淺談10kV開關(guān)柜的智能化設(shè)計(jì)

摘要：本文以當(dāng)前高壓開關(guān)柜的廣泛應(yīng)用及存在的不足為背景，以10kV開關(guān)柜為研究對(duì)象，提出了通過智能化設(shè)計(jì)方式提高其綜合性能的方案，設(shè)計(jì)了一款10kV智能開關(guān)柜，可以為相關(guān)領(lǐng)域提供參考。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);高壓開關(guān)柜;智能化

10kV開關(guān)柜是一種典型的高壓成套開關(guān)設(shè)備，其作用在于線路的投切管理和電能的高效分配，對(duì)于電網(wǎng)的正常運(yùn)行和故障檢修具有重要作用。然而當(dāng)前10kV開關(guān)柜在應(yīng)用中仍存在不可靠、不準(zhǔn)確、不及時(shí)等問題，對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性和檢修安全等方面帶來了較大的隱患，為了提高其綜合性能，本文對(duì)10kV開關(guān)柜的智能化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 高壓開關(guān)柜概述

開關(guān)柜，在行業(yè)內(nèi)又叫做成套配電裝置，是一種由斷路器等元器件構(gòu)成的電氣設(shè)備。10kV開關(guān)柜是一種典型的高壓成套開關(guān)設(shè)備，在電力系統(tǒng)中的配電環(huán)節(jié)有著十分廣泛的應(yīng)用，是電網(wǎng)中最常見的電氣設(shè)備之一。其作用是對(duì)電氣主接線涉及的控制單元、保護(hù)單元、測(cè)試單元以及相應(yīng)的母線等裝配到一個(gè)專用的柜體中，使得接線的管理以及電能的分配更加方便快捷。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以人為或自動(dòng)將故障部分電路斷開隔離，在電網(wǎng)檢修時(shí)也可以根據(jù)需要對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行投切?？梢姡邏洪_關(guān)柜是電網(wǎng)中不可或缺的組成單元?？紤]到當(dāng)前10kV開關(guān)柜在應(yīng)用中仍存在不可靠、不準(zhǔn)確、不及時(shí)等問題，非常有必要對(duì)其進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)研究，這對(duì)于高壓成套開關(guān)設(shè)備的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 10kV智能開關(guān)柜總體設(shè)計(jì)

為了提高10kV開關(guān)柜在應(yīng)用中存在的不可靠、不準(zhǔn)確、不及時(shí)等問題，本文運(yùn)用了當(dāng)前較成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，充分發(fā)揮了現(xiàn)場(chǎng)總線、數(shù)字傳輸、通信網(wǎng)絡(luò)、無線傳統(tǒng)等技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行了集遙測(cè)、遙調(diào)、遙控、遙信等功能于一身的智能化設(shè)計(jì)，考慮到電網(wǎng)中的開關(guān)柜數(shù)量巨大，分布零散，因此在通信方式上采用無線通信機(jī)制，以性價(jià)比較高的CC2530單片機(jī)為主控核心，控制傳感器對(duì)溫度、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸，一旦參數(shù)超過預(yù)設(shè)的閾值，立即啟動(dòng)風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。操作人員只需在上位機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作即可掌握遠(yuǎn)程開關(guān)柜設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。

3 10kV智能開關(guān)柜功能設(shè)計(jì)

本文主要從10kV開關(guān)柜的狀態(tài)參數(shù)采集、分析和處理等方面考慮設(shè)備的智能化設(shè)計(jì)，這也是當(dāng)前電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的有效思路。本系統(tǒng)將狀態(tài)參數(shù)分為電量參數(shù)的監(jiān)測(cè)和非電量參數(shù)的監(jiān)測(cè)，其中電量參數(shù)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括電壓和電流，而非電量參數(shù)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容則主要是柜內(nèi)的溫度以及一些開關(guān)量信息。通過對(duì)狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)分析，即可實(shí)現(xiàn)10kV開關(guān)柜的智能化。

3.1 主控模塊及主要設(shè)備選型

考慮到數(shù)據(jù)處理和邏輯控制的需要，本系統(tǒng)的主控模塊采用單片機(jī)作為控制核心，根據(jù)功能和性能的綜合比較，采用了德州儀器研發(fā)的CC2530單片機(jī)產(chǎn)品，該款產(chǎn)品以8051處理器為內(nèi)核，內(nèi)部集成了ZSTACK協(xié)議棧，比較適用于無線信號(hào)傳輸單元的適配。溫度采集單元采用了MF521033950型熱敏電阻，該器件在常溫下的電阻值約為10kΩ，或以滿足-20℃—120℃的快速溫度響應(yīng)，測(cè)量精度也比較高，同時(shí)具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不占用過多空間。

3.2 溫度監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

溫度參數(shù)是高壓開關(guān)柜的重要狀態(tài)參數(shù)，高壓設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果是夏季高溫天氣更容易引發(fā)火災(zāi)或電路故障。本系統(tǒng)的溫度監(jiān)控模塊主要由通信接口、電源模塊、信號(hào)采集單元以及開關(guān)量輸出等部分組成。智能開關(guān)柜直接由主母線引出電源線，首先由變壓器對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行降壓，再對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，最后為單片機(jī)提供最佳的工作電壓和電流。這種設(shè)計(jì)無須引入外部電源，避免了重復(fù)更換和維護(hù)蓄電池的麻煩。

熱敏電阻將溫度變化轉(zhuǎn)化為阻值的變化，最后通過電流變換到電壓信號(hào)，再由高精度A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化，完成溫度的采集。單片機(jī)與傳感器之間采用RS232串行通信，單片機(jī)根據(jù)傳感器地址來識(shí)別傳感器，并對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，當(dāng)溫度超過閾值時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行散熱;當(dāng)溫度低于閾值時(shí)，啟動(dòng)加熱器進(jìn)行升溫，使開關(guān)柜始終工作在最佳條件下。

在發(fā)生故障或定期停電維修期間，需要對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘，采用繼電器可以實(shí)現(xiàn)該功能。將繼電器與IP控制設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的分合閘控制。

3.3 電量監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

本文的10kV智能型開關(guān)柜可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流和設(shè)備在線狀態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量和傳輸。由于開關(guān)柜中電氣設(shè)備的工作電壓較高，單片機(jī)無法對(duì)其進(jìn)行直接的測(cè)量，因此采用電壓變換的思路，通過電壓互感器將高壓電進(jìn)行降壓。電壓互感器經(jīng)過大電阻與一次側(cè)相連，實(shí)現(xiàn)毫安級(jí)的電流輸出，再通過電阻器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，采用分流器的方案完成電流的采集。分流器具有無磁飽和、價(jià)格低、精度高等特點(diǎn)，可以滿足大交流電流的測(cè)量，非常適用于開關(guān)柜的電流監(jiān)測(cè)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)采用了光電耦合器、發(fā)光二極管和發(fā)光三極管的組合電路對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，可以準(zhǔn)確反映設(shè)備觸點(diǎn)的開合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器、接觸器等關(guān)鍵設(shè)備的分合閘狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，許多電力設(shè)備制造企業(yè)開始投入大量的資金對(duì)新型智能開關(guān)柜進(jìn)行研發(fā)，不斷采用新技術(shù)新工藝，這為智能化低壓開關(guān)柜的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間。

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作者簡(jiǎn)介：宗巖（1990—），男，漢族，江蘇宿遷人，大專，助理工程師，目前從事電氣成套設(shè)備設(shè)計(jì)方面的工作。