淺談中壓智能開關設備開發設計

文／大全集團有限公司技術中心 蔡平 岳經凱／

1 概述

科技的發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，同時對電力開關設備本身也提出了更高的要求，智能化、少維護、環保、小型化成為中壓開關設備的發展趨勢。

隨著現代電力系統的發展，傳統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，在中壓配電開關柜與設備中代替傳統的電流互感器與電壓互感器，原理上完全可行，其優越性十分明顯。

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

微處理機技術、傳感技術、光纖技術與網絡通信技術的蓬勃發展，這些技術日臻成熟，開關柜進行遙控、遙測將成為現實，使中央檢測單元很容易獲得現場（開關柜等）情況，也很容易在中央站完成對現場開關柜的測量、控制，為實現強電與弱電結合，開發智能化高壓電器產品、變電站自動化提供了可靠技術基礎，并且提高了高壓電器可靠性及輸配電可靠性。

2 智能開關設備要求

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

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

1)符合GB 3906-2006要求，并具有高度可靠性。

2)具備數字化、功能集成化、結構緊湊化、狀態可視化等主要技術特征，符合易擴展、易升級、易維護的工業化應用的要求。

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

4)具備狀態監測功能，以實現狀態維修、預測性維修或故障檢修。

5)直接與站控層進行數據傳輸的數字接口符合IEC 62271-3的相關要求。

6)控制、狀態監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設備

本文根據標準要求，以大全集團有限公司研制的 KYN28-12（Z）智能開關設備的項目為例，提出KYN28-12（Z）中壓智能開關設備的解決方案，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、斷路器機械特性監測傳感器、觸臂溫度監測傳感器、監測分合閘電流霍爾傳感器、電動底盤車等。

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

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,使單臺斷路器就可構成整個測量、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的電流、電壓波形及邏輯開關量信號。

2）完善的在線機械特性監測，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進行實時的監控，提前發現可能的故障隱患，確保設備安全可靠。

(1) 機械特性在線監測

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測是很重要的。斷路器機械特性在線監測，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與絕緣拉桿結合部。可實現分、合閘線圈電流檢測、電動線圈斷線預檢測和分、合閘速度、超行程檢測等功能，檢測結果可以進行動態圖表曲線顯示。

(2) 開關柜觸頭的溫升是否偏高，是否超過標準，是否很能夠繼續使用，我們無法進行監控，現在傳統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（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，實現一次端溫度的直接測量，另配合環境溫度測量單元，可得到一次溫升數據。

3.2 開關柜狀態在線監測系統

1）開關柜溫濕度在線監測

智能型開關柜必須能根據環境溫度來自動調節開關柜本體的溫度、濕度等相關參數。可采用帶有2個溫度測量和2個濕度測量回路，內部裝設2路濕度傳感器，測量精度：±3%,2路溫度傳感器，測量精度：1℃,全面監測開關柜溫濕度變化情況。控制方式主要通過控制風扇的停轉解決開關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柜濕度過高的問題。

2）泄漏電流在線監測

采用接觸式引流環提取開關柜關鍵且絕緣相對薄弱絕緣件-觸頭盒的泄漏電流信號，引流環緊靠隔板，遠離母線；引流環選用單芯同軸屏蔽電纜引出，避免產生局部放電，也阻礙了空間電荷的進入；通過穿芯式電流互感器實現一二次側高低電位的有效隔離；精確采樣技術，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構，互不干擾。能夠實時在線監測開關柜絕緣件的運行狀態，自動完成測量和結果顯示。絕緣狀態特性的在線監測原理圖如圖2所示。

圖2 絕緣子泄漏電流監測原理圖

3）高壓帶電顯示及閉鎖：通過高壓帶電傳感器，實現高壓側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的分合閘時間、機械特性的記錄和總操作次數記錄。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

電動操作系統主要包括電動底盤車和電動接地開關，在接地開關主軸上安裝電機和減速齒輪傳動系統，能夠實現手動和電動雙操作，電動底盤車及控制模塊安裝在斷路器內，電動接地開關控制模塊安裝在開關柜儀表室內。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、停止和接地開關的分、合控制，并且能夠實現電機的防卡死、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生。

3.4 通訊

外部支持IEC61850通訊協議，內部同時支持Modbus TCP/IP標準工業協議。監測、保護控制裝置中的數據可以通過以太網（GOOSE）將數據送入到遠方控制端，由遠端操作人員對斷路器進行控制，也可以通過以太網或RS485將數據送入到人機界面顯示，同時人機界面可以通過以太網（站控MMS）將波形曲線，故障數據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，實現與開關柜人機界面及后臺的通訊。

3.5 人機界面

1）指示燈：開關柜帶電顯示，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；柜內照明；故障報警；加熱器加熱/停止；風機啟動/停止。

2）通過功能選擇鍵、上下、左右鍵或翻頁鍵，顯示以下參數或數據：用圖形動態顯示一次回路的模擬指示；柜內溫度/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；電動接地開關電流，動作次數等。

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，通過通訊網絡，實現對斷路器本地和遠程分、合閘操作。

手車電動進出、接地開關分合：控制底盤車、接地開關電機以及閉鎖引入控制器，通過通訊網絡，實現對電動底盤車、接地開關本地和遠程進車/退出、分/合操作。

4）系統設置和管理。

4 結束語

雖然智能開關設備的研究和生產已歷經多年，但是現有的各類系統都較為分散，多以在線監測為主，而且不同系統兼容性差，可靠性差。本文設計的10kV中壓智能開關設備將這些系統集成與一體，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。

新一代智能開關設備，將改變傳統開關柜的模式，開關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，開關柜的電纜室、儀表室元件將非常簡單，從而有利于開關柜的簡單化和減短工程交貨期。

中壓智能開關設備是一種新一代開關電器，它融合了傳統電器、計算機、測控、傳感器與微電子技術，因此需要國內一次設備和二次設備廠家進行資源整合，加快中壓智能開關設備的產業化步伐，推動我國堅強智能電網不斷向前發展。

[1]張杭.智能化電器和智能化開關柜現狀和發展.智能化開關電器及其應用文集(第一集).江蘇省電工技術學會,1998.

[2]陳振生.開關柜的在線監測和傳感器技術(一).華通技術.2004-4.

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