王萬亭，姚愛明，張 劍，林友福

（1．杭州恒信電氣有限公司，浙江 臨安 311300；2．臨安市供電局，浙江 臨安 311300）

0 引言

根據(jù)國家電網(wǎng)公司提出的高壓設備智能化原則和要求，對中壓配電網(wǎng)廣泛使用的10 kV開關柜進行分析評價，認為將傳統(tǒng)的開關柜升級改造為智能開關柜是建設智能化配電網(wǎng)發(fā)展的必然需要，研制新型10 kV智能開關柜對實現(xiàn)智能配電網(wǎng)將發(fā)揮重要作用。開發(fā)和研制新型、高效、環(huán)保的智能化開關柜設備，不僅能提高配電網(wǎng)供電的可靠性、運行效率和設備利用率，提高供電的優(yōu)質(zhì)服務水平和改善供電質(zhì)量，而且將顯著提高配電網(wǎng)安全預警及應對能力。

目前我國中壓配電網(wǎng)基本以10 kV為主，而10 kV電壓等級的配電開關設備中，KYN28A-12型開關柜經(jīng)過多年的推廣應用和改進，已成為覆蓋面最廣、影響力最大、使用最穩(wěn)定的品種。本文所述的新型10 kV智能化開關柜是以KYN28A-12型開關柜為原型，結合先進的傳感器技術及智能組件技術開發(fā)完成。該設備繼承了原KYN28A-12型開關柜性能可靠、五防完善、互換性強等優(yōu)點，同時具備實時在線監(jiān)測開關柜絕緣件泄漏電流、開關柜母線發(fā)熱溫度、斷路器機械特性曲線和參數(shù)等功能，在此基礎上實現(xiàn)了開關柜狀態(tài)報警、關鍵部件全生命周期管理，并具備友好的人機界面和系統(tǒng)組網(wǎng)接口。

1 智能開關柜的組成

智能開關柜是指具有較高性能的開關柜，配裝有智能電子裝置、變送器和執(zhí)行器，不僅具有開關柜的基本功能，還具有在線監(jiān)測和診斷等附加功能。本文所述的新型10 kV智能化開關柜主要由開關柜本體、保護裝置、在線監(jiān)測裝置、溫度測量模塊、泄漏電流測量模塊、機械特性測量模塊以及各類傳感器組成，其結構如圖1所示。

圖1 智能開關柜結構

2 在線監(jiān)測母線發(fā)熱溫度

中壓開關柜內(nèi)部的導電連接處會因為電磨損、機械振動以及設備制造過程中的隱藏缺陷導致接觸條件惡化，引起接觸點溫度升高，從而進一步加劇接觸表面的氧化，形成惡性循環(huán)，直至絕緣損壞，最終造成電弧放電，導致設備事故。通常的涂覆溫度變色材料、紅外測溫窗口等方法都建立在人員對設備巡檢的基礎上，不僅耗費人力，也不能及時發(fā)現(xiàn)故障。實時溫度在線監(jiān)測是預防這類事故發(fā)生的重要手段，但長期以來因為開關柜內(nèi)空間狹小、運行電位高等原因，安裝普通溫度傳感器難以保證絕緣距離，傳感器若使用電池供電還存在需定期停機更換電池的缺點，而采用外部供電則電源的絕緣處理較困難。目前比較理想的測溫方式是基于紅外輻射的非接觸式測溫，該方式需克服2個技術難點：第一是測溫探頭的安裝位置選擇，必須對現(xiàn)有的絕緣結構不構成影響；第二是對紅外測溫結果的準確修正，以避免測試環(huán)境、距離系數(shù)、輻射率、工作波長、瞬時視場角等因素對測量正確性的影響。

選用MLX90614新型高精度測溫傳感器實現(xiàn)開關柜中母線電連接處發(fā)熱溫度在線監(jiān)測，其優(yōu)點是：

（1）采用非接觸式的紅外測溫方法，可有效隔離在線監(jiān)測的高/低電位。

（2）傳感器的輸出為數(shù)字信號，且自身集成了相應的數(shù)字濾波器和存儲器，數(shù)字信號的傳輸具有很強的抗電磁干擾性能。

（3）體積小，安裝方便，抗干擾能力強。

（4）MLX90614的SMBUS總線輸出模式能實現(xiàn)6點母線電連接處的分布式監(jiān)測。

（5）采用雙單片機通信方式，實時、有效、精確地通過總線協(xié)議傳送前端傳感器的數(shù)字信息，并在微控制單元上顯示。

（6）在保證測溫準確度的情況下，傳感器前端探頭離母線距離可達150 mm，完全滿足開關柜電氣絕緣距離的要求。

（7）溫度傳感器壽命可達10年。

紅外傳感器在KYN28A柜中的安裝位置見圖1。根據(jù)該柜型歷年來的運行數(shù)據(jù)，斷路器手車的動靜觸頭結合處是熱故障的多發(fā)位置，容易出現(xiàn)由于觸頭彈簧抱緊力減小、嚙合尺寸偏差、大電流運行氧化等原因?qū)е碌陌l(fā)熱。因為該位置有絕緣觸頭盒包覆，無法直接測量，因此測溫點選擇了觸頭盒出口處的銅母線，該位置距離實際接觸點較近，溫差較小，易于通過軟件補償還原實際溫度。共安裝6只紅外傳感器，3只開口于母線室，另3只開口于電纜室，開口位置分別對準觸頭盒口的銅母線，開口處采用紅外玻璃隔離，以保證原有的防護等級，對原柜的絕緣也沒有任何影響。通過預埋熱電偶并通以1 250 A電流模擬溫升試驗，該方式的測溫精度在±1 K，完全滿足狀態(tài)監(jiān)控的要求。

3 在線監(jiān)測絕緣件泄漏電流

表征絕緣特性的參量有很多，如介質(zhì)損耗角正切、局部放電、泄漏電流等，但從經(jīng)濟性和實際實施的可行性考慮，目前在中壓開關柜上可實施的是檢測絕緣件的泄漏電流，該方法具有硬件成本低、數(shù)據(jù)準確可靠、現(xiàn)場施工簡單等優(yōu)點，在變電站新舊設備上都可以完成。本系統(tǒng)采用的泄漏電流監(jiān)測原理見圖2，信號提取采用接觸式引流環(huán)結構，引流環(huán)由寬5 mm、厚度約1 mm的進口導電膠涂制而成，起到在絕緣子上收集泄漏電流的作用，安裝在距離絕緣件接地點3～5 mm的位置，不影響其絕緣性能。由于該位置仍有一定的電壓，因此在引流環(huán)后端設置小電流互感器來進一步隔離高/低電位，從而保證整個檢測系統(tǒng)的安全性和可靠性。對于微弱的絕緣泄漏電流（微安級），采用精密采樣、兩級放大及兩級隔直濾波電路后進入處理器的A/D，傳輸使用屏蔽線，具有較高的檢測靈敏度和抗干擾能力。在實驗室模擬現(xiàn)場污穢情況時，清潔狀態(tài)下套管表面的泄漏電流非常小，在潮濕和污穢情況下，套管表面的絕緣狀況會明顯劣化，泄漏電流大幅增加；在單相接地且套管上有嚴重污穢的情況下，套管泄漏電流約為40 μA。根據(jù)這些試驗結果，可以設定12 kV斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)的一級絕緣劣化閾值為50 μA，此閾值考慮了大電流引起的電磁干擾，留有10 μA裕量，超過這個閾值將報警。如果泄漏電流超過50 μA，說明環(huán)氧絕緣套管絕緣性能有失效的危險，設備必須立即停電檢修。可以設定二級絕緣劣化報警閾值為100 μA，既考慮了實驗結果，也留有足夠裕量以防止因電磁干擾導致系統(tǒng)誤動作。

圖2 絕緣件泄漏電流監(jiān)測原理

4 在線監(jiān)測開關機械特性

斷路器最嚴重的機械故障是拒動和誤動。引起此類故障的主要原因是操動機構及傳動系統(tǒng)的機械失效和電氣控制及輔助回路的故障。針對這兩方面的原因，并結合目前的技術水平和產(chǎn)品成本等因素，對中壓真空斷路器的機械特性作兩方面的檢測。

（1）檢測斷路器觸頭行程-時間特性曲線，由該曲線計算出平均分/合閘速度、最大分/合閘速度、動觸頭行程、固有分/合閘時間等參量。

觸頭行程-時間特性是斷路器工作狀態(tài)的重要表征，行程測量的基本要求是既不能影響機構原有的機械特性和絕緣性能，又要真實反映觸頭行程隨時間的變化。此外，傳感器還要便于安裝，即監(jiān)測系統(tǒng)的適應性要強，這就要求選用的傳感器體積不能太大，并且線性度和靈敏度要盡可能高。傳統(tǒng)的直線位移傳感器由于尺寸的限制難以在實際中使用。同時，由于在線情況下動觸頭處于高電位，對監(jiān)測系統(tǒng)的隔離措施要求很高，因此直接測量動觸頭的行程曲線非常困難。考慮到真空斷路器在分/合閘過程中，動觸頭的行程與主軸轉動角度有一定的對應關系，因此測得主軸的角位移曲線，即可間接得到動觸頭的直線位移曲線。真空斷路器的主軸處于地電位，遠離高壓部分，不存在高電位隔離的問題，而且一般情況下主軸附近的可用空間很大，能夠方便地安裝角位移傳感器，這種間接測量的方式對多種型號的真空斷路器都適用。主軸的角位移與觸頭直線位移的關系可通過大量的離線試驗來確定，并制作出角位移-直線位移表格，供查表時使用，進一步計算即可得到速度和分/合閘時間等參量。本系統(tǒng)選用WDD35D系列精密導電塑料電位器作為角位移傳感器，具有很多優(yōu)點，如：體積小、便于安裝；與斷路器主軸同軸；角位移傳感器本身阻尼很小，不影響斷路器原有性能或結構等。

（2）檢測分/合閘脫扣線圈回路電流，記錄分/合閘全過程線圈電流波形，通過分析線圈電流變化判斷斷路器機械故障的趨勢，同時得到固有分/合閘時間等參數(shù)。

分/合閘脫扣線圈回路電流由JT5-B跟蹤型霍爾電流傳感器檢測。該傳感器失調(diào)電流小、線性度好、響應時間短、跟蹤速度快、動態(tài)范圍大，可以保證整個系統(tǒng)的測量準確度和穩(wěn)定性。由于采用了霍爾磁平衡原理，該傳感器的電氣絕緣和抗干擾能力都很強。此外，由于其體積較小，可放置在印刷電路板上，從而避免了信號傳輸過程中的外界電磁干擾。

5 狀態(tài)檢修對開關柜的新要求

目前雖然絕大多數(shù)變電站已經(jīng)實現(xiàn)了無人值班，但是功能多限于線路保護、控制和測量，并沒有實現(xiàn)對開關柜本身的事故隱患監(jiān)控，對開關柜主要設備工作狀態(tài)的檢查還停留在計劃檢修，既無針對性也無及時性。因此，基于設備狀態(tài)評估開展的狀態(tài)檢修對開關柜提出了新的要求。根據(jù)國內(nèi)外中壓開關柜智能化技術發(fā)展現(xiàn)狀，智能化開關柜狀態(tài)檢修的主要技術特點為：

（1）采用智能信息處理系統(tǒng)對開關柜本體進行故障及故障前兆的診斷及監(jiān)視。

（2）在線監(jiān)測母線及柜內(nèi)溫度是否越限。

（3）在線監(jiān)視斷路器分/合閘速度等工作特性。

（4）在線監(jiān)視操動機構的機械性能。

（5）絕緣水平的在線監(jiān)視及報警。

（6）智能化的防誤操作系統(tǒng)。

（7）具有各種操作的提示及預演功能。

（8）具有操作的校核及誤操作的閉鎖功能。

（9）開關柜二次功能：測量、信號、保護、控制、遠動智能化。

（10）電網(wǎng)故障的追憶：錄波、登錄、仿真重演，提供分析依據(jù)，事故的定位、定量分析，確定事故的原因及解決辦法。

（11）運行現(xiàn)狀的專家評估及運行維護指導。

6 結語

智能開關柜的技術目前尚處于研究開發(fā)階段，有些技術難點尚未解決，特別是開關柜本體在線監(jiān)測的傳感技術有一定難度。目前能達到應用水平的智能化裝置，主要是開關柜二次功能的微機化替代常規(guī)的二次設備。本項目研究的智能開關柜已實現(xiàn)如下功能：

（1）傳感器、智能組件和開關柜硬件融為一體，不影響原有設備的電氣、機械等性能。

（2）傳感器、智能組件必須適應開關柜內(nèi)大電流、強電場的環(huán)境，本身運行可靠，不發(fā)生錯報、誤報等情況。

（3）智能化的開關柜具有自我診斷的能力，能及時修正、反饋運行狀態(tài)。

（4）實現(xiàn)開關柜關鍵狀態(tài)參數(shù)的在線實時監(jiān)測及診斷，并將結果可靠上傳。

隨著傳感器與智能監(jiān)測單元技術逐步成熟可靠，下一步計劃是將智能單元監(jiān)測數(shù)據(jù)接入浙江省電力公司輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測平臺，統(tǒng)一通信規(guī)約，并納入輸變電設備狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)。新型10 kV智能化開關柜的研制與應用對實現(xiàn)開關柜變“定期維修”為“狀態(tài)維修”，及早發(fā)現(xiàn)故障苗頭、防患于未然具有重要意義。

[1]王小華，蘇彪，榮命哲，等.中壓開關柜在線監(jiān)測裝置的研制[J].高壓電器，2009，45（3）:52-55.

[2]榮命哲，王小華，王建華.智能開關電器內(nèi)涵的新發(fā)展探討[J].高壓電器，2010，46（5）:1-3.