新型10 kV智能化開關(guān)柜的研制與應(yīng)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(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司提出的高壓設(shè)備智能化原則和要求，對(duì)中壓配電網(wǎng)廣泛使用的10 kV開關(guān)柜進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，認(rèn)為將傳統(tǒng)的開關(guān)柜升級(jí)改造為智能開關(guān)柜是建設(shè)智能化配電網(wǎng)發(fā)展的必然需要，研制新型10 kV智能開關(guān)柜對(duì)實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)將發(fā)揮重要作用。開發(fā)和研制新型、高效、環(huán)保的智能化開關(guān)柜設(shè)備，不僅能提高配電網(wǎng)供電的可靠性、運(yùn)行效率和設(shè)備利用率，提高供電的優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平和改善供電質(zhì)量，而且將顯著提高配電網(wǎng)安全預(yù)警及應(yīng)對(duì)能力。

目前我國(guó)中壓配電網(wǎng)基本以10 kV為主，而10 kV電壓等級(jí)的配電開關(guān)設(shè)備中，KYN28A-12型開關(guān)柜經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用和改進(jìn)，已成為覆蓋面最廣、影響力最大、使用最穩(wěn)定的品種。本文所述的新型10 kV智能化開關(guān)柜是以KYN28A-12型開關(guān)柜為原型，結(jié)合先進(jìn)的傳感器技術(shù)及智能組件技術(shù)開發(fā)完成。該設(shè)備繼承了原KYN28A-12型開關(guān)柜性能可靠、五防完善、互換性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)開關(guān)柜絕緣件泄漏電流、開關(guān)柜母線發(fā)熱溫度、斷路器機(jī)械特性曲線和參數(shù)等功能，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了開關(guān)柜狀態(tài)報(bào)警、關(guān)鍵部件全生命周期管理，并具備友好的人機(jī)界面和系統(tǒng)組網(wǎng)接口。

1 智能開關(guān)柜的組成

智能開關(guān)柜是指具有較高性能的開關(guān)柜，配裝有智能電子裝置、變送器和執(zhí)行器，不僅具有開關(guān)柜的基本功能，還具有在線監(jiān)測(cè)和診斷等附加功能。本文所述的新型10 kV智能化開關(guān)柜主要由開關(guān)柜本體、保護(hù)裝置、在線監(jiān)測(cè)裝置、溫度測(cè)量模塊、泄漏電流測(cè)量模塊、機(jī)械特性測(cè)量模塊以及各類傳感器組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能開關(guān)柜結(jié)構(gòu)

2 在線監(jiān)測(cè)母線發(fā)熱溫度

中壓開關(guān)柜內(nèi)部的導(dǎo)電連接處會(huì)因?yàn)殡娔p、機(jī)械振動(dòng)以及設(shè)備制造過程中的隱藏缺陷導(dǎo)致接觸條件惡化，引起接觸點(diǎn)溫度升高，從而進(jìn)一步加劇接觸表面的氧化，形成惡性循環(huán)，直至絕緣損壞，最終造成電弧放電，導(dǎo)致設(shè)備事故。通常的涂覆溫度變色材料、紅外測(cè)溫窗口等方法都建立在人員對(duì)設(shè)備巡檢的基礎(chǔ)上，不僅耗費(fèi)人力，也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。實(shí)時(shí)溫度在線監(jiān)測(cè)是預(yù)防這類事故發(fā)生的重要手段，但長(zhǎng)期以來因?yàn)殚_關(guān)柜內(nèi)空間狹小、運(yùn)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(jī)更換電池的缺點(diǎn)，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(cè)溫方式是基于紅外輻射的非接觸式測(cè)溫，該方式需克服2個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：第一是測(cè)溫探頭的安裝位置選擇，必須對(duì)現(xiàn)有的絕緣結(jié)構(gòu)不構(gòu)成影響；第二是對(duì)紅外測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確修正，以避免測(cè)試環(huán)境、距離系數(shù)、輻射率、工作波長(zhǎng)、瞬時(shí)視場(chǎng)角等因素對(duì)測(cè)量正確性的影響。

選用MLX90614新型高精度測(cè)溫傳感器實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜中母線電連接處發(fā)熱溫度在線監(jiān)測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）采用非接觸式的紅外測(cè)溫方法，可有效隔離在線監(jiān)測(cè)的高/低電位。

（2）傳感器的輸出為數(shù)字信號(hào)，且自身集成了相應(yīng)的數(shù)字濾波器和存儲(chǔ)器，數(shù)字信號(hào)的傳輸具有很強(qiáng)的抗電磁干擾性能。

（3）體積小，安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)。

（4）MLX90614的SMBUS總線輸出模式能實(shí)現(xiàn)6點(diǎn)母線電連接處的分布式監(jiān)測(cè)。

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

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

（7）溫度傳感器壽命可達(dá)10年。

紅外傳感器在KYN28A柜中的安裝位置見圖1。根據(jù)該柜型歷年來的運(yùn)行數(shù)據(jù)，斷路器手車的動(dòng)靜觸頭結(jié)合處是熱故障的多發(fā)位置，容易出現(xiàn)由于觸頭彈簧抱緊力減小、嚙合尺寸偏差、大電流運(yùn)行氧化等原因?qū)е碌陌l(fā)熱。因?yàn)樵撐恢糜薪^緣觸頭盒包覆，無法直接測(cè)量，因此測(cè)溫點(diǎn)選擇了觸頭盒出口處的銅母線，該位置距離實(shí)際接觸點(diǎn)較近，溫差較小，易于通過軟件補(bǔ)償還原實(shí)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(duì)準(zhǔn)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(hù)等級(jí)，對(duì)原柜的絕緣也沒有任何影響。通過預(yù)埋熱電偶并通以1 250 A電流模擬溫升試驗(yàn)，該方式的測(cè)溫精度在±1 K，完全滿足狀態(tài)監(jiān)控的要求。

3 在線監(jiān)測(cè)絕緣件泄漏電流

表征絕緣特性的參量有很多，如介質(zhì)損耗角正切、局部放電、泄漏電流等，但從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際實(shí)施的可行性考慮，目前在中壓開關(guān)柜上可實(shí)施的是檢測(cè)絕緣件的泄漏電流，該方法具有硬件成本低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在變電站新舊設(shè)備上都可以完成。本系統(tǒng)采用的泄漏電流監(jiān)測(cè)原理見圖2，信號(hào)提取采用接觸式引流環(huán)結(jié)構(gòu)，引流環(huán)由寬5 mm、厚度約1 mm的進(jìn)口導(dǎo)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(diǎn)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(huán)后端設(shè)置小電流互感器來進(jìn)一步隔離高/低電位，從而保證整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。對(duì)于微弱的絕緣泄漏電流（微安級(jí)），采用精密采樣、兩級(jí)放大及兩級(jí)隔直濾波電路后進(jìn)入處理器的A/D，傳輸使用屏蔽線，具有較高的檢測(cè)靈敏度和抗干擾能力。在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)污穢情況時(shí)，清潔狀態(tài)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(huì)明顯劣化，泄漏電流大幅增加；在單相接地且套管上有嚴(yán)重污穢的情況下，套管泄漏電流約為40 μA。根據(jù)這些試驗(yàn)結(jié)果，可以設(shè)定12 kV斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一級(jí)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(gè)閾值將報(bào)警。如果泄漏電流超過50 μA，說明環(huán)氧絕緣套管絕緣性能有失效的危險(xiǎn)，設(shè)備必須立即停電檢修?？梢栽O(shè)定二級(jí)絕緣劣化報(bào)警閾值為100 μA，既考慮了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也留有足夠裕量以防止因電磁干擾導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作。

圖2 絕緣件泄漏電流監(jiān)測(cè)原理

4 在線監(jiān)測(cè)開關(guān)機(jī)械特性

斷路器最嚴(yán)重的機(jī)械故障是拒動(dòng)和誤動(dòng)。引起此類故障的主要原因是操動(dòng)機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械失效和電氣控制及輔助回路的故障。針對(duì)這兩方面的原因，并結(jié)合目前的技術(shù)水平和產(chǎn)品成本等因素，對(duì)中壓真空斷路器的機(jī)械特性作兩方面的檢測(cè)。

（1）檢測(cè)斷路器觸頭行程-時(shí)間特性曲線，由該曲線計(jì)算出平均分/合閘速度、最大分/合閘速度、動(dòng)觸頭行程、固有分/合閘時(shí)間等參量。

觸頭行程-時(shí)間特性是斷路器工作狀態(tài)的重要表征，行程測(cè)量的基本要求是既不能影響機(jī)構(gòu)原有的機(jī)械特性和絕緣性能，又要真實(shí)反映觸頭行程隨時(shí)間的變化。此外，傳感器還要便于安裝，即監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的適應(yīng)性要強(qiáng)，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(tǒng)的直線位移傳感器由于尺寸的限制難以在實(shí)際中使用。同時(shí)，由于在線情況下動(dòng)觸頭處于高電位，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的隔離措施要求很高，因此直接測(cè)量動(dòng)觸頭的行程曲線非常困難?？紤]到真空斷路器在分/合閘過程中，動(dòng)觸頭的行程與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此測(cè)得主軸的角位移曲線，即可間接得到動(dòng)觸頭的直線位移曲線。真空斷路器的主軸處于地電位，遠(yuǎn)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(cè)量的方式對(duì)多種型號(hào)的真空斷路器都適用。主軸的角位移與觸頭直線位移的關(guān)系可通過大量的離線試驗(yàn)來確定，并制作出角位移-直線位移表格，供查表時(shí)使用，進(jìn)一步計(jì)算即可得到速度和分/合閘時(shí)間等參量。本系統(tǒng)選用WDD35D系列精密導(dǎo)電塑料電位器作為角位移傳感器，具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)等。

（2）檢測(cè)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(jī)械故障的趨勢(shì)，同時(shí)得到固有分/合閘時(shí)間等參數(shù)。

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(cè)。該傳感器失調(diào)電流小、線性度好、響應(yīng)時(shí)間短、跟蹤速度快、動(dòng)態(tài)范圍大，可以保證整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)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(qiáng)。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(hào)傳輸過程中的外界電磁干擾。

5 狀態(tài)檢修對(duì)開關(guān)柜的新要求

目前雖然絕大多數(shù)變電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無人值班，但是功能多限于線路保護(hù)、控制和測(cè)量，并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜本身的事故隱患監(jiān)控，對(duì)開關(guān)柜主要設(shè)備工作狀態(tài)的檢查還停留在計(jì)劃?rùn)z修，既無針對(duì)性也無及時(shí)性。因此，基于設(shè)備狀態(tài)評(píng)估開展的狀態(tài)檢修對(duì)開關(guān)柜提出了新的要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)外中壓開關(guān)柜智能化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，智能化開關(guān)柜狀態(tài)檢修的主要技術(shù)特點(diǎn)為：

（1）采用智能信息處理系統(tǒng)對(duì)開關(guān)柜本體進(jìn)行故障及故障前兆的診斷及監(jiān)視。

（2）在線監(jiān)測(cè)母線及柜內(nèi)溫度是否越限。

（3）在線監(jiān)視斷路器分/合閘速度等工作特性。

（4）在線監(jiān)視操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能。

（5）絕緣水平的在線監(jiān)視及報(bào)警。

（6）智能化的防誤操作系統(tǒng)。

（7）具有各種操作的提示及預(yù)演功能。

（8）具有操作的校核及誤操作的閉鎖功能。

（9）開關(guān)柜二次功能：測(cè)量、信號(hào)、保護(hù)、控制、遠(yuǎn)動(dòng)智能化。

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

（11）運(yùn)行現(xiàn)狀的專家評(píng)估及運(yùn)行維護(hù)指導(dǎo)。

6 結(jié)語

智能開關(guān)柜的技術(shù)目前尚處于研究開發(fā)階段，有些技術(shù)難點(diǎn)尚未解決，特別是開關(guān)柜本體在線監(jiān)測(cè)的傳感技術(shù)有一定難度。目前能達(dá)到應(yīng)用水平的智能化裝置，主要是開關(guān)柜二次功能的微機(jī)化替代常規(guī)的二次設(shè)備。本項(xiàng)目研究的智能開關(guān)柜已實(shí)現(xiàn)如下功能：

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

（2）傳感器、智能組件必須適應(yīng)開關(guān)柜內(nèi)大電流、強(qiáng)電場(chǎng)的環(huán)境，本身運(yùn)行可靠，不發(fā)生錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)等情況。

（3）智能化的開關(guān)柜具有自我診斷的能力，能及時(shí)修正、反饋運(yùn)行狀態(tài)。

（4）實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及診斷，并將結(jié)果可靠上傳。

隨著傳感器與智能監(jiān)測(cè)單元技術(shù)逐步成熟可靠，下一步計(jì)劃是將智能單元監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入浙江省電力公司輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，統(tǒng)一通信規(guī)約，并納入輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)。新型10 kV智能化開關(guān)柜的研制與應(yīng)用對(duì)實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜變“定期維修”為“狀態(tài)維修”，及早發(fā)現(xiàn)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(guān)柜在線監(jiān)測(cè)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(guān)電器內(nèi)涵的新發(fā)展探討[J].高壓電器，2010，46（5）:1-3.