10 kV架空線路用戶智能分界開(kāi)關(guān)的研制

吳朝輝，楊文選，王 博

（1.運(yùn)城供電公司，山西 運(yùn)城 044000；2.南京因泰萊配電自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

在我國(guó)，隨著10 kV配網(wǎng)架空線路的不斷改造以及部分配網(wǎng)自動(dòng)化線路的實(shí)施，主網(wǎng)事故率趨于穩(wěn)定，而造成配網(wǎng)線路停電的主要原因是由于分支用戶側(cè)的故障引起的。各用戶出口處大量使用熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)以及沒(méi)有保護(hù)的負(fù)荷開(kāi)關(guān)等簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)設(shè)備，它們一般均為人工手動(dòng)操作，主要用于用戶正常分、合線路負(fù)荷電流和隔離電源的作用，不具有自動(dòng)隔離用戶側(cè)故障和自動(dòng)拉閘限電的功能。一旦用戶側(cè)或分支線路發(fā)生過(guò)流、短路、接地等故障就會(huì)波及到主網(wǎng)線路，造成主網(wǎng)線路開(kāi)關(guān)跳閘，導(dǎo)致大面積停電；同時(shí)由于線路上存在多個(gè)分支線路和用戶，所以故障排查工作量也非常大，延長(zhǎng)了恢復(fù)供電的時(shí)間。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，支線用戶數(shù)量不斷攀升，對(duì)支線用戶的供電可靠性也越來(lái)越重要，因此，在分支用戶處有必要安裝智能開(kāi)關(guān)設(shè)備[1]，隔離并排查分支用戶端的各種故障，從而提高整個(gè)配網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性。本文主要介紹了10 kV架空線路用戶智能分界開(kāi)關(guān)的研制。

1 智能開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

INT2000-II智能開(kāi)關(guān)設(shè)備是在普通型戶外高壓交流真空斷路器、重合器的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)的新型產(chǎn)品。該設(shè)備主要負(fù)責(zé)對(duì)配網(wǎng)線路用戶側(cè)線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、保護(hù)控制以及故障處理，為整個(gè)配網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性提供了保障。

本文設(shè)計(jì)了一種采用三相分立的支柱式敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)以及環(huán)氧樹(shù)脂與硅橡膠復(fù)合絕緣方式的戶外用戶智能開(kāi)關(guān)，配制具有在線監(jiān)測(cè)功能的智能控制箱、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的永磁機(jī)構(gòu)，力求產(chǎn)品做到高可靠性、智能化、小型化、免維護(hù)等特點(diǎn)。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 智能開(kāi)關(guān)主要技術(shù)參數(shù)

開(kāi)關(guān)本體主要由集成固封極柱、保護(hù)用電流互感器、零序電流互感器、永磁機(jī)構(gòu)及箱體組成（如圖1所示）。斷路器為小型化設(shè)計(jì)，整體采用三相支柱式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明快，設(shè)計(jì)精度高，安裝方便，無(wú)需調(diào)整即可滿足真空滅弧室開(kāi)距和超程的要求，并且可以避免箱式結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的“內(nèi)部凝露”問(wèn)題。機(jī)箱外殼采用304不銹鋼經(jīng)達(dá)克羅防銹處理，有效防止機(jī)箱在戶外惡劣環(huán)境下銹蝕。

圖1 用戶智能分界開(kāi)關(guān)的外形結(jié)構(gòu)圖

2 永磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本斷路器采用CDM-5S新一代永磁機(jī)構(gòu)，如圖2所示。該機(jī)構(gòu)是一種用于中壓真空開(kāi)關(guān)設(shè)備的電磁操動(dòng)、永磁保持的操動(dòng)裝置。其獨(dú)特之處在于由永久磁鐵實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)終端位置的保持功能，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械脫扣和鎖扣裝置。和傳統(tǒng)的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，永磁機(jī)構(gòu)采用了一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)，具有其他技術(shù)無(wú)法比擬的獨(dú)特之處，從根本上克服了其他技術(shù)的固有弊端；工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件少，無(wú)需機(jī)械脫、鎖扣裝置，故障源少，具有很高的可靠性，可長(zhǎng)期頻繁操作，真正做到了永久性免維護(hù)。同時(shí)由于可采用電容作為操作電源，避免了輔助電源波動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性的影響。

圖2 CDM-5S型永磁機(jī)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的永磁機(jī)構(gòu)采用小型化設(shè)計(jì)原則，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中導(dǎo)磁端蓋采用階梯式設(shè)計(jì)，縮短了永磁體的磁路，進(jìn)而改善機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布，提高機(jī)構(gòu)的靜態(tài)保持力[2，3]。另外，通過(guò)降低磁軛的高度、增加銜鐵的外環(huán)面積，縮短了磁力線通過(guò)的距離、提高了磁力線的密度，這種設(shè)計(jì)不僅縮短機(jī)構(gòu)的整體長(zhǎng)度，而且使其磁場(chǎng)分布更加合理，從而提高機(jī)構(gòu)合閘力，減小了合閘電流。

圖3 永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 永磁機(jī)構(gòu)手動(dòng)合閘裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的用戶智能分界開(kāi)關(guān)應(yīng)用了永磁機(jī)構(gòu)手動(dòng)合閘裝置，即利用手拉式充電設(shè)備作為永磁機(jī)構(gòu)斷路器的應(yīng)急操作電源，控制原理如圖4所示。

圖4 永磁機(jī)構(gòu)手動(dòng)合閘裝置框圖

開(kāi)關(guān)本體設(shè)有手拉式發(fā)電機(jī)拉動(dòng)手柄，拉動(dòng)儲(chǔ)能手柄給合閘電容器充電，當(dāng)達(dá)到永磁機(jī)構(gòu)允許合閘的電壓時(shí)，電容器自動(dòng)放電實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的合閘，要求以不小于2圈/s的速度拉動(dòng)20 s。

4 智能控制裝置設(shè)計(jì)

智能控制裝置由ARM9處理器及外圍電路模塊、電源管理模塊、電壓電流信號(hào)采集模塊、機(jī)構(gòu)特性監(jiān)測(cè)模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、開(kāi)關(guān)量輸出模塊、通訊模塊、機(jī)構(gòu)線圈驅(qū)動(dòng)模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示，該電路結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，參數(shù)合理，并通過(guò)嚴(yán)酷度等級(jí)為4級(jí)的EMC試驗(yàn)。

圖5 智能控制裝置硬件框圖

該智能控制裝置的保護(hù)功能采用延時(shí)加上二次諧波制動(dòng)法來(lái)識(shí)別線路過(guò)流、短路狀態(tài)和涌流，與傳統(tǒng)利用電流峰值躲涌流的方法相比，準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性強(qiáng)。采用電壓互感器采集電壓，兩個(gè)保護(hù)電流互感器采集A相和C相的保護(hù)電流，零序電流互感器采集接地時(shí)的零序電流。為了抑制電磁干擾，在輸入通道前端加裝EMI濾波器以濾掉共模和串模的干擾信號(hào)，使用信號(hào)調(diào)理電路使采集的模擬信號(hào)在ARM9可接收的信號(hào)范圍之內(nèi)。此外，通過(guò)電壓互感器以及電源管理模塊提供該智能控制裝置所需的電源。

該智能控制裝置的在線監(jiān)測(cè)功能通過(guò)位移傳感器、線圈電流分壓器以及精確的采樣技術(shù)得到永磁機(jī)構(gòu)的行程、分合閘時(shí)間和電流，采集的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和信號(hào)調(diào)理后送入ARM9處理器，根據(jù)自定義的方式計(jì)算機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)作電流，完成智能開(kāi)關(guān)機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)功能。

5 智能分界開(kāi)關(guān)保護(hù)功能

該智能分界開(kāi)關(guān)具有重合閘、定時(shí)限、反時(shí)限電流保護(hù)功能，具有小電流接地保護(hù)功能，能夠把用戶側(cè)的過(guò)流、短路以及接地故障進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)與切除，及時(shí)保護(hù)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。接地故障仿真分析如圖6所示。

圖6 配電線路單相接地故障仿真模型

由于很多配網(wǎng)線路長(zhǎng)度較短，接地容性電流較小，一次電流甚至小于1 A，因此傳統(tǒng)的基波零序電流幅值判別法很難準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)。本論文采用小波分析法，在時(shí)頻兩域均具有良好的分析特性，是現(xiàn)代信號(hào)處理的有力方法，非常適用于分析配網(wǎng)系統(tǒng)接地故障暫態(tài)過(guò)程。本文利用MATLAB中的小波工具箱，用db6對(duì)各線路零序電流進(jìn)行多尺度分析，各線路零序電流小波變化如圖7所示。

圖7 線路1、2、3零序電流小波變換第6層高頻系數(shù)

線路1的系數(shù)值均大于非故障線路2、3的值，且符號(hào)相反?？梢耘袆e線路1為故障線路。該方法適應(yīng)性強(qiáng)，靈敏度高，容易實(shí)現(xiàn)，是目前小電流接地保護(hù)中比較準(zhǔn)確可行的方法。

6 樣品制造和型式試驗(yàn)

本產(chǎn)品在2011年進(jìn)行了樣機(jī)制造，并且于2011年10月在國(guó)家機(jī)械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心通過(guò)了全套型式試驗(yàn)，智能開(kāi)關(guān)型式試驗(yàn)中的EMC電磁兼容試驗(yàn)和環(huán)境性能試驗(yàn)的檢驗(yàn)結(jié)果完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件規(guī)定，所有技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

本文涉及的智能分界開(kāi)關(guān)已經(jīng)在貴州、山東等地區(qū)運(yùn)行，多次準(zhǔn)確切除用戶故障，有效地保護(hù)了配電網(wǎng)的正常運(yùn)行，同時(shí)經(jīng)受住了多雨、嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。

8 結(jié)語(yǔ)

為了提高我國(guó)配網(wǎng)供電的可靠性，本文介紹的12 kV架空線路用戶智能分界開(kāi)關(guān)，彌補(bǔ)了該類產(chǎn)品的不足，應(yīng)用此產(chǎn)品能夠提高配網(wǎng)運(yùn)行的的可靠性，為電力系統(tǒng)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］ 林莘.永磁機(jī)構(gòu)與真空斷路器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］ 盛劍霓.工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.