新型10 kV智能化開關柜的研制與應用

王萬亭，姚愛明，張 劍，林友福

（1．杭州恒信電氣有限公司，浙江 臨安 311300；2．臨安市供電局，浙江 臨安 311300）

0 引言

根據國家電網公司提出的高壓設備智能化原則和要求，對中壓配電網廣泛使用的10 kV開關柜進行分析評價，認為將傳統的開關柜升級改造為智能開關柜是建設智能化配電網發展的必然需要，研制新型10 kV智能開關柜對實現智能配電網將發揮重要作用。開發和研制新型、高效、環保的智能化開關柜設備，不僅能提高配電網供電的可靠性、運行效率和設備利用率，提高供電的優質服務水平和改善供電質量，而且將顯著提高配電網安全預警及應對能力。

目前我國中壓配電網基本以10 kV為主，而10 kV電壓等級的配電開關設備中，KYN28A-12型開關柜經過多年的推廣應用和改進，已成為覆蓋面最廣、影響力最大、使用最穩定的品種。本文所述的新型10 kV智能化開關柜是以KYN28A-12型開關柜為原型，結合先進的傳感器技術及智能組件技術開發完成。該設備繼承了原KYN28A-12型開關柜性能可靠、五防完善、互換性強等優點，同時具備實時在線監測開關柜絕緣件泄漏電流、開關柜母線發熱溫度、斷路器機械特性曲線和參數等功能，在此基礎上實現了開關柜狀態報警、關鍵部件全生命周期管理，并具備友好的人機界面和系統組網接口。

1 智能開關柜的組成

智能開關柜是指具有較高性能的開關柜，配裝有智能電子裝置、變送器和執行器，不僅具有開關柜的基本功能，還具有在線監測和診斷等附加功能。本文所述的新型10 kV智能化開關柜主要由開關柜本體、保護裝置、在線監測裝置、溫度測量模塊、泄漏電流測量模塊、機械特性測量模塊以及各類傳感器組成，其結構如圖1所示。

圖1 智能開關柜結構

2 在線監測母線發熱溫度

中壓開關柜內部的導電連接處會因為電磨損、機械振動以及設備制造過程中的隱藏缺陷導致接觸條件惡化，引起接觸點溫度升高，從而進一步加劇接觸表面的氧化，形成惡性循環，直至絕緣損壞，最終造成電弧放電，導致設備事故。通常的涂覆溫度變色材料、紅外測溫窗口等方法都建立在人員對設備巡檢的基礎上，不僅耗費人力，也不能及時發現故障。實時溫度在線監測是預防這類事故發生的重要手段，但長期以來因為開關柜內空間狹小、運行電位高等原因，安裝普通溫度傳感器難以保證絕緣距離，傳感器若使用電池供電還存在需定期停機更換電池的缺點，而采用外部供電則電源的絕緣處理較困難。目前比較理想的測溫方式是基于紅外輻射的非接觸式測溫，該方式需克服2個技術難點：第一是測溫探頭的安裝位置選擇，必須對現有的絕緣結構不構成影響；第二是對紅外測溫結果的準確修正，以避免測試環境、距離系數、輻射率、工作波長、瞬時視場角等因素對測量正確性的影響。

選用MLX90614新型高精度測溫傳感器實現開關柜中母線電連接處發熱溫度在線監測，其優點是：

（1）采用非接觸式的紅外測溫方法，可有效隔離在線監測的高/低電位。

（2）傳感器的輸出為數字信號，且自身集成了相應的數字濾波器和存儲器，數字信號的傳輸具有很強的抗電磁干擾性能。

（3）體積小，安裝方便，抗干擾能力強。

（4）MLX90614的SMBUS總線輸出模式能實現6點母線電連接處的分布式監測。

（5）采用雙單片機通信方式，實時、有效、精確地通過總線協議傳送前端傳感器的數字信息，并在微控制單元上顯示。

（6）在保證測溫準確度的情況下，傳感器前端探頭離母線距離可達150 mm，完全滿足開關柜電氣絕緣距離的要求。

（7）溫度傳感器壽命可達10年。

紅外傳感器在KYN28A柜中的安裝位置見圖1。根據該柜型歷年來的運行數據，斷路器手車的動靜觸頭結合處是熱故障的多發位置，容易出現由于觸頭彈簧抱緊力減小、嚙合尺寸偏差、大電流運行氧化等原因導致的發熱。因為該位置有絕緣觸頭盒包覆，無法直接測量，因此測溫點選擇了觸頭盒出口處的銅母線，該位置距離實際接觸點較近，溫差較小，易于通過軟件補償還原實際溫度。共安裝6只紅外傳感器，3只開口于母線室，另3只開口于電纜室，開口位置分別對準觸頭盒口的銅母線，開口處采用紅外玻璃隔離，以保證原有的防護等級，對原柜的絕緣也沒有任何影響。通過預埋熱電偶并通以1 250 A電流模擬溫升試驗，該方式的測溫精度在±1 K，完全滿足狀態監控的要求。

3 在線監測絕緣件泄漏電流

表征絕緣特性的參量有很多，如介質損耗角正切、局部放電、泄漏電流等，但從經濟性和實際實施的可行性考慮，目前在中壓開關柜上可實施的是檢測絕緣件的泄漏電流，該方法具有硬件成本低、數據準確可靠、現場施工簡單等優點，在變電站新舊設備上都可以完成。本系統采用的泄漏電流監測原理見圖2，信號提取采用接觸式引流環結構，引流環由寬5 mm、厚度約1 mm的進口導電膠涂制而成，起到在絕緣子上收集泄漏電流的作用，安裝在距離絕緣件接地點3～5 mm的位置，不影響其絕緣性能。由于該位置仍有一定的電壓，因此在引流環后端設置小電流互感器來進一步隔離高/低電位，從而保證整個檢測系統的安全性和可靠性。對于微弱的絕緣泄漏電流（微安級），采用精密采樣、兩級放大及兩級隔直濾波電路后進入處理器的A/D，傳輸使用屏蔽線，具有較高的檢測靈敏度和抗干擾能力。在實驗室模擬現場污穢情況時，清潔狀態下套管表面的泄漏電流非常小，在潮濕和污穢情況下，套管表面的絕緣狀況會明顯劣化，泄漏電流大幅增加；在單相接地且套管上有嚴重污穢的情況下，套管泄漏電流約為40 μA。根據這些試驗結果，可以設定12 kV斷路器在線監測系統的一級絕緣劣化閾值為50 μA，此閾值考慮了大電流引起的電磁干擾，留有10 μA裕量，超過這個閾值將報警。如果泄漏電流超過50 μA，說明環氧絕緣套管絕緣性能有失效的危險，設備必須立即停電檢修。可以設定二級絕緣劣化報警閾值為100 μA，既考慮了實驗結果，也留有足夠裕量以防止因電磁干擾導致系統誤動作。

圖2 絕緣件泄漏電流監測原理

4 在線監測開關機械特性

斷路器最嚴重的機械故障是拒動和誤動。引起此類故障的主要原因是操動機構及傳動系統的機械失效和電氣控制及輔助回路的故障。針對這兩方面的原因，并結合目前的技術水平和產品成本等因素，對中壓真空斷路器的機械特性作兩方面的檢測。

（1）檢測斷路器觸頭行程-時間特性曲線，由該曲線計算出平均分/合閘速度、最大分/合閘速度、動觸頭行程、固有分/合閘時間等參量。

觸頭行程-時間特性是斷路器工作狀態的重要表征，行程測量的基本要求是既不能影響機構原有的機械特性和絕緣性能，又要真實反映觸頭行程隨時間的變化。此外，傳感器還要便于安裝，即監測系統的適應性要強，這就要求選用的傳感器體積不能太大，并且線性度和靈敏度要盡可能高。傳統的直線位移傳感器由于尺寸的限制難以在實際中使用。同時，由于在線情況下動觸頭處于高電位，對監測系統的隔離措施要求很高，因此直接測量動觸頭的行程曲線非常困難。考慮到真空斷路器在分/合閘過程中，動觸頭的行程與主軸轉動角度有一定的對應關系，因此測得主軸的角位移曲線，即可間接得到動觸頭的直線位移曲線。真空斷路器的主軸處于地電位，遠離高壓部分，不存在高電位隔離的問題，而且一般情況下主軸附近的可用空間很大，能夠方便地安裝角位移傳感器，這種間接測量的方式對多種型號的真空斷路器都適用。主軸的角位移與觸頭直線位移的關系可通過大量的離線試驗來確定，并制作出角位移-直線位移表格，供查表時使用，進一步計算即可得到速度和分/合閘時間等參量。本系統選用WDD35D系列精密導電塑料電位器作為角位移傳感器，具有很多優點，如：體積小、便于安裝；與斷路器主軸同軸；角位移傳感器本身阻尼很小，不影響斷路器原有性能或結構等。

（2）檢測分/合閘脫扣線圈回路電流，記錄分/合閘全過程線圈電流波形，通過分析線圈電流變化判斷斷路器機械故障的趨勢，同時得到固有分/合閘時間等參數。

分/合閘脫扣線圈回路電流由JT5-B跟蹤型霍爾電流傳感器檢測。該傳感器失調電流小、線性度好、響應時間短、跟蹤速度快、動態范圍大，可以保證整個系統的測量準確度和穩定性。由于采用了霍爾磁平衡原理，該傳感器的電氣絕緣和抗干擾能力都很強。此外，由于其體積較小，可放置在印刷電路板上，從而避免了信號傳輸過程中的外界電磁干擾。

5 狀態檢修對開關柜的新要求

目前雖然絕大多數變電站已經實現了無人值班，但是功能多限于線路保護、控制和測量，并沒有實現對開關柜本身的事故隱患監控，對開關柜主要設備工作狀態的檢查還停留在計劃檢修，既無針對性也無及時性。因此，基于設備狀態評估開展的狀態檢修對開關柜提出了新的要求。根據國內外中壓開關柜智能化技術發展現狀，智能化開關柜狀態檢修的主要技術特點為：

（1）采用智能信息處理系統對開關柜本體進行故障及故障前兆的診斷及監視。

（2）在線監測母線及柜內溫度是否越限。

（3）在線監視斷路器分/合閘速度等工作特性。

（4）在線監視操動機構的機械性能。

（5）絕緣水平的在線監視及報警。

（6）智能化的防誤操作系統。

（7）具有各種操作的提示及預演功能。

（8）具有操作的校核及誤操作的閉鎖功能。

（9）開關柜二次功能：測量、信號、保護、控制、遠動智能化。

（10）電網故障的追憶：錄波、登錄、仿真重演，提供分析依據，事故的定位、定量分析，確定事故的原因及解決辦法。

（11）運行現狀的專家評估及運行維護指導。

6 結語

智能開關柜的技術目前尚處于研究開發階段，有些技術難點尚未解決，特別是開關柜本體在線監測的傳感技術有一定難度。目前能達到應用水平的智能化裝置，主要是開關柜二次功能的微機化替代常規的二次設備。本項目研究的智能開關柜已實現如下功能：

（1）傳感器、智能組件和開關柜硬件融為一體，不影響原有設備的電氣、機械等性能。

（2）傳感器、智能組件必須適應開關柜內大電流、強電場的環境，本身運行可靠，不發生錯報、誤報等情況。

（3）智能化的開關柜具有自我診斷的能力，能及時修正、反饋運行狀態。

（4）實現開關柜關鍵狀態參數的在線實時監測及診斷，并將結果可靠上傳。

隨著傳感器與智能監測單元技術逐步成熟可靠，下一步計劃是將智能單元監測數據接入浙江省電力公司輸變電設備狀態監測平臺，統一通信規約，并納入輸變電設備狀態檢修輔助決策系統。新型10 kV智能化開關柜的研制與應用對實現開關柜變“定期維修”為“狀態維修”，及早發現故障苗頭、防患于未然具有重要意義。

[1]王小華，蘇彪，榮命哲，等.中壓開關柜在線監測裝置的研制[J].高壓電器，2009，45（3）:52-55.

[2]榮命哲，王小華，王建華.智能開關電器內涵的新發展探討[J].高壓電器，2010，46（5）:1-3.