12kV 配電柱上開關(guān)一二次融合關(guān)鍵技術(shù)之交流傳感器實踐

陳瑩，于杰

（江蘇靖江互感器股份有限公司，江蘇 靖江 214516）

在正常負荷狀態(tài)下，可以利用集成開關(guān)關(guān)閉或者切斷電源，這也是集成開關(guān)的主要應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的設(shè)備開關(guān)智能化水平比較低，無法滿足配電網(wǎng)的實際需求。電力行業(yè)專家通過智能開關(guān)裝置設(shè)計工作，可以對開關(guān)的計量、保護、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苓M行集成，提高開關(guān)的使用性能。目前，在集成開關(guān)研究過程自動化水平比較高，并且絕緣性能比較差，導(dǎo)致設(shè)備的安全受到影響，會導(dǎo)致大量金屬資源被消耗，大規(guī)模設(shè)備的使用經(jīng)濟性相對較差，不利于其長遠發(fā)展。

1 配電柱開關(guān)一二次融合的優(yōu)勢

配電柱開關(guān)一二次智能融合是將電力系統(tǒng)中一次柱上開關(guān)與二次設(shè)備智能單元、傳感單元、二次附件進行融合，在滿足傳統(tǒng)開關(guān)對電能控制、保護、測量的基本功能外，還具備信息傳遞、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)全面感知、故障預(yù)警等能力，提升配電設(shè)備的運行狀態(tài)管理水平及智能化水平。

二次設(shè)備作為自動化成套設(shè)備中的核心部件，內(nèi)部電子控制器主要是一個新的部件，這一部件可以直接完成中央系統(tǒng)開關(guān)柜多功能控制和智能化控制。根據(jù)該裝置的信息技術(shù)對傳統(tǒng)裝備進行智能化升級，完成升級的終端設(shè)備。除了可以發(fā)揮工業(yè)自動化技術(shù)的優(yōu)勢外，還可以利用嵌入式智能控制單元以及多個新增元器件提高開關(guān)設(shè)備的整體電器性能，為智能電網(wǎng)提供最基礎(chǔ)的功能支撐。

2 12kV 配電柱上開關(guān)一二次融合關(guān)鍵技術(shù)

2.1 故障隔離與自愈技術(shù)

在該技術(shù)應(yīng)用過程中，需要以遍歷算法為基礎(chǔ)對配電網(wǎng)供電拓撲圖形化進行智能化識別。該技術(shù)的應(yīng)用，具有較高的可視化水平和擴展性，除了輻射型網(wǎng)絡(luò)、花瓣型網(wǎng)絡(luò)和電視雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)等拓撲結(jié)構(gòu)之外。多T 節(jié)、多電源、多聯(lián)絡(luò)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲也可以具有自適應(yīng)性區(qū)域性終端，可以與區(qū)域內(nèi)的所有單元性配電終端信息進行交互，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲和收集的具體故障信息對非故障段的恢復(fù)策略進行科學判斷。單元性終端在應(yīng)用過程中可以對對應(yīng)開關(guān)的信息進行采集，并完成故障定位和故障隔離，將報文信息上傳到區(qū)域性終端接收區(qū)域性終端的控制命令后，可以自愈分合閘策略。

2.2 單穩(wěn)態(tài)分相直控技術(shù)

永磁機構(gòu)為縱向?qū)ΨQ前后布置、三相為獨立結(jié)構(gòu)，并且沒有設(shè)計比較復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)，可以完全進行直線運動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)的使用壽命為10 萬次，能夠省去分閘線圈、儲能電機、機械鎖扣連桿等零件，操作機構(gòu)比較簡單，壽命也比較長，具有較高的可靠性。

利用雙斷口磁路結(jié)構(gòu)，反應(yīng)速度比較快，分閘時間在15ms 以下，合閘時間在25ms 以下.在合閘電流相同的情況下，合閘保持力比較大，尺寸也比較小，功耗相對較低，可以使在每相機構(gòu)獨立安裝。驅(qū)動模塊在設(shè)計過程中利用IGBT 控制技術(shù)進行設(shè)計，具有較強的驅(qū)動能力。在發(fā)揮作用時，可以指示故障原因及時清除故障，還帶有防抖處理功能，能夠避免因為干擾導(dǎo)致誤動，具有較強的可靠性。

3 交流傳感器研究概況

3.1 交流傳感器的原理

長期以來，柱上開關(guān)可以借助電磁式電壓/電流互感器實現(xiàn)信號測量以及保護工作。在數(shù)字化微處理器發(fā)展和應(yīng)用中，數(shù)字保護裝置、電網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展速度加快，并且輸出值需要的數(shù)伏比較小，可以輸出極小功率。因此，需要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整，使其與參數(shù)采集要求相符合。在這一背景下，需要加強交流傳感器研究工作。

交流傳感器包括電壓傳感器、電流傳感器兩種：

（1）電壓傳感器。在運行中可以完成交流電壓測量，通過電壓傳感器作為傳感元件，借助電壓傳感器可以對被測電壓進行控制，使其降到能夠利用的低電壓狀態(tài)，之后借助電路對其進行轉(zhuǎn)換，使其成為與被測電壓呈線性關(guān)系的直流電壓，然后將測量的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)。現(xiàn)階段，在電壓傳感器應(yīng)用中，一般是以阻抗分壓為主的，比較常見的為電阻和電容兩種。電阻電壓傳感器的耐壓時熱量較大，傳輸電纜需定制，應(yīng)用較少。電容分壓在應(yīng)用中還需要考慮一次電容失效問題，二次回路可能與高壓串接，導(dǎo)致FTU 被燒毀，從一二次隔離角度出發(fā)考慮，最好選擇CVT 型三相電壓傳感器。

（2）電流傳感器。電流傳感器在應(yīng)用中需要借助LPCT 線圈進行安裝。零序電流可以利用相電流硬件合成方案，二次輸出值為電壓信號。LPCT 線性范圍大，發(fā)熱量小，能夠通過一個繞組滿足計量、測量、保護精度要求，二次也不需要進行防開路處理。

3.2 交流傳感器安裝集成方式

交流傳感器在柱上開關(guān)中的應(yīng)用類型包括三相共箱式和三相支柱式兩類。在安裝中的集成方式分為兩個階段：

第一階段，在交流傳感器安裝過程中，主要在柱上開關(guān)進行安裝集成?？梢酝ㄟ^常規(guī)電磁互感器與一次本體進行結(jié)合應(yīng)用。通過標準化航空插接頭與終端設(shè)備完成測量工作，對信息交互情況可以進行控制。

第二階段，將傳感器與開關(guān)本體進行一體化設(shè)計，實現(xiàn)本體澆注式集成。在這一安裝集成中，需要注意與一次設(shè)備標準化工作同時進行設(shè)計，可以將一次本體、傳感器與二次終端設(shè)備進行融合，進而實現(xiàn)“可靠性、小型化、平臺化、通用性、經(jīng)濟性”目標。

在整體安裝應(yīng)用中，主要在柱上開關(guān)上集成交流傳感與本體設(shè)備，可以通過1 組電子式電壓傳感器提供Ua、Ub、Uc、U0（測量、計量）電壓信號和零序電壓信號；另外一組電子式電流傳感器能夠提供Ia、Ib、Ic、I0（保護、測量、計量）電流信號。

4 一二次融合智能配電開關(guān)配套的傳感器實踐

4.1 設(shè)計方案

在對一二次融合智能配電開關(guān)配套傳感器進行設(shè)計的過程中，需要完成智能集成開關(guān)一二次融合方案設(shè)計工作。在智能集成開關(guān)一二次融合問題分析中，可以解決雷擊電磁波干擾產(chǎn)生的影響。具體方案如下：（1）對集成部分進行劃分，分別為設(shè)備集成和功能集成。其中功能集成需要分析開關(guān)清單上的第一與第二匹配裝置。而開展設(shè)備集成設(shè)計時，需要對設(shè)備級集成進行分析，使設(shè)備級在設(shè)備層能夠?qū)崿F(xiàn)深度融合。也可以借助列開關(guān)維護作業(yè)，確保后續(xù)操作的可行性。（2）功能性集成設(shè)計也是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過成隊列開關(guān)設(shè)計，可以按照列的主次結(jié)構(gòu)借助標準化設(shè)置需求實現(xiàn)感知功能設(shè)計。之后利用一次或者二次感知功能匹配，能夠保證設(shè)備操作的可靠性。

4.2 主結(jié)構(gòu)設(shè)計

主要包括融合型智能傳感器及開關(guān)主線路設(shè)計兩部分。

（1）融合型智能傳感器設(shè)計。融合型智能開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括電壓傳感器、電流傳感器線圈、小型化滅弧室、取能高壓電容等。在運行中，元器件會產(chǎn)生電磁場，元器件之間出現(xiàn)干擾。需要對這些干擾進行控制。目前，器件一體化集成APG 澆注工藝在應(yīng)用中優(yōu)勢比較突出，可以借助帶壓力的環(huán)氧樹脂引入密閉的模具內(nèi)進行整體澆注，從注料到脫模這一過程中，注射口需要確保對模腔有一定壓力，需要促使模腔收縮補償，這樣可以確保制件尺寸精度以及機械性能和電氣性能滿足設(shè)計要求。

（2）開關(guān)主線路設(shè)計。該線路可以與配電網(wǎng)的設(shè)備與開關(guān)連接后，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸調(diào)配、使用等各項功能。智能控制器的開關(guān)作為一次融合和控制部分，可以通過一次融合開關(guān)體設(shè)計，對開關(guān)體進行保護、測量、控制，并且能夠根據(jù)邏輯關(guān)系進行連接。在智能控制器應(yīng)用過程中，F(xiàn)TU 作為饋線自動化終端，本身屬于自動化系統(tǒng)與一次融合設(shè)備連接的主要接口，在配電柱上開關(guān)主結(jié)構(gòu)監(jiān)控過程中發(fā)揮作用，并與配電柱上開關(guān)進行通信。這種設(shè)計方便獲取配電系統(tǒng)在運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)主站的指令執(zhí)行任務(wù)，從而實現(xiàn)饋線自動化監(jiān)測和控制需求。

4.3 二次融合部分設(shè)計

二次融合部分需要將配電柱上的開關(guān)智能控制單元與監(jiān)測模塊進行連接。這一模塊包含開關(guān)主電路，會直接參與電能的制造和輸送過程。在配電柱上開關(guān)一二次融合技術(shù)設(shè)計過程中，可以連接不同傳感器利用信號線和次結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)二次融合。之后需要監(jiān)測開關(guān)本體與配電線路的具體運行狀態(tài)。針對二次融合部分進行設(shè)計時，可以通過標準航空插頭連接，滿足控制智能控制器、開關(guān)本體之間的穩(wěn)定性要求，確保信息交互的規(guī)范性，使單設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)全景監(jiān)控。

在本次設(shè)計過程中，集成開關(guān)的主次連接整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 集成開關(guān)主次結(jié)構(gòu)連接圖

為了確?？梢詫π畔鞑ズ蛿U散需求進行有效感知，在設(shè)計過程中，需要對37-coreGX12 對接航空插座進行應(yīng)用。并將插座與人體溫度感知開關(guān)進行連接，能夠在多條線路上應(yīng)用。除此之外，也可以保證信息傳輸效率，對保護工作人員人身安全也有一定作用。

在配電終端設(shè)計空插座。通過19 芯航空插座實現(xiàn)能量儲存、開合控制，能夠及時收集負載開關(guān)狀態(tài)信號和連續(xù)電壓信號。6 芯航空插座的主要功能是實現(xiàn)電壓傳感器和線路上的所有電壓信號傳遞。防開航空插座可以對相電流和零序電流信號進行傳遞。在開展防護設(shè)計過程中，防護工藝能夠確保主接線和次接線具有可靠性，提高電流傳輸?shù)闹悄芑⒏鶕?jù)開關(guān)智能化融合方案確保集成開關(guān)能夠根據(jù)實際需求進行應(yīng)用。

5 配電柱開關(guān)一二次融合中交流電傳感器檢測要點

一二次設(shè)備融合是將一二次設(shè)備一體化設(shè)計成一個整體，很多二次元器件難以承受強電場、強磁場及高溫、高熱、高濕等的運行工況，這些工況在一定程度上會急劇加速二次元器件的老化；另外，很多二次元器件本身是電力電子元件，其固有的運行周期遠遠低于一次設(shè)備的壽命。因此，需加強對配電柱開關(guān)一二次融合中的交流電傳感器在-40 ～70℃全溫度范圍內(nèi)誤差滿足設(shè)備入網(wǎng)要求。

5.1 溫度運行變差試驗

在實際檢測過程中，需要通過溫控箱完成環(huán)境模擬，在模擬的環(huán)境中完成一二次融合設(shè)備檢測工作。在檢測時，將被測的傳感器和饋線終端放置在箱體內(nèi)。標準傳感器與被測傳感器電壓波形都需要上傳到傳感器測試儀中進行分析，獲取比差和相差。標準電壓傳感器要高于被測傳感器兩個等級，才能忽略標準傳感器產(chǎn)生的誤差。如果標準傳感器與被測或感器相比高出一個等級，在分析試驗結(jié)果時，需要加上標準傳感器的誤差。

在低溫試驗過程中，需要根據(jù)我國電工電子環(huán)境試驗低溫試驗方法中的相關(guān)要求將配電終端在未通電狀態(tài)下放入低溫試驗箱，表面和內(nèi)壁距離在150mm 以上。低溫箱的溫度變化速率不能超過每分鐘1℃，降溫到最低溫度-40℃保持6 小時后對傳感器的準確度進行檢測。之后溫度恢復(fù)到20±5℃，至少放置6 小時，在一次電壓下完成準確度檢測，保證誤差在允許范圍內(nèi)。

在高溫試驗過程中，需要將未通電的配電終端放入高溫試驗箱內(nèi)，表面和內(nèi)壁的距離必須在150mm 以上，高溫箱內(nèi)的溫度變化也不能超過1℃/min，升溫到最高溫度+70℃保持6h 后，對傳感器的準確度進行檢測。之后，降溫恢復(fù)到20±5℃保持6h 測試傳感器的準確度。在試驗過程中，所有數(shù)據(jù)都需要符合相關(guān)規(guī)定。

5.2 測試結(jié)果分析

完成試驗分析后，可以確定，在開關(guān)一二次融合設(shè)備中對交流傳感器進行應(yīng)用時，可以以功能檢測方案和運行環(huán)境為基礎(chǔ)制定一體化檢測方案，對開關(guān)一二次融合的實際效果進行全面分析。在本次研究過程中，被測一體化設(shè)備能夠滿足配電柱上開關(guān)一二次融合的實際需求，符合入網(wǎng)標準。

6 結(jié)語

為了確保開關(guān)一二次融合后的使用性能，需要加強智能化技術(shù)在開關(guān)設(shè)計過程中的有效應(yīng)用。在本次研究過程中，對開關(guān)路線鋪設(shè)進行簡化，提高了開關(guān)的整體控制水平。與此同時，利用智能交流傳感器進行設(shè)計，可以對開關(guān)在運行過程中的實際應(yīng)用效果進行全面檢測，對保證配電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性有重要作用。