性要求，因此對開關(guān)設(shè)備的可靠性要求也愈來愈高，且要求轉(zhuǎn)變定期維護觀念，要轉(zhuǎn)為“按狀態(tài)”維護，為此，只有依賴于新型非電量傳感器，對運行中開關(guān)設(shè)備的各種狀態(tài)（包括環(huán)境）進行實時監(jiān)測。

微處理機技術(shù)、傳感技術(shù)、光纖技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，這些技術(shù)日臻成熟，開關(guān)柜進行遙控、遙測將成為現(xiàn)實，使中央檢測單元很容易獲得現(xiàn)場（開關(guān)柜等）情況，也很容易在中央站完成對現(xiàn)場開關(guān)柜的測量、控制，為實現(xiàn)強電與弱電結(jié)合，開發(fā)智能化高壓電器產(chǎn)品、變電站自動化提供了可靠技術(shù)基礎(chǔ)，并且提高了高壓電器可靠性及輸配電可靠性。

2 智能開關(guān)設(shè)備要求

新一代智能開關(guān)設(shè)備，是指具有較高性能的金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，配裝有電子設(shè)備、變送器和執(zhí)行器，不僅具有開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的基本功能，還具有附加功能，尤其在監(jiān)測和診斷方面。

中華人民共和國能源行業(yè)標準《3.6～40.5kV智能交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》對中壓智能開關(guān)設(shè)備總體要求如下：

1)符合GB 3906-2006要求，并具有高度可靠性。

2)具備數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化、狀態(tài)可視化等主要技術(shù)特征，符合易擴展、易升級、易維護的工業(yè)化應(yīng)用的要求。

3)支持變電站無人值班的要求。一次開關(guān)元件及可移開部件應(yīng)可電氣操動，為智能變電站完成順序控制提供可能。

4)具備狀態(tài)監(jiān)測功能，以實現(xiàn)狀態(tài)維修、預(yù)測性維修或故障檢修。

5)直接與站控層進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字接口符合IEC 62271-3的相關(guān)要求。

6)控制、狀態(tài)監(jiān)測及保護可采用集成裝置，該裝置滿足間隔層功能要求，并滿足全部或部分過程層IED的功能要求。

3 新一代中壓智能開關(guān)設(shè)備

本文根據(jù)標準要求，以大全集團有限公司研制的 KYN28-12（Z）智能開關(guān)設(shè)備的項目為例，提出KYN28-12（Z）中壓智能開關(guān)設(shè)備的解決方案，見圖1。

智能斷路器包含斷路器本體，保護測控裝置、電子式電流傳感器、斷路器機械特性監(jiān)測傳感器、觸臂溫度監(jiān)測傳感器、監(jiān)測分合閘電流霍爾傳感器、電動底盤車等。

在線監(jiān)測裝置裝于開關(guān)柜儀表箱內(nèi)，傳感器一部分由斷路器通過二次插頭引入，如機械特性，分合閘電流監(jiān)測，但觸臂溫度通過無線傳輸，另一部分由開關(guān)柜柜體引入，如溫濕度、觸頭盒泄漏點電流，電動接地開關(guān)。

人機界面裝于儀表箱門，包含顯示、操作控制等功能。

3.1 智能斷路器

1) 將電流傳感器、綜合保護測控裝置集成到斷路器內(nèi),使單臺斷路器就可構(gòu)成整個測量、保護、控制單元。一體化斷路器不僅各元件之間的兼容性好、可靠性高，而且大幅度的降低用戶安裝、調(diào)試成本。電流傳感器裝在斷路器下觸臂連接處由羅氏線圈和輕載線圈兩組線圈組成，羅氏線圈用于電流的保護，輕載線圈用于電流的測量，額定二次電壓測量級為4V，測量精度：0.2級，保護級為225mV，保護精度達5TPE。

保護測控裝置內(nèi)置于斷路器智能控制單元，其所需電流信號來自羅氏線圈，電壓和零序信號由開關(guān)柜互感器引入，具備速斷、單相接地、過流、過壓、欠壓等基本保護功能。

裝置還具有完善的閉鎖告警功能，能保證在電源中斷、電壓異常、采集單元異常、通信中斷、通訊異常、裝置內(nèi)部異常等情況下不誤動作。裝置還需具有故障錄波功能，可保存一段時間范圍內(nèi)的電流、電壓波形及邏輯開關(guān)量信號。

2）完善的在線機械特性監(jiān)測，分合閘電磁鐵和儲能電機電流測量，主回路觸臂溫升測量，并對此對斷路器運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)控，提前發(fā)現(xiàn)可能的故障隱患，確保設(shè)備安全可靠。

(1) 機械特性在線監(jiān)測

斷路器觸頭剛分速度對滅弧性能影響很大,適當提高剛分速度對減少電弧能量、減少零部件的燒損有很大作用，但過分增大剛分速度不一定能提高滅弧性能，反而會加重操動機構(gòu)的負擔；同樣斷路器觸頭合閘速度對滅弧性能也有很大影響。因此，對斷路器觸頭的位移、速度特性的測量及在線監(jiān)測是很重要的。斷路器機械特性在線監(jiān)測，控制模塊裝在儀表室，分合閘回路、儲能回路接入霍爾穿心互感器，機械特性直線傳感器連接到機構(gòu)與絕緣拉桿結(jié)合部?？蓪崿F(xiàn)分、合閘線圈電流檢測、電動線圈斷線預(yù)檢測和分、合閘速度、超行程檢測等功能，檢測結(jié)果可以進行動態(tài)圖表曲線顯示。

(2) 開關(guān)柜觸頭的溫升是否偏高，是否超過標準，是否很能夠繼續(xù)使用，我們無法進行監(jiān)控，現(xiàn)在傳統(tǒng)做法是每年采用紅外測溫定期檢查維護成本較高。斷路器動觸頭溫度的測量采用母線取流供電，熱電偶接觸式傳感器測溫，利用可靠的無線射頻技術(shù)（Zigbee無線信號），無線信號傳輸，將安裝于高壓處的測溫點與接收單元徹底的隔離，實現(xiàn)一次端溫度的直接測量，另配合環(huán)境溫度測量單元，可得到一次溫升數(shù)據(jù)。

3.2 開關(guān)柜狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)

1）開關(guān)柜溫濕度在線監(jiān)測

智能型開關(guān)柜必須能根據(jù)環(huán)境溫度來自動調(diào)節(jié)開關(guān)柜本體的溫度、濕度等相關(guān)參數(shù)?？刹捎脦в?個溫度測量和2個濕度測量回路，內(nèi)部裝設(shè)2路濕度傳感器，測量精度：±3%,2路溫度傳感器，測量精度：1℃,全面監(jiān)測開關(guān)柜溫濕度變化情況?？刂品绞街饕ㄟ^控制風(fēng)扇的停轉(zhuǎn)解決開關(guān)柜運行時溫度過高的問題，通過控制加熱板的啟停解決開關(guān)柜濕度過高的問題。

2）泄漏電流在線監(jiān)測

采用接觸式引流環(huán)提取開關(guān)柜關(guān)鍵且絕緣相對薄弱絕緣件-觸頭盒的泄漏電流信號，引流環(huán)緊靠隔板，遠離母線；引流環(huán)選用單芯同軸屏蔽電纜引出，避免產(chǎn)生局部放電，也阻礙了空間電荷的進入；通過穿芯式電流互感器實現(xiàn)一二次側(cè)高低電位的有效隔離；精確采樣技術(shù)，采樣頻率9kHz，幅值精度12位；傳感器無需電源供電，獨立運作；六路傳感器采用分布式結(jié)構(gòu)，互不干擾。能夠?qū)崟r在線監(jiān)測開關(guān)柜絕緣件的運行狀態(tài)，自動完成測量和結(jié)果顯示。絕緣狀態(tài)特性的在線監(jiān)測原理圖如圖2所示。

圖2 絕緣子泄漏電流監(jiān)測原理圖

3）高壓帶電顯示及閉鎖：通過高壓帶電傳感器，實現(xiàn)高壓側(cè)帶電顯示及閉鎖功能（如控制電磁鎖閉鎖后下門）；

4）事件記錄和顯示功能，對斷路器有十次以內(nèi)的分合閘時間、機械特性的記錄和總操作次數(shù)記錄。對斷路器觸頭在線測溫有超溫時間和超溫部位的記錄，并且可擴展各種需要查閱的事件記錄。

3.3 電動操作系統(tǒng)

電動操作系統(tǒng)主要包括電動底盤車和電動接地開關(guān)，在接地開關(guān)主軸上安裝電機和減速齒輪傳動系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)手動和電動雙操作，電動底盤車及控制模塊安裝在斷路器內(nèi)，電動接地開關(guān)控制模塊安裝在開關(guān)柜儀表室內(nèi)。通過智能控制單元，可以在人機界面面板上直接操作電動底盤車的前進、后退、停止和接地開關(guān)的分、合控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電機的防卡死、防過流等保護功能，不僅保證操作人員的人身安全，而且從軟件程序上防止了無操作的發(fā)生。

3.4 通訊

外部支持IEC61850通訊協(xié)議，內(nèi)部同時支持Modbus TCP/IP標準工業(yè)協(xié)議。監(jiān)測、保護控制裝置中的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)（GOOSE）將數(shù)據(jù)送入到遠方控制端，由遠端操作人員對斷路器進行控制，也可以通過以太網(wǎng)或RS485將數(shù)據(jù)送入到人機界面顯示，同時人機界面可以通過以太網(wǎng)（站控MMS）將波形曲線，故障數(shù)據(jù)等信息上傳到遠方控制端。斷路器通過帶通訊端口的增強型航空插頭，實現(xiàn)與開關(guān)柜人機界面及后臺的通訊。

3.5 人機界面

1）指示燈：開關(guān)柜帶電顯示，A，B，C三相；手車隔離/工作位置；斷路器分/合閘；接地刀閘分/合閘；斷路器合閘彈簧已儲能/未儲能；柜內(nèi)照明；故障報警；加熱器加熱/停止；風(fēng)機啟動/停止。

2）通過功能選擇鍵、上下、左右鍵或翻頁鍵，顯示以下參數(shù)或數(shù)據(jù)：用圖形動態(tài)顯示一次回路的模擬指示；柜內(nèi)溫度/濕度；斷路器六點觸頭溫度；觸頭盒六路泄漏電流；斷路器的機械特性曲線；斷路器分/合閘記錄，分合閘電流；電動底盤車電流，動作次數(shù)；電動接地開關(guān)電流，動作次數(shù)等。

3）操控

斷路器分、合閘：分合閘回路引入控制器，保護跳閘由斷路器自身完成，通過通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對斷路器本地和遠程分、合閘操作。

手車電動進出、接地開關(guān)分合：控制底盤車、接地開關(guān)電機以及閉鎖引入控制器，通過通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對電動底盤車、接地開關(guān)本地和遠程進車/退出、分/合操作。

4）系統(tǒng)設(shè)置和管理。

4 結(jié)束語

雖然智能開關(guān)設(shè)備的研究和生產(chǎn)已歷經(jīng)多年，但是現(xiàn)有的各類系統(tǒng)都較為分散，多以在線監(jiān)測為主，而且不同系統(tǒng)兼容性差，可靠性差。本文設(shè)計的10kV中壓智能開關(guān)設(shè)備將這些系統(tǒng)集成與一體，提出了一體化的帶測量、保護的智能能斷路器，達到了較高的智能水平。

新一代智能開關(guān)設(shè)備，將改變傳統(tǒng)開關(guān)柜的模式，開關(guān)柜原有的功能將集中到斷路器上，操作保護功能、電流電壓信號在斷路器上均可以實現(xiàn)，開關(guān)柜的電纜室、儀表室元件將非常簡單，從而有利于開關(guān)柜的簡單化和減短工程交貨期。

中壓智能開關(guān)設(shè)備是一種新一代開關(guān)電器，它融合了傳統(tǒng)電器、計算機、測控、傳感器與微電子技術(shù)，因此需要國內(nèi)一次設(shè)備和二次設(shè)備廠家進行資源整合，加快中壓智能開關(guān)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化步伐，推動我國堅強智能電網(wǎng)不斷向前發(fā)展。

[1]張杭.智能化電器和智能化開關(guān)柜現(xiàn)狀和發(fā)展.智能化開關(guān)電器及其應(yīng)用文集(第一集).江蘇省電工技術(shù)學(xué)會,1998.

[2]陳振生.開關(guān)柜的在線監(jiān)測和傳感器技術(shù)(一).華通技術(shù).2004-4.

[3]金葦.中壓真空斷路器智能化實施中的關(guān)鍵問題.安徽工程科技學(xué)院學(xué)報,2008-23-1.