一二次融合的智能集成開關(guān)應(yīng)用的研究與分析

張 冶 蔡穎凱 回 茜 曹世龍 許晶晶

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 沈陽(yáng) 110000)

1 引言

綜合集成開關(guān)可以在正常負(fù)荷下關(guān)閉或切斷電源，現(xiàn)有設(shè)備開關(guān)智能化程度較低，不能滿足配電網(wǎng)應(yīng)用需求，因此，電力行業(yè)專家研制了一種智能開關(guān)裝置，可實(shí)現(xiàn)集成開關(guān)的計(jì)量、保護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，有效地提高了開關(guān)的安全使用，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。當(dāng)前集成開關(guān)因其智能化程度不高、存在占用空間大、絕緣性差等問(wèn)題，降低了設(shè)備的安全性，所以不宜在戶外安裝。而輸電線空間有限、安裝困難，同時(shí)也會(huì)消耗大量的金屬資源，制造成本高，大規(guī)模設(shè)備共同使用經(jīng)濟(jì)性差，其功能也相對(duì)單一。

針對(duì)上述的不足，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員進(jìn)行了研究與分析，在國(guó)內(nèi)技術(shù)中，文獻(xiàn)[1]使用磁集成開關(guān)，將磁集成開關(guān)電感技術(shù)應(yīng)用到配電網(wǎng)變換器上，使變換器正向功率增益為原來(lái)2倍，但與此同時(shí)，也增大了配電網(wǎng)電感支路電流波紋，一旦受到雷擊電磁波干擾，流經(jīng)集成開關(guān)的電流就會(huì)出現(xiàn)突變情況，導(dǎo)致開關(guān)絕緣性變差；文獻(xiàn)[2]使用耦合開關(guān)，將開關(guān)電感和耦合電感組合，使其作為電感發(fā)揮作用，雖然得到了高電壓增益，但是突然受到來(lái)自雷電方面的電磁波干擾，會(huì)導(dǎo)致耦合開關(guān)絕緣性變差；在國(guó)外技術(shù)中，文獻(xiàn)[3]通過(guò)設(shè)計(jì)的探頭以及電阻性和通用分壓器(RD和MRCD)對(duì)9 kV SA的剩余電壓進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，該文章主要通過(guò)分壓的原理，實(shí)現(xiàn)了一二次融合的智能集成開關(guān)的應(yīng)用，但是適用性不好。

實(shí)際配電網(wǎng)的應(yīng)用情況是難以滿足一二次集成開關(guān)的融合，分別采用分開的方式實(shí)現(xiàn)其電氣功能，本研究通過(guò)融合技術(shù)改善了的二次設(shè)備管理的局限性，使高壓開關(guān)設(shè)備在配電網(wǎng)中同時(shí)具有開關(guān)和傳輸功能。通過(guò)設(shè)置智能集成開關(guān)抗電磁干擾功能，保證智能集成開關(guān)在享有保護(hù)、控制、測(cè)量、檢測(cè)等功能的基礎(chǔ)上，免遭雷擊電磁波干擾影響[4]，實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備與一次設(shè)備的優(yōu)化集成，保證了智能集成開關(guān)的絕緣性。

2 智能集成開關(guān)一二次融合方案

對(duì)于智能集成開關(guān)一二次融合方案設(shè)計(jì)，流程如圖1所示。

圖1 智能集成開關(guān)一二次融合流程

結(jié)合圖1，對(duì)智能集成開關(guān)一二次融合的問(wèn)題進(jìn)行描述，解決雷擊電磁波干擾影響的問(wèn)題，融合方案的實(shí)施方法如下所示。

首先將集成分為兩個(gè)部分，分別是設(shè)備集成和功能集成，在功能集成階段，主要針對(duì)開關(guān)清單上的第一和第二匹配裝置，設(shè)備集成階段主要是設(shè)備級(jí)的集成，真正完成設(shè)備級(jí)在設(shè)備層的深度合并[5-6]。該步驟通過(guò)維護(hù)列開關(guān)，提高操作可靠性。

在功能性集成階段的對(duì)列開關(guān)上，主要依據(jù)列的主、次結(jié)構(gòu)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置需求實(shí)現(xiàn)全景裝調(diào)感知功能，經(jīng)過(guò)一次或兩次感知功能匹配后，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效操作[7-8]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集成設(shè)備可操作性分析。

智能集成開關(guān)主結(jié)構(gòu)是一次融合主要部分，該部分包含開關(guān)主線路，將直接參與配電網(wǎng)上的設(shè)備與開關(guān)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)配、使用等功能。FTU智能控制器上的開關(guān)列是一次融合與控制部分，通過(guò)設(shè)計(jì)一次融合開關(guān)體的保護(hù)、測(cè)量、控制、測(cè)量功能，可按照一定邏輯關(guān)系相互連接[9]。FTU為饋線自動(dòng)化終端，屬于自動(dòng)化系統(tǒng)與一次融合設(shè)備連接的接口，主要用于柱上開關(guān)主結(jié)構(gòu)的監(jiān)視和控制，與柱上開關(guān)通信，提供配電系統(tǒng)運(yùn)行控制所需數(shù)據(jù)，執(zhí)行主站給出的控制調(diào)節(jié)指令，以實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)與控制功能。

二次融合部分是將柱上開關(guān)的智能控制單元直接連接到監(jiān)測(cè)模塊上，該模塊包括開關(guān)主電路，可直接參與電能的制造、輸送。整合式智能柱式開關(guān)體內(nèi)裝有各種傳感器，將不同傳感器通過(guò)信號(hào)線與次結(jié)構(gòu)直接連接，由此實(shí)現(xiàn)二次融合，并監(jiān)測(cè)開關(guān)本體和配電網(wǎng)線路的運(yùn)行狀態(tài)。二次融合部分使用的是標(biāo)準(zhǔn)航空插頭連接，能夠保證智能控制器與開關(guān)本體之間連接的可靠性，規(guī)范信息交互，實(shí)現(xiàn)單設(shè)備全景監(jiān)控[10]。從圖2可以看出智能集成開關(guān)主、次連接整體結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，為滿足各種感知信息的傳播和擴(kuò)散，選擇了一個(gè)37-coreGX12對(duì)接航空插座，并在主插座上安裝了人體溫度感知開關(guān)，多條線路同時(shí)傳遞信息，保證信息快速傳輸?shù)耐瑫r(shí)保護(hù)工作人員安全[11-12]。使用一個(gè)19芯片的GX12航空插座，一個(gè)6芯電壓航空插座和一個(gè)防開航空插座，除此之外，還可在饋電終端FTU上選擇安裝空插座[13]。其中19芯航空插座用來(lái)傳送能量?jī)?chǔ)存、開合控制，包含負(fù)載開關(guān)狀態(tài)信號(hào)和零序電壓信號(hào)；19芯片的GX12航空插座，一個(gè)6芯電壓航空插座負(fù)責(zé)傳送電壓傳感器及線路上的全部電壓信號(hào)；防開航空插座負(fù)責(zé)傳送相電流和零序電流信號(hào)[14-16]。3個(gè)插座的插頭防護(hù)等級(jí)選擇的IP67等級(jí)，該防護(hù)工藝時(shí)燒結(jié)密封玻璃制作而成，能有效地保證主、次級(jí)接線的可靠性，使電流傳輸過(guò)程更加智能，結(jié)合開關(guān)智能融合方案，實(shí)現(xiàn)集成開關(guān)即插即用功能[17]。

圖2 智能集成開關(guān)主、次連接整體示意圖

3 智能集成開關(guān)絕緣設(shè)計(jì)

根據(jù)智能集成開關(guān)一二次融合方案，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)即插即用功能，電流傳輸更加智能，但與此同時(shí)，對(duì)于通過(guò)配電網(wǎng)集成開關(guān)上的電流過(guò)高問(wèn)題，需要添加絕緣片，增強(qiáng)智能集成開關(guān)絕緣性。外加絕緣材料長(zhǎng)期暴露在空氣中，除了受到機(jī)械、電氣等應(yīng)力之外，還要受電壓升高和雷擊自然因素的影響[18-20]。因此，設(shè)計(jì)智能集成開關(guān)增強(qiáng)絕緣性具有必要性。

10 kV線路還將出現(xiàn)部分容量增加的現(xiàn)象，在輕負(fù)荷或無(wú)負(fù)荷情況下，整條輸電線路都可以視為由電阻、電容和線圈組合而成，如圖3所示。

圖3 輸電電路圖

在圖3所示線路中，工頻電動(dòng)勢(shì)E與各個(gè)阻抗電壓關(guān)系可用式(1)表示

式中，DL表示工頻感抗；CD表示工頻容抗；UK表示電阻；UL表示電容；UC表示電壓相量[21]。一旦線路出現(xiàn)空載狀態(tài)，就可忽略整條線路電阻，此時(shí)工頻容抗值要比感抗值大，串聯(lián)電路阻抗都呈容性，式(1)可簡(jiǎn)化為

工頻電動(dòng)勢(shì)一旦受到線路中容性電流影響，線路中就會(huì)出現(xiàn)壓降現(xiàn)象，此時(shí)容抗電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電源電壓，在該情況下，就會(huì)出現(xiàn)容升現(xiàn)象[22]，該現(xiàn)象的產(chǎn)生勢(shì)必?fù)舸┡潆娋W(wǎng)計(jì)量裝置，因此，設(shè)計(jì)電阻分壓式電壓傳感器，通過(guò)該傳感器將高電壓經(jīng)過(guò)幾條線路進(jìn)行分壓處理，可有效降低電壓，保證裝置不會(huì)被擊穿，增強(qiáng)智能集成開關(guān)裝置的抗擊穿性。

電阻式電壓傳感器原理如圖4所示。如圖4a所示，1R表示高壓臂阻抗值；2R表示低壓臂阻抗值，由此得到的電壓分壓比

圖4 電阻式電壓傳感器原理

如圖4b所示，r1、2r分別表示高壓、低壓臂電阻。高壓臂電阻1r上具有被測(cè)試電壓U1，與U1成正比。為了避免低壓臂上出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象，需要在其兩端分別安裝一個(gè)放電管，該電管放電電壓必須小于允許通過(guò)二次電流電壓的最小值。依據(jù)電阻式電壓傳感器原理，可實(shí)現(xiàn)電壓分壓，保障了智能集成開關(guān)裝置具有良好抗擊穿性。

4 智能集成開關(guān)抗電磁干擾設(shè)計(jì)

添加絕緣片后增強(qiáng)了智能集成開關(guān)絕緣性，使集成開關(guān)具有良好抗擊穿性，為了進(jìn)一步保證配電網(wǎng)應(yīng)用智能集成開關(guān)不會(huì)被雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓干擾，需要對(duì)其進(jìn)行抗電磁干擾設(shè)計(jì)。

如果發(fā)生雷擊現(xiàn)象，電力系統(tǒng)就會(huì)立刻產(chǎn)生一個(gè)過(guò)電壓，該電壓不僅會(huì)影響集成開關(guān)連接狀態(tài)，還會(huì)迅速產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，使得開關(guān)絕緣性較差。為避免雷擊電壓引起的電磁干擾對(duì)智能集成開關(guān)設(shè)備絕緣性的影響，需要計(jì)算比值差和相位差。在式(4)和式(5)中分別給出了計(jì)算方法

式中，α表示電阻式電壓傳感器比差；λn表示傳感器的額定電壓分壓比；Us、Up分別表示二次測(cè)量的電壓結(jié)果值和最初標(biāo)準(zhǔn)電壓值；η表示傳感器相位差值；ηs、ηp分別表示傳感器相位移和標(biāo)準(zhǔn)位移。雷擊沖擊波電壓發(fā)生器將一個(gè)沖擊波施加到斷路器端子上，通過(guò)計(jì)算比值差可確定通過(guò)電阻式電壓傳感器的電壓比值，結(jié)合傳感器相位差值，可確定電磁干擾對(duì)集成開關(guān)造成的影響。FTU內(nèi)部變壓器將其轉(zhuǎn)化成2.5 V特峰值交流信號(hào)，采集芯片采集干擾信號(hào)并將信號(hào)傳送給控制器，進(jìn)而確定干擾位置，在該處增強(qiáng)絕緣性，保障智能集成開關(guān)在配電網(wǎng)中的良好應(yīng)用。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證一二次融合的智能集成開關(guān)在配電網(wǎng)上應(yīng)用的研究與分析可靠性，需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.1 絕緣試驗(yàn)

將工頻耐壓和沖擊耐壓作為驗(yàn)證智能集成開關(guān)絕緣性能是否達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，具體試驗(yàn)內(nèi)容如下所示。

5.1.1 工頻耐壓試驗(yàn)

采用工頻耐壓試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)智能1號(hào)和2號(hào)開關(guān)進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)。工頻耐壓電路連接圖如圖5所示。

圖5 工頻耐壓試驗(yàn)基本連線圖

圖5中AV表示工頻耐壓調(diào)壓器；TO表示被測(cè)試開關(guān)；PV1表示在調(diào)壓器影響下的低壓電壓表；PV2表示球形電極影響下的高壓電壓表；R1、R2分別表示工頻耐壓整條線路下的保護(hù)電阻和球形電極下的保護(hù)電阻；F表示球形電極；T表示繞組。

對(duì)l0 kV高壓開關(guān)設(shè)備相對(duì)、相間工頻耐受電壓的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為42 kV，對(duì)于工頻耐壓的驗(yàn)證，首先要有一個(gè)足夠低的值，在樣品上施加一個(gè)電壓，然后慢慢提高到42 kV。整個(gè)測(cè)試過(guò)程持續(xù)1 min，如果開關(guān)未出現(xiàn)破壞性放電情況，還可通過(guò)發(fā)生聲音、氣體分解和電壓表指針劇烈擺動(dòng)等異常現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明，以滿足工頻耐受測(cè)試要求。

分別使用磁集成開關(guān)、耦合開關(guān)、硅基二氧化硅結(jié)構(gòu)全光開關(guān)和一、二次融合智能集成開關(guān)，研究配電網(wǎng)工頻耐壓效果，結(jié)果如表1所示。

表1 四種開關(guān)配電網(wǎng)工頻耐壓效果

工頻耐壓試驗(yàn)的測(cè)試電壓較高，一旦其他設(shè)備未出現(xiàn)擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象，就說(shuō)明設(shè)備有很大的安全余量。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，未出現(xiàn)擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象，說(shuō)明一二次融合的智能集成開關(guān)絕緣性較好。

5.1.2 沖擊耐壓試驗(yàn)

為有效研究電力設(shè)備在雷電過(guò)電壓和運(yùn)行過(guò)電壓下的絕緣特性，使用脈沖電壓發(fā)生器產(chǎn)生雷電沖擊壓，其接線原理圖如圖6所示。

圖6 沖擊耐壓試驗(yàn)基本接線

圖6中Rb、Rf、Rt分別表示限流電阻、波頭電阻和波尾電阻；D表示指示燈；G表示球隙；C0為主電容，Cf為波頭電容。

再次使用磁集成開關(guān)、耦合開關(guān)、硅基二氧化硅結(jié)構(gòu)全光開關(guān)和一、二次融合智能集成開關(guān)，研究配電網(wǎng)沖擊耐壓效果，結(jié)果如表2所示。

表2 四種開關(guān)配電網(wǎng)沖擊耐壓效果

根據(jù)電壓波動(dòng)幅度，對(duì)試品持續(xù)增加耐壓次數(shù)。若試樣自保絕緣部分在試驗(yàn)期間未出現(xiàn)破壞性放電行為，則證實(shí)擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)。

5.2 絕緣強(qiáng)度對(duì)比實(shí)現(xiàn)

在控制單元的工作狀態(tài)下，信號(hào)采集終端將產(chǎn)生一個(gè)1 μs周期，振幅約1 kV的干擾電壓。絕緣強(qiáng)度用平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度表示，測(cè)試指標(biāo)如下所示

式中，F(xiàn)表示擊穿電場(chǎng)對(duì)試探電荷作用力；q表示試探電荷量。E值越大，說(shuō)明平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度越大，絕緣強(qiáng)度就越大。基于此，分別使用磁集成開關(guān)、耦合開關(guān)、硅基二氧化硅結(jié)構(gòu)和一二次融合的智能集成開關(guān)，對(duì)開關(guān)絕緣強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同開關(guān)絕緣強(qiáng)度對(duì)比分析

由圖7可知，隨著測(cè)試次數(shù)增加，平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨之變大。使用磁集成開關(guān)在測(cè)試次數(shù)為6次時(shí)，平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大為4.4 V/m；使用耦合開關(guān)在測(cè)試次數(shù)為3次時(shí)，平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大為4.3 V/m；使用硅基二氧化硅結(jié)構(gòu)在測(cè)試次數(shù)為6次時(shí)，平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大為4.7 V/m，與實(shí)際值相差較大。

使用一二次融合的智能集成開關(guān)在測(cè)試次數(shù)為6次時(shí)，平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大為5.8 V/m，與實(shí)際值的第6次測(cè)試結(jié)果一致。在2～5次測(cè)試過(guò)程中，使用一二次融合的智能集成開關(guān)測(cè)試結(jié)果與實(shí)際值存在誤差，最大為0.05 V/m。

通過(guò)上述分析結(jié)果可知，使用一二次融合的智能集成開關(guān)平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大，且與實(shí)際值基本一致，由此也說(shuō)明開關(guān)絕緣強(qiáng)度較強(qiáng)。

6 結(jié)論

當(dāng)電力線路出現(xiàn)故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置能夠切斷電源，扮演保護(hù)線路的角色。對(duì)于傳統(tǒng)集成開關(guān)存在的不足，提出了一二次融合的智能集成開關(guān)在配電網(wǎng)上應(yīng)用研究，由試驗(yàn)結(jié)果可得出如下結(jié)論。

(1) 在工頻耐壓、沖擊耐壓試驗(yàn)下，電路中未出現(xiàn)擊穿、閃絡(luò)等破壞性放電現(xiàn)象。

(2) 使用一二次融合的智能集成開關(guān)，平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大為5.8 V/m，與實(shí)際值的第6次測(cè)試結(jié)果一致。雖然在測(cè)試過(guò)程中有偏差，但偏差最大為0.05 V/m，不會(huì)對(duì)開關(guān)造成影響。

由此可知，使用該開關(guān)具有良好絕緣性，簡(jiǎn)化了開關(guān)路線鋪設(shè)復(fù)雜度。雖然使用該開關(guān)具有較高絕緣強(qiáng)度，但缺少突發(fā)故障狀態(tài)下的開關(guān)控制研究。因此，在今后研究中，將此作為重點(diǎn)研究對(duì)象，分析在不同故障情況下使用一二次融合智能集成開關(guān)的效果，使配電網(wǎng)應(yīng)用更加具有可靠性。