一二次融合成套柱上開(kāi)關(guān)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

摘 要：配電自動(dòng)化作為電力系統(tǒng)中的末端環(huán)節(jié)，其可靠性直接關(guān)系到終端用戶的用電質(zhì)量。近些年，隨著我國(guó)電力設(shè)備不斷的升級(jí)改造，配電自動(dòng)化技術(shù)的快速更新，智能化產(chǎn)品也逐漸得到普及，但同時(shí)也暴露出各種各樣的問(wèn)題。介紹了我國(guó)10kV線路配網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了一二次融合成套設(shè)備的發(fā)展背景和建設(shè)目標(biāo)，對(duì)一二次融合成套柱上開(kāi)關(guān)的系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)說(shuō)明了一二次融合成套柱上開(kāi)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用趨勢(shì)，肯定了其作用成效，并給出了發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：一二次融合;柱上開(kāi)關(guān);電流;零序電壓;饋線終端

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.152

0 引言

近些年，國(guó)內(nèi)各電網(wǎng)公司紛紛在多個(gè)城市開(kāi)展了配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)，如國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、地方電力、油田、兵團(tuán)等等，并且出現(xiàn)了繁榮式的發(fā)展。控制設(shè)備由早期的就地式故障處理，發(fā)展到現(xiàn)在的基于網(wǎng)絡(luò)式的遠(yuǎn)方故障隔離。在運(yùn)行監(jiān)控、故障處理、信息交互、通訊網(wǎng)絡(luò)等方面取得了很大的發(fā)展，為配電系統(tǒng)調(diào)度和運(yùn)維提供了極大的幫助。我國(guó)配電線路在倒閘操作時(shí)間、非故障區(qū)恢復(fù)供電時(shí)間以及故障處理時(shí)間得到了極大的縮短，保障了供電要求。但隨著大規(guī)模的配電自動(dòng)化終端的使用，對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)維管理提出了很高的挑戰(zhàn)。為此，一次設(shè)備和二次設(shè)備如何有效的管理和運(yùn)用成為今后配電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

1 一二次融合發(fā)展背景

以西門子、ABB、施耐德、日本東芝等為代表的電氣巨頭公司，早在二三十年前就將一二次設(shè)備進(jìn)行融合，并應(yīng)用于不同的配電開(kāi)關(guān)。例如，施耐德利用最新的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出了新一代的智能配電開(kāi)關(guān)。其它國(guó)外的一些電氣設(shè)備制造廠商有的沿用傳統(tǒng)的一二次設(shè)備分別設(shè)計(jì)和制造的方式，在后期需要升級(jí)的時(shí)候，將傳統(tǒng)的互感器、測(cè)控裝置集成到柱上開(kāi)關(guān)箱體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備的簡(jiǎn)單物理上的融合。早些年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平相比國(guó)外較為落后，導(dǎo)致生產(chǎn)出的電力設(shè)備性能和配置較低。近些年，隨著一帶一路的牽動(dòng)、工業(yè)不斷擴(kuò)張、城鎮(zhèn)和社會(huì)主義新農(nóng)村的不斷改造建設(shè)，用電負(fù)荷也隨之快速增長(zhǎng)，電能質(zhì)量也要求越來(lái)越高，我國(guó)配電線路也暴露出了很多問(wèn)題。例如，（1）配電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不統(tǒng)一，出現(xiàn)了很多五花八門的設(shè)備，導(dǎo)致互換性較差，資源得不到合理的利用;（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏全方面的考慮，在一些陳舊的線路上裝配先進(jìn)的饋線終端，從而出現(xiàn)一次設(shè)備與二次設(shè)備不兼容、主站與饋線終端功能不匹配以及通訊容量不足等問(wèn)題;（3）供電質(zhì)量差。前些年建設(shè)的配電線路，一次線路導(dǎo)電線截面參差不齊，并且缺乏很好的維護(hù)，線損損耗較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有些地區(qū)電網(wǎng)損耗在15%～20%，嚴(yán)重的地區(qū)達(dá)到30%左右，存在著大量的能源浪費(fèi)[1]。

2 一二次融合建設(shè)目標(biāo)

2.1 成套階段

該階段主要工作為將一次柱上開(kāi)關(guān)、二次饋線終端、常規(guī)取電PT通過(guò)電纜相互連接組合而成，電纜兩頭采用標(biāo)準(zhǔn)航空插接件。柱上開(kāi)關(guān)與饋線終端通過(guò)電纜連接，并將測(cè)量、計(jì)量、控制信號(hào)進(jìn)行交互，完成一二次設(shè)備的初步融合。其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一二次設(shè)備連接接口標(biāo)化準(zhǔn)統(tǒng)一以及成套設(shè)備的采購(gòu)和聯(lián)調(diào)檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)線損采集、就地FA、單相接地故障處理。實(shí)現(xiàn)一次和二次設(shè)備采用一體化的設(shè)計(jì)理念，滿足不同設(shè)備廠家之間相互更換以及即插即用的使用原則。

2.2 融合階段

該階段的總體工作是與一二次設(shè)備一體化設(shè)計(jì)同步開(kāi)展，將一次開(kāi)關(guān)設(shè)備、電子式傳感器、二次饋線終端、取電PT進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)“一體化、小型化、通用化、智能化、經(jīng)濟(jì)性”。該階段目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)設(shè)備高度融合，實(shí)現(xiàn)分段線損檢測(cè)、就地FA、單相接地故障處理、裝置通用、就地互換、即插即用，解決成套設(shè)備間絕緣配合、電磁干擾、精度匹配等問(wèn)題。

3 一二次融合關(guān)鍵技術(shù)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)航空插接件

3.1.1 柱上開(kāi)關(guān)側(cè)

開(kāi)關(guān)本體采用1個(gè)26芯航空插頭將電流、零序電壓、控制和狀態(tài)等信號(hào)引出，并接入饋線終端的航空插頭，26芯航空插頭的規(guī)格大小以及各針腳定義采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

3.1.2 饋線終端

饋線終端的航空插接件包括14芯和6芯航插以及6芯防開(kāi)路航插各1只，并配以太網(wǎng)接口1個(gè)。14芯航插用于傳輸控制信號(hào)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)以及零序電壓信號(hào);6芯防開(kāi)路航插用于傳輸三相電流和零序電流信號(hào);6芯電源航插用于傳輸電壓互感器提供的電源和測(cè)量電壓信號(hào)，航空插頭的規(guī)格大小以及各針腳定義采用標(biāo)準(zhǔn)化化設(shè)計(jì)。

3.2 電流信號(hào)

通常，通過(guò)電磁式電流互感和電子式電流傳感器兩種方式來(lái)獲取電流信號(hào)。電子式傳感器實(shí)現(xiàn)方式主要有空心線圈和LPCT線圈兩種，輸出信號(hào)為模擬電壓信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，而不是傳統(tǒng)的電流信號(hào)?？招木€圈式的電流互感器無(wú)鐵芯、不存在鐵芯飽和，無(wú)二次開(kāi)路危險(xiǎn)、過(guò)電流能力強(qiáng)，但制造工藝較難，小電流線性度較差，需二次補(bǔ)償。帶鐵芯的LPCT線圈存在鐵芯飽和現(xiàn)象，精度可以做到10P20，但它存在非線性變換，工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但開(kāi)口電壓高，有開(kāi)路等危險(xiǎn)，頻帶范圍不如空心線圈寬，它們要求負(fù)載阻抗都不小于20kΩ。而電磁式電流互感器一次匝數(shù)少，二次匝數(shù)多，內(nèi)阻較大，二次帶載能力不強(qiáng)且不能開(kāi)路。正常工作時(shí)負(fù)荷電流較小，磁通密度低，而短路故障時(shí)電流較大鐵芯磁通存在飽和現(xiàn)象[2]。

3.3 零序電壓

零序電壓的獲取方式一般有兩種，三相五柱式電壓互感器和電子式電壓傳感器。三相五柱式互感器存在很多弊端：（1）生產(chǎn)成本較高，價(jià)格昂貴;（2）不能通過(guò)檢測(cè)線路的絕緣電阻實(shí)現(xiàn)線路的絕緣診斷和故障點(diǎn)查找;（3）系統(tǒng)雜散電流較多，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，會(huì)引起饋線終端的誤動(dòng)作或者不動(dòng)作。電子式電壓傳感器常見(jiàn)有電阻分壓型和電容分壓型兩種。電阻分壓型也有其缺陷：（1）會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生雜散電流;（2）與柱上開(kāi)關(guān)成套組合時(shí)，會(huì)降低對(duì)地絕緣阻抗;（3）電阻元件工作時(shí)容易熱積累，產(chǎn)生時(shí)漂和溫漂，長(zhǎng)期使用可能造成外絕緣層裂化;（4）精度受外界環(huán)境影響較大。

由于日本陶瓷電容技術(shù)相對(duì)成熟，故障率較低，日本電網(wǎng)公司更青睞使用電容式傳感器，且它本身與對(duì)地的容性特性一致，不影響單相接地的判斷，即使出現(xiàn)故障，對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的影響程度相對(duì)較低。國(guó)網(wǎng)公司經(jīng)過(guò)以下幾點(diǎn)考慮最終采用電容分壓式傳感器：（1）日本很早就制定了電容式電壓傳感器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);（2）可以將高壓側(cè)和低壓側(cè)進(jìn)行隔離，避免高壓進(jìn)入饋線終端，造成終端燒毀和人身事故;（3）電容分壓傳感器帶載能力和抗干擾能力強(qiáng);（4）國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多成熟的應(yīng)用案例，例如國(guó)外日本和韓國(guó)，國(guó)內(nèi)許繼和平高等等。

3.4 饋線終端

饋線終端較早期的方案做了功能性和配置方面的提升，并增加了線損采集功能，線損模塊內(nèi)置于饋線終端中，支持熱插拔，并采集電源電壓、相電流、頻率、零序電流以及零序電壓，實(shí)現(xiàn)正反方向有功電量計(jì)量和四象限無(wú)功電量計(jì)量，功率因數(shù)計(jì)算。故障錄波支持?jǐn)?shù)據(jù)循環(huán)至少64組，錄波內(nèi)容包含故障發(fā)生時(shí)刻前不少于4個(gè)周波和故障發(fā)生時(shí)刻后不少于8個(gè)周波的波形數(shù)據(jù)，錄波點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn)/周波[3]。

支持軟件的硬加密和軟加密功能，基于內(nèi)嵌安全芯片實(shí)現(xiàn)信息安全防護(hù)功能，支持SM1加密和解密，算法的簽名和驗(yàn)簽功能，與配電主站實(shí)行雙向身份認(rèn)證[4]。除具備常規(guī)二遙功能外，還滿足就地FA功能（電壓時(shí)間型、電壓電流時(shí)間型、自適應(yīng)綜合型），具備不同中性點(diǎn)接地方式下的接地故障的定位與隔離功能。

3.5 柱上開(kāi)關(guān)

柱上開(kāi)關(guān)可分為柱上斷路器和柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)，按線路實(shí)際應(yīng)用功能可分為分段、聯(lián)絡(luò)和分界開(kāi)關(guān)。目前常用的開(kāi)關(guān)主要采用真空滅弧和SF6氣體滅弧兩種方式。真空滅弧具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)斷能力強(qiáng)、電弧不外露、無(wú)爆炸危險(xiǎn)、壽命高等優(yōu)點(diǎn)。目前一二次融合成套斷路器設(shè)備采用的是LW3-12型六氟化硫斷路器，它具有斷口距離大、燃弧時(shí)間短、開(kāi)斷容性和感性電流無(wú)重燃等優(yōu)點(diǎn)，并且過(guò)電壓低，無(wú)截流值。但SF6氣體在空氣中難以分解，具有不環(huán)保和斷路器易爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。因此，國(guó)網(wǎng)旗下各公司正在聯(lián)手開(kāi)發(fā)其它類型開(kāi)關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著一二次融合的不斷推進(jìn)，也克服了不少問(wèn)題，例如電壓傳感器的絕緣電阻、電流互感器的二次功率和電阻、開(kāi)關(guān)整體的局放、二次信號(hào)的屏蔽以及成套設(shè)備的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)等等，但目前還有很多新的方向有待研究：（1）三相共箱式真空斷路器采用內(nèi)置隔離斷口，隔離斷口與真空斷口聯(lián)動(dòng)，這樣可以避免感應(yīng)電壓的問(wèn)題，此方案可以在FZW28A-12型負(fù)荷開(kāi)關(guān)上進(jìn)行改進(jìn)，采用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行型式試驗(yàn)驗(yàn)證;（2）三相支柱式真空斷路器內(nèi)置電子式電流互感器和電子式電壓傳感器，此方案以ZW32-12型斷路器為模型，將真空滅弧室、電流互感器、電壓傳感器整體澆筑在一起，實(shí)現(xiàn)小型化，免維護(hù)等特點(diǎn);（3）電容取電替代電磁式電壓互感器，滿足各種饋線終端的供電和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的要求。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和各行各業(yè)齊心的努力，將最終實(shí)現(xiàn)一二次成套設(shè)備的理想融合。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：漆志平（1985-），男，湖北人，碩士，中級(jí)，主要研究方向：10-35kV斷路器以及智能控制技術(shù)。