廣東先達(dá)電業(yè)股份有限公司 張建國(guó)

基于CT自供電的10kV高壓斷路器柜及其應(yīng)用

廣東先達(dá)電業(yè)股份有限公司 張建國(guó)

對(duì)CT自供電原理、存在的問(wèn)題、采取的技術(shù)及辦法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并將其應(yīng)用在商業(yè)區(qū)10kV斷路器柜和住宅小區(qū)歐式箱變中，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

CT自供電；斷路器；歐式箱變

引言

隨著城市房地產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步的發(fā)展，地段、交通、環(huán)境等良好的房地產(chǎn)用“寸土寸金”來(lái)形容顯然不為過(guò)。為此,有些建設(shè)單位就把配電房設(shè)置在：

（1）柱梁多、高度不夠、不好排布的邊角地帶。

（2）四周空間不夠的室外……當(dāng)然,建設(shè)單位也知道安全可靠性的重要，但物美價(jià)廉自然是最佳選擇。另外,南網(wǎng)典設(shè)規(guī)定800kVA及以上容量的變壓噐配套使用的高壓柜要配置斷路器形式的保護(hù)。這些都是供配電設(shè)計(jì)必需達(dá)到的要求，供配電設(shè)計(jì)難度增加了。

我們知道：用于電力供配電系統(tǒng)中起通斷、控制、保護(hù)等作用的10kV斷路器柜，主要是由真空斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、保護(hù)裝置、CT、PT、直流屏、避雷器等組成的。繼保是斷路器柜的重要組成部分，其作用是：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時(shí)，在可能實(shí)現(xiàn)的最短時(shí)間和最小區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號(hào)由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對(duì)相鄰地區(qū)供電的影響。要保證斷路器柜的正常工作，必須提供220V或110V電源給保護(hù)裝置、開關(guān)，傳統(tǒng)的方式就是通過(guò)直流屏或500VA的進(jìn)線PT提供。

為此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中除了對(duì)用電負(fù)荷仔細(xì)核算、對(duì)設(shè)備安全性可靠性排布等嚴(yán)格要求外，還對(duì)設(shè)備配置選型進(jìn)行了認(rèn)真分析和探討后發(fā)現(xiàn)：無(wú)需配置500VA進(jìn)線PT或直流屏柜的CT自供電的斷路器柜具有占地小、保護(hù)接線簡(jiǎn)單、檢修維護(hù)量小、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，既符合了南網(wǎng)典設(shè)的用電安全要求，又可滿足客戶用電的需要。

1.CT自供電技術(shù)分析

1.1 CT自供電原理

CT自供電，顧名思義就是利用CT 回路，從一次回路的電流互感器汲取電源，獲取能量的（不需要配置外部電源）。CT二次側(cè)電流經(jīng)整流后，分別通過(guò)24 V穩(wěn)壓電路、5 V穩(wěn)壓電路以及電流泄放電路后，取得24 V 及5 V電源。5 V電源提供信號(hào)采樣和控制電路的工作能量，24 V電源提供跳閘電路工作的能量。電流泄放回路根據(jù)電路工作電流的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)泄放電流的大小，使電路電源穩(wěn)定工作，同時(shí)不會(huì)增加電流互感器的負(fù)荷。在10kV高壓斷路器柜中,CT自供電獲取能量的裝置通常附裝在繼電保護(hù)裝置上,故又簡(jiǎn)稱該種繼電保護(hù)裝置為“無(wú)源繼?！薄Ｗ怨╇婋娐吩砜驁D如圖1所示。

圖1 自供電電路原理框圖

1.2 存在的問(wèn)題

從原理框圖看，好像只是簡(jiǎn)單的整流、濾波和穩(wěn)壓（降壓）電路，當(dāng)然沒(méi)有這么簡(jiǎn)單，眾所周知：CT電流是無(wú)規(guī)則地變化的，要從中獲得能量，還要解決以下幾個(gè)主要問(wèn)題：

1）首先要解決好電流適應(yīng)性的問(wèn)題（因?yàn)楣收蠒r(shí)一次側(cè)電流是額定值的十幾倍，而在低負(fù)荷時(shí)負(fù)荷電流小于額定值）。

2）其次要解決好穩(wěn)定的跳閘能量問(wèn)題（因?yàn)闊o(wú)論在低負(fù)荷或過(guò)電流短路狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)跳閘的能量都很大）。

3）還必須保證供電可靠性和系統(tǒng)正常工作（因?yàn)楣收蠒r(shí)，瞬間能量泄放很大，不能影響電路的正常工作）。

1.3 采取的技術(shù)及辦法

由CT電流無(wú)規(guī)則地變化衍生的這些問(wèn)題，CT自供電廠家采取的是結(jié)合開關(guān)電源理論和功率器件開關(guān)特性等原理的技術(shù)，具體的辦法主要有：

1）取電CT選用截面積較大的，并相應(yīng)的減小線圈的匝數(shù)，這樣可以有效的減小CT輸出的峰值；使用TVS和NMOS在直流側(cè)組成直流限壓電路，在交流接口處采用壓敏電阻預(yù)防浪涌，配置足夠的整流橋容量，選用開關(guān)速度快的整流橋；根據(jù)CT一次側(cè)電流變化實(shí)時(shí)模擬電壓信號(hào)大小，采用可編程放大器進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使電路具有很好的電流適應(yīng)性。

2）為提供充足的跳閘能量，自供電電容量應(yīng)大于等于500 PF，輸出電壓大于等于24V。而且將5V和24V電源互相隔離，兩路電源互不影響，保證系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性。

3）采用Mosfet 的控制電路，在小電流時(shí)正常取能，而在有大電流灌入時(shí)，通過(guò)控制使多余電流在Mosfet上進(jìn)行釋放，以確保整個(gè)系統(tǒng)的供電安全。

還有就是因?yàn)椴捎米怨╇娂夹g(shù)，裝置供電的功率受到較大的限制，所以如何降低整個(gè)裝置(硬件、軟件方面)的功耗也是一個(gè)要點(diǎn)。生產(chǎn)廠家采用了低功耗的微控制器(例如：性能先進(jìn)的Cortex 系列，其內(nèi)核直接支持低功耗)和其他低功耗外圍系列IC等辦法解決這個(gè)問(wèn)題。

2.應(yīng)用

2.1 在商業(yè)區(qū)的應(yīng)用

某商業(yè)區(qū)用電容量是2臺(tái)800kVA變壓器,配電房被開發(fā)商安排在柱梁多、不好排布、最低高度3.3米的地帶，經(jīng)過(guò)勘察發(fā)現(xiàn)該配電房雖然不好排布，但出線進(jìn)線還是比較合適的。為此，結(jié)合設(shè)備廠家提供的資料,采用CT自供電的HXGN15-12型固定斷路器柜進(jìn)行排布，將10kV進(jìn)出線斷路器柜安排在最接近進(jìn)線電纜進(jìn)線的邊角，由于該商業(yè)區(qū)高壓柜設(shè)計(jì)一進(jìn)二出一計(jì)量，高壓電纜只有三條，故砌0.5米基礎(chǔ)溝就夠用了，柜組總寬3.2米深0.9米高2米，砌0.5米基礎(chǔ)溝后最低高度0.8米，柜前最小距離1.55米，柜后及柜兩邊0.8米及以上，符合南網(wǎng)典設(shè)的要求。

而采用傳統(tǒng)的KYN28A-12型高壓柜就是要：

1）使用寬0.8米深1.5米高2.3米的手車式斷路器柜，屏前安全操作距離2米以上，與CT自供電的HXGN15-12型固定斷路器柜相比,占地面積約多3.52平方米左右,砌0.5米基礎(chǔ)溝后最低高度只有0.5米。

2）配套24ah的直流屏提供電源給裝置和跳閘操作使用，24ah的直流屏占地面積約6.96平方米(以直流屏本體1面計(jì)，寬0.8深0.6，屏左右及背面留0.8通道，屏前留1.5安全操作空間)。

我們還知道直流屏的電池是要進(jìn)行常規(guī)維護(hù)的，而且使用一定時(shí)間后還要更換，后續(xù)的維護(hù)檢修是必需的。無(wú)須配置直流屏的CT自供電不僅為開發(fā)商降低了工程投資，減少了設(shè)備的維護(hù)檢修量，配套使用的無(wú)源繼保裝置還完全能滿意典設(shè)要求的定時(shí)限過(guò)流、速斷、零序、失壓、過(guò)負(fù)荷保護(hù)，超溫跳閘、高溫發(fā)信等功能，不僅如此，還具有反時(shí)限保護(hù)和接地故障保護(hù)等功能。自供電裝置接線端子典型圖如圖2所示。

2.2 在住宅小區(qū)中的應(yīng)用

圖2 自供電裝置接線端子典型圖

某住宅小區(qū)用電容量是一臺(tái)800kVA變壓器，要配置斷路器柜形式的保護(hù)，開發(fā)商決定采用歐式箱變進(jìn)行供配電，之所以選用歐式箱變是因?yàn)闅W式箱變具有結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小的特點(diǎn)，歐式箱變結(jié)構(gòu)緊湊，必然存在散熱的問(wèn)題，而箱變的散熱空間是一定要保證的。

經(jīng)過(guò)勘察后在小區(qū)的安全地帶確定了一處安裝位置，但經(jīng)過(guò)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)：采用傳統(tǒng)的XGN66斷路器柜組成的箱變?cè)O(shè)計(jì)的話,兩邊的門會(huì)碰到墻，差0.4米左右，而設(shè)備廠家已經(jīng)把散熱空間縮至最小。而采用CT自供電的集隔離開關(guān)、真空斷路器、CT和誤防接地開關(guān)于一體的IV2000型斷路器柜，進(jìn)出線最小可做到寬0.4+0.52米，與傳統(tǒng)的箱變相比：不僅可以不采用為裝置和跳閘操作提供電源的500VA進(jìn)線PT，而且兩邊可增加0.68米的空間（傳統(tǒng)的進(jìn)出線寬0.8+0.8米），兩邊的門完全可以打開，散熱空間得到保證。某住宅小區(qū)箱變結(jié)線圖如圖3所示。

圖3 某住宅小區(qū)箱變結(jié)線圖

我們?cè)跉W式箱變使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些需要注意的問(wèn)題：

1）大部分無(wú)源繼保廠家可以根據(jù)用戶自己的標(biāo)準(zhǔn)選擇5A或1A互感器，用戶訂貨時(shí)只需提供準(zhǔn)確的互感器的型號(hào)，電流比，準(zhǔn)確級(jí)和額定負(fù)載就可以了。而有些廠家必須配套使用廠家特制的互感器，不然就產(chǎn)生跳閘拒動(dòng)。

2）用戶訂貨時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的脫扣線圈來(lái)選擇型號(hào)。因?yàn)槊摽垩b置采用的脫扣電源是不同的。如:雙穩(wěn)態(tài)脫扣裝置：該能量以12V的振幅、30ms的脈沖形式供給。在故障的情況下，這些脈沖以100ms的間隔重復(fù)以確保斷路器分閘。而單穩(wěn)態(tài)脫扣裝置包含了DC24V，DC48V，DC110V，DC220V的脫扣裝置。

3）保護(hù)裝置按照模式分為帶顯示和不帶顯示兩種類型。帶顯示的保護(hù)裝置配備一個(gè)顯示器和一個(gè)小鍵盤，用來(lái)設(shè)置繼保參數(shù)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障原因及故障發(fā)生的日期和時(shí)間一同記錄在顯示器上。不帶顯示的適用于戶外的低溫環(huán)境，保護(hù)功能的參數(shù)值由DIP開關(guān)組來(lái)設(shè)定，同時(shí)配備LED指示燈來(lái)監(jiān)測(cè)裝置是否工作正常。

3.結(jié)束語(yǔ)

我們自2012年開始在小型商業(yè)區(qū)10kV供配電柜中試著使用CT自供電的高壓斷路器柜以來(lái)，用戶反映良好，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠先進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)智能化，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

CT自供電技術(shù)最早出現(xiàn)在2000年，是從國(guó)外引進(jìn)的，較有代表性的有西歐的阿爾斯通和北美的固柏。2006年武漢意瑞萊在國(guó)內(nèi)首先研發(fā)并使用該技術(shù),現(xiàn)在CT自供電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外逐漸成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，可以在斷路器柜和柱上開關(guān)運(yùn)用，也可以用于熔斷器組合開關(guān)柜中，而用于智能電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)中可以估計(jì)是未來(lái)的主流產(chǎn)品。

[1]徐志堅(jiān),劉映杰,王新,李漣鳳.一種基于單片機(jī)的自供電過(guò)電流繼電器的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(11):117-120.

[2]任元會(huì)主編.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.

[3]牟思浦主編.電氣二次回路接線及施工[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

張建國(guó)（1969—），本科，工程師，從事電力供配電設(shè)計(jì)研究工作。