非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置的設計與實現(xiàn)

杜南希， 何 聰

(國網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司，重慶 401147)

伴隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，用電需求不斷攀升。“十四五”電力規(guī)劃強調(diào)著重提升電力保障能力，對電網(wǎng)供電的安全性與可靠性提出更高要求，定期對電力設備開展檢修是降低電網(wǎng)事故發(fā)生概率的重要手段。設備檢修時，接地刀閘的投入能夠?qū)€路進行充分放電，是保障檢修人員生命安全的可靠措施。但若在線路帶電時誤合接地刀閘會產(chǎn)生較大的短路電流，危及人身安全，同時也會引發(fā)大面積停電事故[1]。為防止誤操作事故，接地刀閘等高壓電氣設備都應安裝完善的防誤閉鎖裝置。

戶外常規(guī)接地刀閘通過五防系統(tǒng)的五防主機、五防機械鎖及五防電腦鑰匙實現(xiàn)閉鎖功能，由使用者開票下載到五防電腦鑰匙中打開對應設備的五防機械鎖[2]。機械閉鎖功能的投入和退出主要依賴人為主觀控制，若出現(xiàn)邏輯失效或者誤開，容易導致帶電誤合接地刀閘。而GIS設備中接地刀閘在其電機控制回路中串入輔助節(jié)點，加入電氣閉鎖功能[3]，“電氣+機械”兩種閉鎖邏輯極大提高了防誤閉鎖可靠性。

基于上述分析，戶外常規(guī)接地刀閘防誤閉鎖裝置需增加電氣閉鎖功能，進一步提高防誤閉鎖可靠性。本文利用電場耦合原理，設計、研制一種戶外常規(guī)接地刀閘防誤閉鎖限位裝置，實時采集設備電氣量進行判斷，在線路帶電時限制接地刀閘旋轉(zhuǎn)連桿動作，實現(xiàn)對接地刀閘的電氣閉鎖。

1 設計與實現(xiàn)

1.1 整體設計思路

依據(jù)需求，非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置設計由非接觸式電壓傳感器、閉鎖限位裝置、閉鎖限位附件三部分組成，其中閉鎖限位裝置包含信號處理單元、動力單元、閉鎖限位單元，結(jié)構(gòu)如圖1所示，閉鎖限位附件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 非接觸式電壓傳感器、閉鎖限位裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 閉鎖限位附件結(jié)構(gòu)圖

非接觸式電壓傳感器采集到線路電壓信號后，將電壓信號傳輸至閉鎖限位裝置的信號處理單元，分析處理后輸出控制信號至動力單元，控制閉鎖限位單元動作，實現(xiàn)線路帶電時對接地刀閘的電氣閉鎖。整體工作流程如圖3所示。

圖3 非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置工作流程圖

1.2 非接觸式電壓傳感器的設計與實現(xiàn)

在架空線附近安裝金屬傳感器，其等效電路如圖4所示。依據(jù)電場耦合原理，利用式(1)的等效換算可得金屬傳感器感應電壓值Ve，由此可實現(xiàn)架空線電壓信號的非接觸式采集。

圖4 金屬傳感器等效電路圖

(1)

式中：Vi為架空線對地電壓；Cm為架空線與金屬傳感器間耦合電容；Cs為金屬傳感器對地電容；Rm為接地電阻[4]。

金屬傳感器通過伸縮可調(diào)式支架安裝固定，如圖5所示。按照上述設計思路制作非接觸式電壓傳感器，如圖6所示。

圖5 非接觸式電壓傳感器設計圖

圖6 非接觸式電壓傳感器實物圖

1.3 閉鎖限位裝置的設計與實現(xiàn)

信號處理單元：信號處理單元設計由處理電路、控制電路集成，將輸入的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過放大、濾波、檢波、比較判斷后，一路信號輸出帶電顯示，另一路信號輸出穩(wěn)定控制電壓，控制動力單元動作[5]。將以上功能集成至STM32處理板，總體流程框圖如圖7所示，STM32處理板設計電路如圖8所示。按照上述設計思路制作信號處理單元，即STM32處理板，如圖9所示。

圖7 信號處理單元總體流程框圖

圖8 STM32處理板設計電路圖

圖9 STM32處理板實物圖

動力單元：動力單元設計由直流型電動推桿和直流電機構(gòu)成，直流電壓信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，平穩(wěn)推動推桿伸出、縮回，結(jié)構(gòu)如圖10所示。按照上述設計思路制作動力單元，如圖11所示。

圖10 動力單元結(jié)構(gòu)圖

圖11 動力單元實物圖

閉鎖限位單元：閉鎖限位單元設計由限位連桿和圓形鎖舌構(gòu)成，限位連桿推動圓形鎖舌水平運動，結(jié)構(gòu)如圖12所示。按照上述設計思路制作閉鎖限位單元，如圖13所示。

1.4 閉鎖限位附件設計與實現(xiàn)

綜合考慮各類接地刀閘旋轉(zhuǎn)連桿的尺寸和可調(diào)節(jié)性，設計抱箍式閉鎖限位附件配合實現(xiàn)限位閉鎖，結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照上述設計思路制作閉鎖限位附件，如圖14所示。

圖12 閉鎖限位單元結(jié)構(gòu)圖

圖13 閉鎖限位單元實物圖

圖14 閉鎖限位附件實物圖

1.5 整體組裝

將非接觸式電壓傳感器、閉鎖限位裝置按整體設計思路連接，整體組裝如圖15所示。

圖15 整體組裝實物圖

2 測試及應用

2.1 實驗室測試

在高壓實驗室分別模擬220 kV及110 kV電壓信號，依次將A、B、C三相傳感器安裝在采集范圍的安全距離內(nèi)，裝置通電后，分別測試非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置動作情況，裝置測試連接如圖16所示，測試結(jié)果如表1所示。

圖16 實驗室測試連接圖

表1 非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置實驗室測試動作情況

上述結(jié)果表明，裝置接收到帶電信號時，圓形鎖舌伸出，而在未接收到帶電信號時，圓形鎖舌縮回，裝置均正確動作。

2.2 現(xiàn)場應用

將非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置應用在220 kV巴山變電站220 kV巴九東線、巴九西線、梨巴一線及110 kV巴高南線、巴高北線、巴小北線。非接觸式電壓傳感器裝設如圖17所示，在對應線路側(cè)接地刀閘上裝設閉鎖限位裝置及閉鎖限位附件，如圖18所示。

圖17 非接觸式電壓傳感器裝設示意圖

圖18 閉鎖限位裝置及閉鎖限位附件裝設示意圖

按照以下方法依次檢查非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置動作情況：將裝置電源接入開關場檢修電源箱；線路停電時，將A、B、C三相電壓傳感器移至相鄰帶電線路安全距離下，檢查裝置動作情況；將A、B、C三相電壓傳感器移至已停電線路，檢查裝置動作情況，檢查結(jié)果如表2所示。

表2 非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置現(xiàn)場應用動作情況

應用結(jié)果表明，非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置在線路帶電、不帶電時均能正確動作，能可靠限制接地刀閘旋轉(zhuǎn)連桿動作，實現(xiàn)對接地刀閘的電氣閉鎖。

3 結(jié)論

戶外常規(guī)接地刀閘與刀閘(隔離開關)間僅存在五防閉鎖，若出現(xiàn)五防邏輯失效或誤開，則存在帶電合接地刀閘風險。針對此情況，本文設計、制作了一種適合戶外常規(guī)接地刀閘的非接觸式電信號驅(qū)動的防誤裝置，并將裝置應用在220 kV、110 kV電壓等級的接地刀閘，均滿足其閉鎖要求，能進一步降低帶電誤合接地刀閘事故發(fā)生的可能性，對于保障人身、電網(wǎng)安全有重大意義。