文／大全集團(tuán)有限公司技術(shù)中心 蔡平 岳經(jīng)凱／

1 概述

科技的發(fā)展使社會(huì)對(duì)電力的需求量越來(lái)越大，對(duì)可靠性的要求也越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)電力開(kāi)關(guān)設(shè)備本身也提出了更高的要求，智能化、少維護(hù)、環(huán)保、小型化成為中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器暴露出越來(lái)越多問(wèn)題。而新型的電流互感器、電壓互感器，在中壓配電開(kāi)關(guān)柜與設(shè)備中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電流互感器與電壓互感器，原理上完全可行，其優(yōu)越性十分明顯。

由于用戶對(duì)用電的高可靠性要求，因此對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠性要求也愈來(lái)愈高，且要求轉(zhuǎn)變定期維護(hù)觀念，要轉(zhuǎn)為“按狀態(tài)”維護(hù)，為此，只有依賴于新型非電量傳感器，對(duì)運(yùn)行中開(kāi)關(guān)設(shè)備的各種狀態(tài)（包括環(huán)境）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

微處理機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、光纖技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，這些技術(shù)日臻成熟，開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行遙控、遙測(cè)將成為現(xiàn)實(shí)，使中央檢測(cè)單元很容易獲得現(xiàn)場(chǎng)（開(kāi)關(guān)柜等）情況，也很容易在中央站完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜的測(cè)量、控制，為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電與弱電結(jié)合，開(kāi)發(fā)智能化高壓電器產(chǎn)品、變電站自動(dòng)化提供了可靠技術(shù)基礎(chǔ)，并且提高了高壓電器可靠性及輸配電可靠性。

2 智能開(kāi)關(guān)設(shè)備要求

新一代智能開(kāi)關(guān)設(shè)備，是指具有較高性能的金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，配裝有電子設(shè)備、變送器和執(zhí)行器，不僅具有開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的基本功能，還具有附加功能，尤其在監(jiān)測(cè)和診斷方面。

中華人民共和國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《3.6～40.5kV智能交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》對(duì)中壓智能開(kāi)關(guān)設(shè)備總體要求如下：

1)符合GB 3906-2006要求，并具有高度可靠性。

2)具備數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化、狀態(tài)可視化等主要技術(shù)特征，符合易擴(kuò)展、易升級(jí)、易維護(hù)的工業(yè)化應(yīng)用的要求。

3)支持變電站無(wú)人值班的要求。一次開(kāi)關(guān)元件及可移開(kāi)部件應(yīng)可電氣操動(dòng)，為智能變電站完成順序控制提供可能。

4)具備狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修、預(yù)測(cè)性維修或故障檢修。

5)直接與站控層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字接口符合IEC 62271-3的相關(guān)要求。

6)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及保護(hù)可采用集成裝置，該裝置滿足間隔層功能要求，并滿足全部或部分過(guò)程層IED的功能要求。

3 新一代中壓智能開(kāi)關(guān)設(shè)備

本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，以大全集團(tuán)有限公司研制的 KYN28-12（Z）智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的項(xiàng)目為例，提出KYN28-12（Z）中壓智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的解決方案，見(jiàn)圖1。

智能斷路器包含斷路器本體，保護(hù)測(cè)控裝置、電子式電流傳感器、斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)傳感器、觸臂溫度監(jiān)測(cè)傳感器、監(jiān)測(cè)分合閘電流霍爾傳感器、電動(dòng)底盤車等。

在線監(jiān)測(cè)裝置裝于開(kāi)關(guān)柜儀表箱內(nèi)，傳感器一部分由斷路器通過(guò)二次插頭引入，如機(jī)械特性，分合閘電流監(jiān)測(cè)，但觸臂溫度通過(guò)無(wú)線傳輸，另一部分由開(kāi)關(guān)柜柜體引入，如溫濕度、觸頭盒泄漏點(diǎn)電流，電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)。

人機(jī)界面裝于儀表箱門，包含顯示、操作控制等功能。

3.1 智能斷路器

1) 將電流傳感器、綜合保護(hù)測(cè)控裝置集成到斷路器內(nèi),使單臺(tái)斷路器就可構(gòu)成整個(gè)測(cè)量、保護(hù)、控制單元。一體化斷路器不僅各元件之間的兼容性好、可靠性高，而且大幅度的降低用戶安裝、調(diào)試成本。電流傳感器裝在斷路器下觸臂連接處由羅氏線圈和輕載線圈兩組線圈組成，羅氏線圈用于電流的保護(hù)，輕載線圈用于電流的測(cè)量，額定二次電壓測(cè)量級(jí)為4V，測(cè)量精度：0.2級(jí)，保護(hù)級(jí)為225mV，保護(hù)精度達(dá)5TPE。

保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)置于斷路器智能控制單元，其所需電流信號(hào)來(lái)自羅氏線圈，電壓和零序信號(hào)由開(kāi)關(guān)柜互感器引入，具備速斷、單相接地、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等基本保護(hù)功能。

裝置還具有完善的閉鎖告警功能，能保證在電源中斷、電壓異常、采集單元異常、通信中斷、通訊異常、裝置內(nèi)部異常等情況下不誤動(dòng)作。裝置還需具有故障錄波功能，可保存一段時(shí)間范圍內(nèi)的電流、電壓波形及邏輯開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

2）完善的在線機(jī)械特性監(jiān)測(cè)，分合閘電磁鐵和儲(chǔ)能電機(jī)電流測(cè)量，主回路觸臂溫升測(cè)量，并對(duì)此對(duì)斷路器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，提前發(fā)現(xiàn)可能的故障隱患，確保設(shè)備安全可靠。

(1) 機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)

斷路器觸頭剛分速度對(duì)滅弧性能影響很大,適當(dāng)提高剛分速度對(duì)減少電弧能量、減少零部件的燒損有很大作用，但過(guò)分增大剛分速度不一定能提高滅弧性能，反而會(huì)加重操動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)；同樣斷路器觸頭合閘速度對(duì)滅弧性能也有很大影響。因此，對(duì)斷路器觸頭的位移、速度特性的測(cè)量及在線監(jiān)測(cè)是很重要的。斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)，控制模塊裝在儀表室，分合閘回路、儲(chǔ)能回路接入霍爾穿心互感器，機(jī)械特性直線傳感器連接到機(jī)構(gòu)與絕緣拉桿結(jié)合部?？蓪?shí)現(xiàn)分、合閘線圈電流檢測(cè)、電動(dòng)線圈斷線預(yù)檢測(cè)和分、合閘速度、超行程檢測(cè)等功能，檢測(cè)結(jié)果可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖表曲線顯示。

(2) 開(kāi)關(guān)柜觸頭的溫升是否偏高，是否超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，是否很能夠繼續(xù)使用，我們無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控，現(xiàn)在傳統(tǒng)做法是每年采用紅外測(cè)溫定期檢查維護(hù)成本較高。斷路器動(dòng)觸頭溫度的測(cè)量采用母線取流供電，熱電偶接觸式傳感器測(cè)溫，利用可靠的無(wú)線射頻技術(shù)（Zigbee無(wú)線信號(hào)），無(wú)線信號(hào)傳輸，將安裝于高壓處的測(cè)溫點(diǎn)與接收單元徹底的隔離，實(shí)現(xiàn)一次端溫度的直接測(cè)量，另配合環(huán)境溫度測(cè)量單元，可得到一次溫升數(shù)據(jù)。

3.2 開(kāi)關(guān)柜狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）開(kāi)關(guān)柜溫濕度在線監(jiān)測(cè)

智能型開(kāi)關(guān)柜必須能根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)柜本體的溫度、濕度等相關(guān)參數(shù)。可采用帶有2個(gè)溫度測(cè)量和2個(gè)濕度測(cè)量回路，內(nèi)部裝設(shè)2路濕度傳感器，測(cè)量精度：±3%,2路溫度傳感器，測(cè)量精度：1℃,全面監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜溫濕度變化情況?？刂品绞街饕ㄟ^(guò)控制風(fēng)扇的停轉(zhuǎn)解決開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行時(shí)溫度過(guò)高的問(wèn)題，通過(guò)控制加熱板的啟停解決開(kāi)關(guān)柜濕度過(guò)高的問(wèn)題。

2）泄漏電流在線監(jiān)測(cè)

采用接觸式引流環(huán)提取開(kāi)關(guān)柜關(guān)鍵且絕緣相對(duì)薄弱絕緣件-觸頭盒的泄漏電流信號(hào)，引流環(huán)緊靠隔板，遠(yuǎn)離母線；引流環(huán)選用單芯同軸屏蔽電纜引出，避免產(chǎn)生局部放電，也阻礙了空間電荷的進(jìn)入；通過(guò)穿芯式電流互感器實(shí)現(xiàn)一二次側(cè)高低電位的有效隔離；精確采樣技術(shù)，采樣頻率9kHz，幅值精度12位；傳感器無(wú)需電源供電，獨(dú)立運(yùn)作；六路傳感器采用分布式結(jié)構(gòu)，互不干擾。能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜絕緣件的運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)完成測(cè)量和結(jié)果顯示。絕緣狀態(tài)特性的在線監(jiān)測(cè)原理圖如圖2所示。

圖2 絕緣子泄漏電流監(jiān)測(cè)原理圖

3）高壓帶電顯示及閉鎖：通過(guò)高壓帶電傳感器，實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)帶電顯示及閉鎖功能（如控制電磁鎖閉鎖后下門）；

4）事件記錄和顯示功能，對(duì)斷路器有十次以內(nèi)的分合閘時(shí)間、機(jī)械特性的記錄和總操作次數(shù)記錄。對(duì)斷路器觸頭在線測(cè)溫有超溫時(shí)間和超溫部位的記錄，并且可擴(kuò)展各種需要查閱的事件記錄。

3.3 電動(dòng)操作系統(tǒng)

電動(dòng)操作系統(tǒng)主要包括電動(dòng)底盤車和電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)，在接地開(kāi)關(guān)主軸上安裝電機(jī)和減速齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和電動(dòng)雙操作，電動(dòng)底盤車及控制模塊安裝在斷路器內(nèi)，電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)控制模塊安裝在開(kāi)關(guān)柜儀表室內(nèi)。通過(guò)智能控制單元，可以在人機(jī)界面面板上直接操作電動(dòng)底盤車的前進(jìn)、后退、停止和接地開(kāi)關(guān)的分、合控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的防卡死、防過(guò)流等保護(hù)功能，不僅保證操作人員的人身安全，而且從軟件程序上防止了無(wú)操作的發(fā)生。

3.4 通訊

外部支持IEC61850通訊協(xié)議，內(nèi)部同時(shí)支持Modbus TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議。監(jiān)測(cè)、保護(hù)控制裝置中的數(shù)據(jù)可以通過(guò)以太網(wǎng)（GOOSE）將數(shù)據(jù)送入到遠(yuǎn)方控制端，由遠(yuǎn)端操作人員對(duì)斷路器進(jìn)行控制，也可以通過(guò)以太網(wǎng)或RS485將數(shù)據(jù)送入到人機(jī)界面顯示，同時(shí)人機(jī)界面可以通過(guò)以太網(wǎng)（站控MMS）將波形曲線，故障數(shù)據(jù)等信息上傳到遠(yuǎn)方控制端。斷路器通過(guò)帶通訊端口的增強(qiáng)型航空插頭，實(shí)現(xiàn)與開(kāi)關(guān)柜人機(jī)界面及后臺(tái)的通訊。

3.5 人機(jī)界面

1）指示燈：開(kāi)關(guān)柜帶電顯示，A，B，C三相；手車隔離/工作位置；斷路器分/合閘；接地刀閘分/合閘；斷路器合閘彈簧已儲(chǔ)能/未儲(chǔ)能；柜內(nèi)照明；故障報(bào)警；加熱器加熱/停止；風(fēng)機(jī)啟動(dòng)/停止。

2）通過(guò)功能選擇鍵、上下、左右鍵或翻頁(yè)鍵，顯示以下參數(shù)或數(shù)據(jù)：用圖形動(dòng)態(tài)顯示一次回路的模擬指示；柜內(nèi)溫度/濕度；斷路器六點(diǎn)觸頭溫度；觸頭盒六路泄漏電流；斷路器的機(jī)械特性曲線；斷路器分/合閘記錄，分合閘電流；電動(dòng)底盤車電流，動(dòng)作次數(shù)；電動(dòng)接地開(kāi)關(guān)電流，動(dòng)作次數(shù)等。

3）操控

斷路器分、合閘：分合閘回路引入控制器，保護(hù)跳閘由斷路器自身完成，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器本地和遠(yuǎn)程分、合閘操作。

手車電動(dòng)進(jìn)出、接地開(kāi)關(guān)分合：控制底盤車、接地開(kāi)關(guān)電機(jī)以及閉鎖引入控制器，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)底盤車、接地開(kāi)關(guān)本地和遠(yuǎn)程進(jìn)車/退出、分/合操作。

4）系統(tǒng)設(shè)置和管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的研究和生產(chǎn)已歷經(jīng)多年，但是現(xiàn)有的各類系統(tǒng)都較為分散，多以在線監(jiān)測(cè)為主，而且不同系統(tǒng)兼容性差，可靠性差。本文設(shè)計(jì)的10kV中壓智能開(kāi)關(guān)設(shè)備將這些系統(tǒng)集成與一體，提出了一體化的帶測(cè)量、保護(hù)的智能能斷路器，達(dá)到了較高的智能水平。

新一代智能開(kāi)關(guān)設(shè)備，將改變傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜的模式，開(kāi)關(guān)柜原有的功能將集中到斷路器上，操作保護(hù)功能、電流電壓信號(hào)在斷路器上均可以實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)柜的電纜室、儀表室元件將非常簡(jiǎn)單，從而有利于開(kāi)關(guān)柜的簡(jiǎn)單化和減短工程交貨期。

中壓智能開(kāi)關(guān)設(shè)備是一種新一代開(kāi)關(guān)電器，它融合了傳統(tǒng)電器、計(jì)算機(jī)、測(cè)控、傳感器與微電子技術(shù)，因此需要國(guó)內(nèi)一次設(shè)備和二次設(shè)備廠家進(jìn)行資源整合，加快中壓智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化步伐，推動(dòng)我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)不斷向前發(fā)展。

[1]張杭.智能化電器和智能化開(kāi)關(guān)柜現(xiàn)狀和發(fā)展.智能化開(kāi)關(guān)電器及其應(yīng)用文集(第一集).江蘇省電工技術(shù)學(xué)會(huì),1998.

[2]陳振生.開(kāi)關(guān)柜的在線監(jiān)測(cè)和傳感器技術(shù)(一).華通技術(shù).2004-4.

[3]金葦.中壓真空斷路器智能化實(shí)施中的關(guān)鍵問(wèn)題.安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008-23-1.