基于雙判據的開關柜風冷系統研究

李新海，孟晨旭，盧泳茵，陳偉明，羅海鑫，范德和

(廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

0 引言

10 kV配電網位于電力系統的末端[1]，直接與用戶相連，是輸配電的重要環節。為適應用電負荷的快速增長，變電站及配電網中的10 kV大電流開關柜均采用額定電流為4 000 A及以上的開關柜以提高線路的載流能力及供電水平，滿足用戶對供電可靠性的更高要求[2]。然而，在長期運行過程中，由于10 kV大電流開關柜中隔離刀閘觸頭、小車開關觸頭、母線排、電纜頭等連接部位表面氧化腐蝕、導電部分緊固螺栓松動等因素，各連接部位接觸電阻增大，從而導致開關柜發熱[3-8]。隨著電流的增加，10 kV大電流開關柜的異常發熱問題愈加嚴峻，若開關柜長期嚴重發熱，將有可能導致連接部件燒蝕并引發短路故障，造成設備故障、線路停電、人身傷亡等事故，威脅電力系統的安全穩定運行及運維人員的人身安全[9-12]。

因此，在運行過程中有必要將10 kV開關柜內的溫升控制在合理范圍。近年來，研究人員對開關柜的溫度進行仿真計算及趨勢分析[13-15]，為開關柜的散熱分析提供了有力依據。針對10 kV開關柜的溫度檢測和控制，常采用示溫蠟片監視[16]、手持紅外測溫[17]、有源傳感器在線測溫[18-20]及無源無線式測溫技術[21]等，在開關柜溫度異常過熱或溫升過高時安排檢修，以實現有效監控。采用此類手段可對開關柜內溫升進行定期或在線實時監控，從而更加清晰地了解柜內設備發熱情況，并對開關柜散熱風機啟動提供一定的判斷依據。

目前，10 kV大電流開關柜通常采用風機強制對流散熱方式控制柜內溫度。開關柜中風機的啟停一般根據開關柜實際運行電流的大小或環境溫度的高低進行控制，但該方式存在判據唯一、缺乏綜合判斷等問題，當唯一條件失效時，無法對10 kV大電流開關柜的降溫需求進行綜合判斷，導致無法有效排出開關柜內的熱量[22]，使開關柜主回路溫度顯著增加。當開關柜風機系統故障時，開關柜載流能力大幅下降，可能引起設備損壞，甚至發生短路爆炸、10 kV母線失壓、配電系統大面積停電的電力安全事件，帶來重大經濟損失和不良社會影響。據統計，近三年來中山市電網年均發生27項開關柜風冷控制系統缺陷，存在極大安全隱患。此外，現有的開關柜風機控制回路還存在電流繼電器啟停風機定值需手動調整而難以精確整定、電流繼電器及接觸器故障率高、缺乏故障告警功能等問題。

針對上述問題，基于電流與溫度雙判據邏輯，對10 kV大電流開關柜風冷控制系統邏輯進行改進，同時采用微機控制技術，實現電流與溫度啟停風機的雙判據邏輯控制及完善故障告警功能。

1 風冷控制系統原理及問題分析

現有開關柜風冷控制系統由電源、DL型電磁式過電流繼電器、接觸器、風機組成，如圖1所示。

圖1 開關柜風冷控制系統風機控制回路

圖1中可知，風機由切換開關ZK切換選擇手動、自動兩種啟動控制方式。若選擇風機手動啟動控制方式，則切換開關13-14接點接通啟動風機，此方式一般在人工檢測發現異常過熱或溫升過高時手動選擇，風機的啟停均需手動操作。

一般情況下，開關柜選用風機自動啟動控制方式，此時切換開關接點11-12接通，當開關柜內實際負荷電流大于或等于電流繼電器LJ的動作定值時，LJ動作，其常開接點1-3閉合使交流接觸器CJ勵磁動作，風機回路中CJ常開接點3-4閉合，風機啟動。當負荷電流小于LJ返回定值時，接點1-3 (LJ)、3-4 (CJ)依次斷開，風機斷電停運。

由于電流繼電器返回系數一般整定在0.9左右，其動作定值與返回定值差距不大，且長時間運行老化后可能導致返回系數變大使得動作定值與返回定值的區間變窄。當負荷電流在電流繼電器動作定值與返回定值之間頻繁臨界波動時，電流繼電器、交流接觸器將頻繁動作與復歸，風機頻繁啟停，容易燒蝕損壞電流繼電器、交流接觸器接點及風機。一旦出現部件損壞，風機自動啟動功能失效，且由于風機控制回路缺乏溫控功能，即使開關柜內溫度較高風機仍不能自動運轉，若此時無有效且及時的測溫手段，將給開關柜的安全穩定運行帶來巨大的安全風險。

此外，現有開關柜風冷控制系統在發生風機故障、電源失電或繼電器接點損壞、接觸器接點損壞等缺陷時無相應的告警信號上傳調度監控，缺乏全面的故障在線監測、告警功能，運行人員不能實時掌握系統的詳細狀況并響應。

針對開關設備的溫升控制，文獻[23]根據運行電流的大小和環境溫度的高低設計了風機控制方案。除電流、溫度啟動外，該方案還可實現小電流延時、低溫延時停風機功能及風機回路故障報警功能。然而，該方案未考慮風機在停止運轉后短時內再啟動的問題，且控制回路仍存在繼電器易損壞、故障率高的問題。文獻[24]對風機運行控制提出3點要求：保證風機在電流達到啟動電流時啟動、風機發生故障時及時報警、避免風機頻繁啟動。但分析可知，對風機控制除以上要求外，還需增加溫度控制啟動功能，以保證電流或溫度控制條件任一失效時，仍具備風機自動啟動功能。同時，所提出的要求并不能有效避免繼電器接點故障率高的問題，且繼電器啟停定值需手動調整，難以精確整定。

因此，通過新型10 kV大電流開關柜微機風冷控制系統(簡稱微機風冷控制系統)的研制以解決上述問題。該系統采用微機及可控硅調速技術，利用電流和溫度雙判據自動控制風機啟停，實現風機精準啟停、轉速控制功能，避免了風機頻繁啟停，還可實現異常狀況在線監測、告警功能，確保開關柜安全可靠運行，提高設備可靠性。

2 微機風冷控制系統策略

2.1 風機啟動控制策略

微機風冷控制系統采用雙判據設計，以開關柜內各相負荷電流大小及溫度高低作為風機啟停條件，可按需要精確整定負荷電流或柜內溫度啟動、停止風機的動作定值，同時在風機啟停邏輯中增加風機啟動、停止保持時間定值，避免風機短時間內頻繁啟停。

微機風冷控制系統風機啟動邏輯見圖2。若投入風機手動啟動功能，則系統立即啟動風機；若投入風機自動控制功能，當系統檢測到風機停止時間ttz大于系統設定的風機停止保持時間定值ttzbc時，只要滿足“開關柜任一相負荷電流值大于風機啟動負荷電流定值Iqd”或“開關柜三相負載電路任一相實際溫度值大于風機啟動溫度定值Tqd”，系統啟動風機降溫。其中，開關柜三相負載電路實際溫度值為柜內溫度傳感器所測得的各相負載電路溫度，溫度傳感器可按設計布置到開關柜內需測溫的設備上，實現關鍵點的溫度采集。

圖2 風機啟動邏輯

2.2 風機停止控制策略

風機停止邏輯見圖3。在風機運轉過程中，若投入風機手動停止功能，則系統立即斷開電源，風機停止；若投入風機自動控制功能，當系統檢測到風機運轉時間tyz大于系統設定的風機運轉保持時間定值tyzbc時，則系統在滿足“開關柜三相負荷電流值均不大于風機停止負荷電流定值Itz”且“開關柜三相負載電路三相的實際溫度值均不大于風機停止溫度定值Ttz”，風機停止。

圖3 風機停止邏輯

為避免由于風機電源回路電流過大造成溫度升高、風機燒毀等情況，系統新增風機過電流保護功能，即風機三相電源電路中任意一相的實際電流值大于系統設定的風機停止工作電流定值Ifjtz，則系統立即斷開風機電源，避免風機燒毀而影響風冷控制系統及開關柜設備安全運行。

3 微機風冷控制系統關鍵技術

3.1 信息交互技術

系統的硬件主要包括控制器、開關柜電流檢測模塊、開關柜溫度檢測模塊、可控硅控制模塊、風機電流檢測模塊和風機等，其數據交互見圖4。開關柜電流檢測模塊、溫度檢測模塊和風機電流檢測模塊分別用于測量開關柜三相負載電路的實際電流值、實際溫度值及風機三相電源電路的實際電流值。三個模塊均與控制器相連，可將采集的電流及溫度數據傳送至控制器。控制器作為微機風冷控制系統的數據處理、邏輯比較、集中控制單元，用于控制風機的啟動、停止、調速和故障告警。根據10 kV大電流開關柜的發熱和溫升情況，可精確設置風機啟停的電流定值、溫度定值等，解決常規風機啟停控制回路中手動調整電流繼電器造成定值設置不準確或人機功效差的問題。

圖4 控制系統數據交互

3.2 數據采集技術

以A相為例，系統負荷電流采樣回路原理見圖5，主要包括電流傳感器L1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2、電容C3和計量芯片U1，電流傳感器L1接于開關柜A相負載電路，負荷二次電流輸入后經計量芯片U1輸出對應支路電流數據至控制器串口。

圖5 開關A相負荷電流采樣回路

系統溫度檢測回路原理見圖6，主要包括溫度傳感器T1、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電容C4、電容C5和放大器U2A。溫度傳感器T1可布置在開關柜不同腔體不同部位，用于檢測開關柜三相負載電路任意一相的實際溫度值，測量值經過放大器后傳送至控制器ADC端口。

圖6 溫度檢測回路

以U相為例，系統風機電流采樣回路原理見圖7，主要包括電流傳感器L2、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電容C6、電容C7、電容C8和計量芯片U3。風機電源電路電流經電流傳感器L2采樣后通過計量芯片U3輸出對應支路電流數據至控制器串口。

圖7 風機U相電流采樣回路

開關柜負荷電流采樣回路、溫度檢測回路及風機電流采樣回路均為單相檢測回路。考慮三相負荷不平衡或因設備老化等原因造成開關柜內三相發熱不均衡的情況，電流檢測模塊需按一相一檢測進行配置，溫度檢測模塊和風機電流檢測模塊則按設計檢測點數配置，以提供可靠的采樣數據。

3.3 可控硅調速技術

風機控制回路接觸器接點經多次啟動后容易燒蝕損壞，降低了風機控制回路運行可靠性。為此，微機風冷控制系統取消了通過接觸器接點控制風機啟停的設計，采用可控硅調速技術控制風機啟停和轉速，其原理見圖8。該回路主要包括電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電阻R23、電容C9、二極管D1、可控硅Q1、三極管Q2、光耦芯片U4、光耦芯片U5和保險管F1。

圖8 可控硅調速控制回路

在對風機啟停和轉速進行控制時，控制器輸出控制命令到PWM端口，通過改變可控硅導通角α的方法來改變風機端電壓的波形，從而改變風機端電壓的有效值，達到風機調速目的，即當α為0°時，可控硅處非導通狀態，風機端電壓有效值為0，風機停止運轉；當α為180°時，可控硅處全導通狀態，風機端電壓波形為正弦波，有效值最大，風機按額定轉速運轉；當α為0～180°區間時，可控硅處非全導通狀態，風機端電壓有效值隨著α增大而增大，風機轉速也隨之增大。同時，可控硅控制模塊內部的控制程序可根據開關柜內所配置風機的數量進行轉速自適應調整，從而統一調控柜內多個風機的散熱功效。

通過采用可控硅調速技術，系統可實現低速啟動風機及根據開關柜負荷電流值、溫度值調節風機運轉速度的功能，降低了啟動時對風機的沖擊效應，為風機運轉速度調節策略提供了技術支撐。

3.4 故障告警技術

系統可自檢電源失電、控制器故障、可控硅故障、風機故障等異常情況并輸出合并故障告警。如圖9所示，系統故障告警采用硬接點輸出，主要包括電阻R24、電阻R25、電阻R26、二極管D2、三極管Q3、輸出繼電器K1，P1。控制器自檢到系統異常時，輸出信號到Ctrl端口，通過Q3控制K1通斷，最后通過P1外接端口輸出合并故障信號。

圖9 微機風冷控制系統故障告警回路

4 結束語

針對變電站10 kV大電流開關柜內風機啟動判據單一、電流繼電器及接觸器接點故障率高、缺乏故障告警等問題，基于雙判據設計，研制了新型開關柜微機風冷控制系統。該系統使用開關柜三相負荷電流和溫度作為判據，實現風機啟停控制、轉速控制及系統異常狀況的監測與告警功能，有效降低了風機故障導致開關柜發熱、設備損壞的風險，提升了10 kV大電流開關柜運行的安全穩定性與風冷設備工作的可靠性。新型開關柜微機風冷控制系統于2020年12月在中山供電局某變電站進行應用，運行效果良好，為開關柜風冷系統設計提供參考。