10kV配電線路跌落式熔斷器在線監測終端系統的設計

云南電網昆明呈貢供電局 李 錳 蔣顯琨 于振國

電力系統包含發電、配電等部分構成，上述環節應環環相扣、缺一不可。電力系統中任何位置出現故障，均會對電力系統日常運行產生不利的影響。在10kV 配電線路中，跌落式熔斷器主要優點在于可操作性強、經濟實惠等，是電力系統常用的短路保護開關。跌落式熔斷器設計于10kV 配電線路中，能促使用戶的停電范圍縮小。由于這種設備具有凸顯的斷開點，發揮著良好的隔離開關作用，為線路檢修等營造良好的作業環境，提升檢修人員的安全感[1]，有利于配電網運維工作人員及時掌握跌落式熔斷器運行情況，及時發現故障點并給予恰當的處理，促使其快速恢復正常供電。

跌落式熔斷器是10kV 配電線路使用比較廣泛的自我保護設備，其實際工作階段極易發生熔絲、短路等一系列故障，進而引起較大面積的停電情況，帶來比較嚴重的經濟損失。下文以跌落式熔斷器為對象，在分析跌落式熔斷器常見的故障基礎上，根據10kV 配電線路設計相應的在線監測終端系統，對其數據終端、短信Modern 等展開設計。該系統能及時發現熔斷器出現的故障，具有良好的遠程傳輸、集中管理等功能，迅速找到存在的故障并予以解決促使供電恢復正常。

1 跌落式熔斷器常見故障分析

跌落式熔斷器其展現出維護方便、價格低廉、適應性強等特點，得以廣泛用于10kV 配電線路以及變壓器內。在10kV 配電線路分支上設置跌落式熔斷器，能在一定程度上減少停電范圍。由于跌落式熔斷器具有隔離開關等功能，為檢修段的線路及設備提供安全運行的環境。

保護原理為：如短路電流順利經過跌落式熔斷器熔絲會及時熔斷，受到熔絲管自身重力及上、下靜觸頭彈簧片的影響，熔絲管跌落速度較快導致電路斷開，及時切除出現故障的線路及設備。在10kV配電線路實際運行過程中，因熔斷器產品制造工藝不佳、運行維護不恰當等因素的影響導致熔斷器發生故障，無法正確開展動作，促使線路以及配電變壓器故障發生率高。

跌落式熔斷器常見故障及其成因。燒保險管：跌落式熔斷器發生燒管故障是因熔絲熔斷以后無法自動跌落，使得電弧在管子之內并未切斷構成連續電弧把管子燒壞。分析其原因，主要由于上下轉動軸安裝不恰當、轉軸部位制造工藝比較粗糙及受到雜物阻礙，導致阻力較大、轉動靈活度不理想，使得熔絲熔斷時保險管依然保護原狀態未能及時跌落，滅弧時間隨之延長引發燒管的情況[2]；熔斷器熔絲發生誤斷：跌落式熔斷器處于額定斷開的容量相對較小，這種設備的下限值小于有待保護系統的三相短路容量，保險絲極易發生誤熔斷。當重復出現，大多是由于所選用的熔絲較小或與下一級熔絲量配合不夠合理，出現越級誤斷熔斷的情況。如果保險絲的質量較好，其焊接位置受到溫度、機械力等因素的影響脫開，也極易出現誤斷[3]。

2 在線監測終端系統設計

2.1 系統構成及技術特點

必須注意，原來的熔斷器用在配電網中旨在對大故障電流進行保護，未配置智能化功能。熔斷器實際運行中，不可實時對熔斷器各項參數及工作狀態進行采集，基于此，很難判定熔斷器的性能及其質量，也難以全面了解熔斷器分合及攜帶負荷的停電情況。此外，也難以依據熔斷器所處線路及負荷運行數據完成維修操作。因配電網內的電網結構及其設備安裝有所差異，并未專門根據熔斷器在線監測及進行故障檢測的設備。10kV 配電線路配置的跌落式熔斷器在線監測終端系統由數據終端及其熔斷器狀況監測傳感器構成，系統主站主要由路由器、主站軟件等部分構成，能夠與其他運行管理系統聯系起來。

跌落式熔斷器監測傳感器具體功能如下：配置的跌落式熔斷器支持設備自檢；具備測量及報警信息實時上傳的功能；跌落式熔斷器滿足短距離對主站修改各項參數的要求；跌落式熔斷器具體參數為：采用感應取電，后備支持充電鋰電池；使用短距離無線進行通信；適用電壓處于6～35kV 范圍之內；支持開展手動或遙控復位；靜態、最大瞬時動作功耗依次為≤20A、≤30mA；熔管條件下，正常、跌落水平角度分別為≥45°、≤-30°[4]。

文章依據10kV 配電線路設計相應的在線監測終端系統，其技術特點如下。故障判定：跌落式熔斷器狀態及其大電流故障判定具有較高的準確性，適用性好；供電技術：所用傳感器配置鋰電池當做后備電源，天氣晴朗時，依托太陽能電池板對其實施充電，確保其在低負荷陰雨天也能正常工作；數據終端可借助天陽能電池板及其蓄電池及時供電；抗涌流技術：10kV 配電線路送電過程中，傳感器設置閉鎖機制，會依據電壓、電流改變狀況開展閉鎖處理，避免因涌流引起誤報的情況。

2.2 跌落式熔斷器監測數據終端

熔斷器具體功能如下：及時接收、處理傳感器傳送的信息及數據，遠程傳送至主站；便于及時接收主站發布的指令，給予恰當的處理；配備模擬及相應的數字接口，能夠連接溫度傳感器，實時監測變壓器的油溫情況；支持設備自檢及系統對時操作。跌落式熔斷器對數據終端技術相關參數進行監測：通過短距離無線通信方式，對傳感器而言最多連入6組；供電方式：太陽能供電、蓄電池分別為10W、12AH；防護等級為IP65；其處在準實時在線條件下，靜態、最大功耗分別為≤80A、110mA；實時對靜態功耗≤200A、最大功耗≤110mA 進行檢測。

跌落式熔斷器監測終端由感知單元和微控主機組成。感知單元有三只，分別掛接于跌落式熔斷器上ABC 三相上，測量電場值及相位角，通信方式為微功率無線；環氧樹脂全密封，防護等級可達IP68；采用超低功耗處理技術，平均功耗比30uA小，內部配置ER17335M 3.6V 鋰電池，滿足10年免維護。微控主機設置的與跌落式熔斷器之間的距離小于100米，利用抱箍固定，主要測量低壓側三相電壓等信息，進行本地邏輯分析，并將分析結果通過4G 傳給主站或通過短信發給運維人員。

2.2.1 電場采樣

感應板安裝于電路和大地之間的P 點，C1代表電路板測量取樣電容，C0表示電路地平面對大地的感應電容，在條件不變的情況下C0為常值，依據歐姆定律U0=U×(XC1/(XC1+XC0)，而XC1=1/JωC1，XC0=1/JωC0，U0=U×(C0/(C0+C1))，電場值是個相對測量值、無需十分精準，只是作為停復電的定值。2.2.2 同步測量

三相之間的幅值和相位需要同步后才可進行邏輯分析，因此需在讀取電場值和電場相位角前通過微控主機進行感知單元同步采樣處理：感知單元常態為低功耗深度休眠狀態，先需喚醒：連續發送一定時長的字節,測試狀態連續發送N 秒（與感知單元RF 休眠參數配合）；同步：發送一包共M 個字節的數據；傳感器上送數據：傳感器收到同步幀后開始采集數據，主動上傳，傳感器接收到確認幀后停止重發，數據重發間隔默認YYms；微控主機以一天一次的間隔對傳感器進行喚醒、同步、讀取相位信息作為自檢和判斷對比使用。

2.2.3 DYn11型變壓器高壓側故障、跌落式熔斷器斷開、低壓側故障判斷邏輯

Dyn11型號的變壓器設置的三相高壓繞組首位連接，在連接位置引出多個端子與10kV 電路相連。低壓側三相繞組尾部連接起來，引出相應的中性線，首部引出不同的相線，依次為A、B、C 三相（圖1）。

圖1 Dyn11型變壓器低壓側連接示意圖

高壓側單相缺相故障判據如下：

表1 低壓側啟動條件

表2 高壓側數據表現

高壓側停電故障：低壓側啟動條件。故障類型為高壓側停電，Ua、Ub、Uc 都為0。

表3 高壓側數據表現

表4 低壓側啟動條件

表5 高壓側數據表現

2.3 短信Modern 設計

針對10kV 配電線路設計而來的在線監測終端系統配置短信通信模式，其主要功能如下：配置GSM 數據通道，便于接受全部數據終端傳送的信號；能夠及時把傳感器數據輸送到相應的服務器；如果異常情況，及時向工作人員發出故障警告短信；收到服務器發出的命令后，采用GSM 通道發送到與之對應的終端。其技術標準如表6。

表6 短信Modern 各項指標

2.4 應用服務器

此次設計出來的在線監測終端系統所用標配服務器不能低于以下要求：工業機箱應滿足工業現場控制等方面的要求，配備具有良好減震功能的雙重驅器。設置USB 接口及開關/rest 板采用INTEL945GV 芯片組，從而為COM 及USB 接口提供所需保護。工業底板設計1個PCIEX1（1個）、7個ISA 16位插槽等；整機硬盤為250G SATA，配置集成前兆網卡；工控機I/O 接口配置串口、并口分別為2個、1個。

2.5 在線監測終端系統軟件設計

系統配置獨立的配網生產及管理功能，支持配電線路管理、故障定位、故障監測等功能。為滿足電力公司開展集中管理的各項要求，系統留出接口，能夠與配電自動化系統、調動自動化系統等軟件集成起來，促使監測出來的故障數據被多個部門使用，顯示出獨特的功能。通過系統集成可以發揮下列工作：所設計的系統支持將故障定位信息傳送給其他軟件，在其他軟件上顯示故障位置、類型、時間等信息。若傳出一套GIS 系統，能夠在地圖上準確顯示故障處的地理情況、行車路線等信息，有利于提升故障處理效率。系統能夠及時將遙測數據傳送給其他軟件，包含負荷電流、狀態等信息。

綜上，本在線監測終端系統具有成本低、穩定性好、組網靈活等優點，能有效提升配電網供電可靠性，具有在城市郊區及農村配網建設中推廣使用的價值。本次研究在深入分析跌落式熔斷器常見故障基礎上，提出對10kV 配電網設計在線監測終端系統，該系統能夠實時監測、傳送熔斷器狀態、熔斷前故障電流等情況，便于維護人員及早發現故障點，快速給予搶修處理，對于快速恢復供電、確保電力系統安全發揮著重要的作用。