12kV 智能開關柜的研究與設計

王 玲 張紅光 鄭加榮

（1.兗州東方機電有限公司，山東 鄒城 273500； 2.兗州煤業股份有限公司濟南煤炭科技研究院分公司，山東 濟南 250023；3.兗煤藍天清潔能源有限公司，山東 鄒城 273500）

為解決發生供電事故時故障處理時間長、損失巨大、廠區內供電系統的日常維檢所需人力、物力較大等問題，兗州東方機電有限公司提升公司配電設備的技術水平，立項研發了智能型高壓開關柜，實現柜內操作元件的遠端電動控制、柜內核心設備的健康狀態監控和供電系統運行狀態的實時在線監控。該智能型高壓開關柜減少了事故停電率，增加了供電可靠性，實現變電所的智能運維管理，為智能化供配電的推進提供硬件基礎。

產品契合集團公司提出的“三化融合”建設要求，融合智能化設計、自動化控制、信息化升級等技術，完成產品研究設計。

1 12kV 智能開關柜的設計選型

我國高壓開關柜技術的發展趨勢是組裝柜代替焊接柜，傳統開關柜向數字化和智能化方向發展。國外高壓開關柜也向著高可靠性、少維護、智能化方向發展。所以智能型開關柜從結構形式上采用組裝柜，元器件選用智能型。

根據兗州東方機電有限公司現有產品，在金屬鎧裝中置式開關柜KYN44-12 柜型的基礎上進行改進設計。

2 12kV 智能開關柜具有的功能

12kV 智能高壓開關柜由柜體、智能型真空斷路器、電子式電流互感器、智能綜合保護、智能儀表、電動接地開關、智能測溫、柜內視頻監控等組成。智能化開關柜全電動操作，集成檢測、控制和保護單元，能實現脫扣回路斷線檢測、動作時間檢測、接觸部件檢測、彈簧儲能時間檢測、溫濕度檢測、動物侵入監測和柜門監視等功能，并對其檢測到的數據分析和處理，進行故障預測、判斷并能計算出開關的剩余使用壽命和維修期限。

2.1 全電動操作

智能開關柜是一種無人化操作的電力設備，傳統開關柜中的斷路器搖進搖出、接地開關的人工分合，都需要全電動操作。

2.2 斷路器狀態監測功能

智能開關柜中的斷路器能實現對斷路器分合閘線圈電流的波形狀態、分合閘速度、儲能電機電流波形、儲能狀態、儲能時間、滅弧室真空度等參數的在線監測，具備關鍵點溫度報警、滅弧室真空度報警、超行程檢測、跳閘回路斷線報警和弧光保護等功能。通過實時檢測設備發生的故障能及時發出報警，避免事故的發生。

智能型真空斷路器通訊口采用標準IEC61850協議，可通過光纖以太網通訊方式與間隔層設備交換數據。

2.3 控制和保護功能

智能高壓開關柜的控制保護單元具有測量、保護、信號、控制、故障錄波和運動功能。

2.4 柜內視頻監控功能

智能型高壓開關柜對斷路器室、電纜室進行視頻監控，直觀顯示斷路器、接地開關的操作過程和合分狀況，為維檢時的統一管理和宏觀調控提供直觀依據。

2.5 在線無線測溫裝置功能

智能型高壓開關柜對斷路器、主母排、電纜進行在線無線測溫，具有在線實時測溫、采集、分析和超溫報警功能。

2.6 柜內安全消防功能

智能型高壓開關柜應具備安全消防功能。因電纜室內的電纜接頭經過長期運行，發生老化致使絕緣能力降低，電纜頭會發生局部放電、發熱，致使絕緣擊穿，發生爆炸，造成開關柜發生火災和大面積停電事故，對設備和人身安全及電網的穩定運行形成嚴重威脅。所以智能型開關柜應當對電纜室進行監測和滅火。

3 12kV 智能開關柜的設計

3.1 12kV 智能開關柜的結構設計

12kV 智能開關柜柜體采用組裝式結構。開關柜結構設計按照國家標準《3.6kV～40.5kV 交流金屬封閉開關設備和控制設備》（GB 3906-2006）對手車式開關柜的有關規定要求進行。結構形式采用中置式。柜體結構主要由外殼、隔室、隔板、活門等幾大部分組成。

不同用途的功能單元處于不同的隔室之中，其隔室主要有儀表室、斷路器室（手車室）、主母線室、電纜室和二次電纜室。

3.2 12kV 智能開關柜的全電動設計

智能開關柜的電動操作系統包含電動底盤車和電動接地開關。電動底盤車可以帶動斷路器在實驗位置和工作位置間往復運動。電動接地開關在斷路器手車位于試驗位置時，根據指令可以進行合閘或分閘操作。當斷路器位于工作位置時，電動接地開關不能進行合閘或分閘操作。同樣，當接地開關處在合閘位置時，斷路器手車不能從試驗位置運動到工作位置；僅當接地開關處在分閘位置時，斷路器手車才能在試驗位置和工作位置之間運動。

智能型高壓開關柜的電動操作系統有遠方和就地兩種操作模式，可以在驅動電機受阻時進行電機制動，并能逆向驅動電機來解除受阻狀態，保護電機安全。

電動操作系統只有在斷路器室和電纜室門都關閉且滿足相應的閉鎖條件時才能進行電動操作，通過電氣和機械的雙重閉鎖保證電動操作的可靠性。電動操作還能避免故障時對操作工人造成的人身傷害。如圖1。

圖1 接地開關電動操作和閉鎖位置

斷路器底盤車和接地開關均帶有手動優先功能，可保證電動故障或通訊故障時不影響設備正常使用。

3.3 12kV 智能開關柜的管理系統設計

開關柜管理系統主要由設備層、間隔層、站控層三部分組成。設備層主要是一次設備和智能組件。間隔層主要是綜合保護、測控裝置等二次設備。站控層主要是具有高性能帶觸摸功能的工控機。

開關柜管理系統實時動態顯示各種遙測值，并生成日報表、月報表、季報表、年報表和趨勢圖，提供實時聲光報警并記錄在數據庫中。

開關柜管理系統在線監測柜內溫濕度。在環境相對濕度較高和溫差較大的地方，容易產生凝露，發生危險，柜內裝設了加熱器和環境溫濕度傳感器。通過開關柜管理系統可以自動控制柜內溫濕度，防止凝露的發生。

開關柜管理系統在線監測柜內斷路器運行狀態參數。傳感器與斷路器本體集成，可實現對斷路器運行狀態參數實時在線監測，實時反映斷路器運行狀態，針對潛在故障進行預判并采用聲光報警。

開關柜管理系統是一個完全開放的系統，可以與各開關柜互相通信，還可以與上級系統互動，實現遠方監控。

3.4 12kV 智能開關柜的視頻監控設計

智能型高壓開關柜斷路器室、電纜室內放置有微型攝像頭，直觀顯示斷路器、接地開關的操作過程和合分狀況，為維檢時的統一管理和宏觀調控提供直觀依據。如圖2 所示。

圖2 柜內視頻監控

3.5 12kV 智能開關柜的在線無線測溫系統設計

智能開關柜無線測溫在線監測系統主要由顯示器、傳感器和監測主控模塊三部分組成。

溫度顯示器集成到開關柜管理系統中，由無線收發模塊、報警輸出、數據處理、顯示和通訊接口組成。無線收發模塊接收來自溫度采集模塊的數據，經過數據處理，把測到的溫度值顯示在面板上，同時判斷溫度是否超過報警上限，如果超過則發出報警輸出信號。

溫度傳感器應用表面波技術，可在非常規的運行環境下(高電壓，高電流)實現無線溫度數據采集，具有數字化、高精度、高耐溫的特點。溫度測量范圍30℃ ～125℃，精度為±0.1℃。表帶式安裝。

監測主控模塊是系統主要部分，由實時數據、實時曲線、歷史曲線、數據報表、系統接線圖以及網絡拓撲圖六部分組成。可以進行異常溫度報警，當被測點的溫度超過系統設定值時，主控模塊發出報警事件，并通過數據報表的形式保存。

3.6 12kV 智能開關柜的消防設計

智能開關柜的消防系統采用液體介質一體化滅火裝置，以氟化酮為滅火劑，集控制單元為一體，結合實際環境采用多種火情探測方式（如溫感、煙感、光感、氣體等），對火情隱患實現全方位監測和快速有效保護。

滅火裝置由滅火劑罐體、控制器、探測裝置、聲光報警裝置、手動啟動按鈕、管道及噴嘴組成。

4 結語

本文所設計的智能高壓開關柜符合IEC61850協議和智能開關柜的要求，實現了高壓開關柜的智能化、高可靠性、少維護，具備了全電動操作和控制、保護、實時監測、測量、視頻監控、管理、診斷、報警等功能，提高了供電系統的安全性和可靠性。通過在東華重工35kV 智能變電所和東方機電高壓變電所的應用，取得很好的效果，深受用戶好評。