饋線自動化終端FTU電源管理裝置的研制

摘要：隨著當前對配電網供電可靠性提升的要求越來越高，自動化設備的建設應用成為配電網發(fā)展的必然方向，然而老城區(qū)中電力通道資源有限，在10 kV架空線路上安裝、更換含饋線自動化終端（FTU）的柱上開關常常因桿上空間不足無法實施，為此提出一種FTU電源管理裝置，能有效減少柱開開關安裝、更換所需空間，為老城區(qū)的配電網自動化設備建設應用和運維提供了一種典型的解決方案。

關鍵詞：配電自動化;供電可靠性;城市配電網

中圖分類號：TM764 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0005-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.002

0 引言

電網系統(tǒng)中，超過85%的故障停電是由配電網故障引起的[1]，根據2024年3月國家能源局發(fā)布的《關于新形勢下配電網高質量發(fā)展的指導意見》（發(fā)改能源〔2024〕187號），配電網作為重要的公共基礎設施，其供電可靠性關乎電力可靠供應、經濟社會發(fā)展和服務改善民生。而配電自動化設備能夠實現(xiàn)對配電網的實時監(jiān)控和遠程操作[2]，對配電網供電可靠性的提升起到至關重要的作用。城區(qū)配電網，特別是老城區(qū)，10 kV線路多以架空線為主，更換、新裝含饋線自動化終端（FTU）的柱上開關是提升老城區(qū)配電自動化覆蓋率最直接有效的方案。

1 當前FTU取電模式

目前，成套一二次融合配電自動化柱上開關進行安裝時，其饋線自動化終端（FTU）通常采取的取電方法為安裝戶外型電壓互感器（PT），由電壓互感器的二次回路為FTU控制箱供電，如圖1和圖2所示。

當前的FTU控制箱取電模式下，由于需要安裝PT和配套的隔離跌落式熔斷器，柱開安裝時需要保證3 m左右的垂直空間，而老城區(qū)大量存在高低壓同桿架設的情況，桿上縱向空間不足，有的桿塔縱向空間甚至不足2 m。同時，桿塔下方通信線、公安監(jiān)控探頭、交通標示牌等物侵占下方空間。經過設計測算，常規(guī)柱開安裝方式，柱開、熔斷器、PT自上到下依次排列，整體所占縱向空間約2.85 m。這樣會造成老城區(qū)不滿足空間條件的電桿無法安裝一二次融合柱開，制約了老城區(qū)供電可靠性的提升，發(fā)生電力故障無法通過自動研判和遠程投切迅速隔離故障點，造成額外的電量損失，無法滿足人民日益增長的用電需求。

根據實際要求，需要通過一種能不依賴PT取電的FTU控制箱，來降低一二次融合柱開的安裝門檻，提升線路的自動化水平。

表1為合肥市廬陽區(qū)10 kV線路實現(xiàn)配自全覆蓋所需新裝、更換配自柱開情況，因PT空間不足造成一二次融合柱開無法新增或者更換，占總數的71.12%;全量實現(xiàn)此類柱開安裝更換，可以使配自柱開覆蓋率超過80%，為實現(xiàn)配網線路配自全覆蓋，乃至全自愈打下堅實的基礎。

梳理配自柱開FTU繼電保護功能，目前常用動作類型及關聯(lián)的電氣值如表2所示?？梢?，按照目前配網常用保護配置，PT的主要使用功能是作為各類自動化設備的電源，因此取消PT的核心對策即采用新電源進行替換。

除了新裝配自柱開縱向空間不足，部分存量老舊柱開還存在PT故障消缺難的問題。根據Q/GDW 10799.8—2023《國家電網有限公司電力安全工作規(guī)程 第8部分：配電部分》第11.3.3條規(guī)定“帶電斷、接空載線路前，應確認后端所有斷路器（開關）、隔離開關（刀閘）已斷開，變壓器、電壓互感器已退出運行”，未安裝跌落式熔斷器等開關的PT無法退出運行，不能通過帶電作業(yè)隔離PT，一旦此柱開PT故障，消缺工作難以開展，導致部分FTU長期失電掉線。故可嘗試取消PT及跌落式熔斷器，從而有效縮短配自柱開的垂直安裝距離，降低安裝門檻。

2 PT功能置換

結合空間受限的電桿均存在同桿220 V市電線路的情況，制定將PT功能置換的思路，即改造現(xiàn)用的配自柱開控制箱，加裝降壓模塊，將控制電源和操作電源改接至同桿的市電線路。

傳統(tǒng)配自柱開FTU取電如圖3所示，柱開PT提供兩路電壓，其中220 V作為控制器電源，100 V作為測量電壓，如果從下盤低壓線路取220 V電源并加裝220 V轉100 V的變壓器取代柱開PT，僅安裝柱開本體部分，桿上縱向空間僅需1.35 m，可以節(jié)省桿上空間0.7 m，滿足老城區(qū)柱開安裝條件。因此，可以制作含變壓器的FTU電源管理裝置，從柱開兩側變壓器臺區(qū)低壓電源取電，經空開、保險和變壓器后，向柱開控制器提供兩路220 V和兩路100 V電壓，實現(xiàn)雙PT的功能。

FTU電源管理裝置的原理為將兩路低壓電源接入饋線測控終端FTU電源管理裝置，通過預留電源接入點，經過開關和保險，通過變壓器變換輸出電壓等級，再通過輸出接口向柱開控制器提供兩路220 V和兩路100 V電壓，實現(xiàn)雙PT的功能，其原理示意圖如圖4所示。

3 FTU電源管理裝置的設計

FTU電源管理裝置主要包含變壓器、電源開關、保險、電源輸出接口及箱體外殼等，對比各項設備功能需求，最終選定使用自耦變壓器、空氣開關、熔斷型保險絲、航空插頭及不銹鋼殼體，具體如下。

3.1 箱體材質的選擇

箱體材質應滿足：1）裝置安裝在戶外桿塔，結實耐用;2）箱體尺寸合適，確保元器件安裝空間充裕;3）可以可靠接地，保證安全。對比不銹鋼和ABS工程塑料材質，不銹鋼制作箱體強度高、使用壽命長，可以可靠接地，成本相比ABS工程塑料只高約10%，故使用不銹鋼制作箱體。

3.2 電源開關的選擇

電源開關應滿足：1）可以可靠斷開電源電路;2）使用壽命長。對比旋鈕開關和空氣開關，因空氣開關可以可靠斷開電源電路、分合閘指示明顯、使用壽命長，故使用空氣開關作為開斷電源的開關。

3.3 保險絲的選擇

保險絲在整個裝置出現(xiàn)短路等異常時能可靠切斷電源，對比熔斷型保險絲和自恢復型保險絲，因熔斷型保險絲敏感性更高，響應速度更快，安全性更高，故使用熔斷型保險絲作為隔離故障的保險絲。

3.4 變壓器的選擇

裝置中變壓器的作用是將220 V交流電轉化為100 V交流電用作測量電壓，對比直插式轉換器和自耦變壓器，因自耦變壓器成本較低、散熱能力強且接線簡單，更適合24 h不間斷運行的柱開FTU使用，故使用自耦變壓器作為電壓轉換的變壓器。

3.5 電壓輸出接口的選擇

電壓輸出接口要求安全可靠地實現(xiàn)電壓輸出，與目前廣泛使用的FTU電源標準接口相匹配，安裝時不需要變更FTU接線。對比端子排直接接線輸出方式和航空插頭輸出方式，因使用統(tǒng)一規(guī)范的航空插頭連接可靠性高，密封性好且現(xiàn)場安裝簡單，不存在誤接線的風險，且與目前廣泛使用的FTU電源接口相匹配，故使用統(tǒng)一規(guī)范的航空插頭輸出。

組裝完成后的FTU電源管理裝置實物如圖5所示。

4 FTU電源管理裝置運行效果實測

以合肥市廬陽區(qū)一臺新裝柱開和一臺存量柱開為例，測試研制的FTU電源管理裝置的運行效果。

4.1 新裝#71柱開

#71柱開為2023年4月27日柱開改造項目更換的柱開，因桿上空間不足，僅安裝了柱開本體，導致FTU長期離線，從附近配變取電，安裝FTU電源管理裝置后，重新給#71柱開FTU供電，于2024年1月2日重新調試上線，圖6為查詢配自主站D5200系統(tǒng)驗證的截圖，目前#71柱開運行正常，未發(fā)生退出現(xiàn)象。

4.2 存量#2505柱開

#2505柱開為2016年投運配自柱開，因PT故障導致FTU一直離線，且#2505柱開后端為單電源支線，停電消缺難度大。安裝FTU電源管理裝置后，從后端配變取電接入電源箱，然后接入FTU，于2024年1月4日重新聯(lián)調上線，圖7為查詢配自主站D5200系統(tǒng)驗證的截圖，目前#2505柱開運行正常，未發(fā)生退出現(xiàn)象。

5 結論

饋線自動化終端FTU電源管理裝置的研制，可以有效解決10 kV架空線桿上縱向空間不足及PT故障無法帶電消缺的問題，有效幫助增加老城區(qū)配自設備覆蓋率，減少老城區(qū)停電時間，并且填補了當前行業(yè)內無法在桿上縱向空間不足時安裝配自柱開的空白。同時該成果研究的技術不僅局限于柱開更換工作中，還可用于解決其他桿上柱開PT故障難以帶電消缺的問題，為存量老舊配自柱開消缺提供一種安全可靠的解決方案。經長期實測觀察，此裝置能夠可靠運行，但可能存在以下幾點待提升的地方：

1）高壓功率采集不準確。外加變壓器箱輸出的100 V測量電壓，受取電變壓器高低壓繞組相角差影響，會導致高壓功率采集不準確。

2）電纜和架空線連接處的柱開，僅能取到架空線側的低壓電源，不能實現(xiàn)雙PT雙電源的功能。然而電纜和架空線連接處的柱開多為變電站或是開閉所環(huán)網柜的出口柱開，目前其FTU繼電保護功能僅投告警信號，不投跳閘功能，F(xiàn)TU單電源供電不影響配電自動化功能。

3）柱開控制器常年運行，影響低壓臺區(qū)線損。經測算，控制器普通運行情況下功率約為30 W，柱開彈簧儲能時功率較大，達到100 W以上，略微增加臺區(qū)線損，但與原安裝PT方案相比，因原PT功率較大，總體線損是降低的。

[參考文獻]

[1] 劉健.配電網故障處理研究進展[J].供用電，2015，32（4）：8-15.

[2] 滿博宇，李千葉.配電自動化技術在智能電網中的應用[J].模具制造，2023，23（9）：229-231.

收稿日期：2024-05-16

作者簡介：張文杰（1991—），男，安徽宿州人，碩士研究生，工程師，研究方向：配電網運維檢修。