王 玲 張紅光 鄭加榮

（1.兗州東方機(jī)電有限公司，山東 鄒城 273500； 2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)南煤炭科技研究院分公司，山東 濟(jì)南 250023；3.兗煤藍(lán)天清潔能源有限公司，山東 鄒城 273500）

為解決發(fā)生供電事故時(shí)故障處理時(shí)間長、損失巨大、廠區(qū)內(nèi)供電系統(tǒng)的日常維檢所需人力、物力較大等問題，兗州東方機(jī)電有限公司提升公司配電設(shè)備的技術(shù)水平，立項(xiàng)研發(fā)了智能型高壓開關(guān)柜，實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)操作元件的遠(yuǎn)端電動(dòng)控制、柜內(nèi)核心設(shè)備的健康狀態(tài)監(jiān)控和供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。該智能型高壓開關(guān)柜減少了事故停電率，增加了供電可靠性，實(shí)現(xiàn)變電所的智能運(yùn)維管理，為智能化供配電的推進(jìn)提供硬件基礎(chǔ)。

產(chǎn)品契合集團(tuán)公司提出的“三化融合”建設(shè)要求，融合智能化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制、信息化升級(jí)等技術(shù)，完成產(chǎn)品研究設(shè)計(jì)。

1 12kV 智能開關(guān)柜的設(shè)計(jì)選型

我國高壓開關(guān)柜技術(shù)的發(fā)展趨勢是組裝柜代替焊接柜，傳統(tǒng)開關(guān)柜向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。國外高壓開關(guān)柜也向著高可靠性、少維護(hù)、智能化方向發(fā)展。所以智能型開關(guān)柜從結(jié)構(gòu)形式上采用組裝柜，元器件選用智能型。

根據(jù)兗州東方機(jī)電有限公司現(xiàn)有產(chǎn)品，在金屬鎧裝中置式開關(guān)柜KYN44-12 柜型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 12kV 智能開關(guān)柜具有的功能

12kV 智能高壓開關(guān)柜由柜體、智能型真空斷路器、電子式電流互感器、智能綜合保護(hù)、智能儀表、電動(dòng)接地開關(guān)、智能測溫、柜內(nèi)視頻監(jiān)控等組成。智能化開關(guān)柜全電動(dòng)操作，集成檢測、控制和保護(hù)單元，能實(shí)現(xiàn)脫扣回路斷線檢測、動(dòng)作時(shí)間檢測、接觸部件檢測、彈簧儲(chǔ)能時(shí)間檢測、溫濕度檢測、動(dòng)物侵入監(jiān)測和柜門監(jiān)視等功能，并對(duì)其檢測到的數(shù)據(jù)分析和處理，進(jìn)行故障預(yù)測、判斷并能計(jì)算出開關(guān)的剩余使用壽命和維修期限。

2.1 全電動(dòng)操作

智能開關(guān)柜是一種無人化操作的電力設(shè)備，傳統(tǒng)開關(guān)柜中的斷路器搖進(jìn)搖出、接地開關(guān)的人工分合，都需要全電動(dòng)操作。

2.2 斷路器狀態(tài)監(jiān)測功能

智能開關(guān)柜中的斷路器能實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器分合閘線圈電流的波形狀態(tài)、分合閘速度、儲(chǔ)能電機(jī)電流波形、儲(chǔ)能狀態(tài)、儲(chǔ)能時(shí)間、滅弧室真空度等參數(shù)的在線監(jiān)測，具備關(guān)鍵點(diǎn)溫度報(bào)警、滅弧室真空度報(bào)警、超行程檢測、跳閘回路斷線報(bào)警和弧光保護(hù)等功能。通過實(shí)時(shí)檢測設(shè)備發(fā)生的故障能及時(shí)發(fā)出報(bào)警，避免事故的發(fā)生。

智能型真空斷路器通訊口采用標(biāo)準(zhǔn)IEC61850協(xié)議，可通過光纖以太網(wǎng)通訊方式與間隔層設(shè)備交換數(shù)據(jù)。

2.3 控制和保護(hù)功能

智能高壓開關(guān)柜的控制保護(hù)單元具有測量、保護(hù)、信號(hào)、控制、故障錄波和運(yùn)動(dòng)功能。

2.4 柜內(nèi)視頻監(jiān)控功能

智能型高壓開關(guān)柜對(duì)斷路器室、電纜室進(jìn)行視頻監(jiān)控，直觀顯示斷路器、接地開關(guān)的操作過程和合分狀況，為維檢時(shí)的統(tǒng)一管理和宏觀調(diào)控提供直觀依據(jù)。

2.5 在線無線測溫裝置功能

智能型高壓開關(guān)柜對(duì)斷路器、主母排、電纜進(jìn)行在線無線測溫，具有在線實(shí)時(shí)測溫、采集、分析和超溫報(bào)警功能。

2.6 柜內(nèi)安全消防功能

智能型高壓開關(guān)柜應(yīng)具備安全消防功能。因電纜室內(nèi)的電纜接頭經(jīng)過長期運(yùn)行，發(fā)生老化致使絕緣能力降低，電纜頭會(huì)發(fā)生局部放電、發(fā)熱，致使絕緣擊穿，發(fā)生爆炸，造成開關(guān)柜發(fā)生火災(zāi)和大面積停電事故，對(duì)設(shè)備和人身安全及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行形成嚴(yán)重威脅。所以智能型開關(guān)柜應(yīng)當(dāng)對(duì)電纜室進(jìn)行監(jiān)測和滅火。

3 12kV 智能開關(guān)柜的設(shè)計(jì)

3.1 12kV 智能開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

12kV 智能開關(guān)柜柜體采用組裝式結(jié)構(gòu)。開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照國家標(biāo)準(zhǔn)《3.6kV～40.5kV 交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》（GB 3906-2006）對(duì)手車式開關(guān)柜的有關(guān)規(guī)定要求進(jìn)行。結(jié)構(gòu)形式采用中置式。柜體結(jié)構(gòu)主要由外殼、隔室、隔板、活門等幾大部分組成。

不同用途的功能單元處于不同的隔室之中，其隔室主要有儀表室、斷路器室（手車室）、主母線室、電纜室和二次電纜室。

3.2 12kV 智能開關(guān)柜的全電動(dòng)設(shè)計(jì)

智能開關(guān)柜的電動(dòng)操作系統(tǒng)包含電動(dòng)底盤車和電動(dòng)接地開關(guān)。電動(dòng)底盤車可以帶動(dòng)斷路器在實(shí)驗(yàn)位置和工作位置間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)接地開關(guān)在斷路器手車位于試驗(yàn)位置時(shí)，根據(jù)指令可以進(jìn)行合閘或分閘操作。當(dāng)斷路器位于工作位置時(shí)，電動(dòng)接地開關(guān)不能進(jìn)行合閘或分閘操作。同樣，當(dāng)接地開關(guān)處在合閘位置時(shí)，斷路器手車不能從試驗(yàn)位置運(yùn)動(dòng)到工作位置；僅當(dāng)接地開關(guān)處在分閘位置時(shí)，斷路器手車才能在試驗(yàn)位置和工作位置之間運(yùn)動(dòng)。

智能型高壓開關(guān)柜的電動(dòng)操作系統(tǒng)有遠(yuǎn)方和就地兩種操作模式，可以在驅(qū)動(dòng)電機(jī)受阻時(shí)進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)，并能逆向驅(qū)動(dòng)電機(jī)來解除受阻狀態(tài)，保護(hù)電機(jī)安全。

電動(dòng)操作系統(tǒng)只有在斷路器室和電纜室門都關(guān)閉且滿足相應(yīng)的閉鎖條件時(shí)才能進(jìn)行電動(dòng)操作，通過電氣和機(jī)械的雙重閉鎖保證電動(dòng)操作的可靠性。電動(dòng)操作還能避免故障時(shí)對(duì)操作工人造成的人身傷害。如圖1。

圖1 接地開關(guān)電動(dòng)操作和閉鎖位置

斷路器底盤車和接地開關(guān)均帶有手動(dòng)優(yōu)先功能，可保證電動(dòng)故障或通訊故障時(shí)不影響設(shè)備正常使用。

3.3 12kV 智能開關(guān)柜的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開關(guān)柜管理系統(tǒng)主要由設(shè)備層、間隔層、站控層三部分組成。設(shè)備層主要是一次設(shè)備和智能組件。間隔層主要是綜合保護(hù)、測控裝置等二次設(shè)備。站控層主要是具有高性能帶觸摸功能的工控機(jī)。

開關(guān)柜管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各種遙測值，并生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表、年報(bào)表和趨勢圖，提供實(shí)時(shí)聲光報(bào)警并記錄在數(shù)據(jù)庫中。

開關(guān)柜管理系統(tǒng)在線監(jiān)測柜內(nèi)溫濕度。在環(huán)境相對(duì)濕度較高和溫差較大的地方，容易產(chǎn)生凝露，發(fā)生危險(xiǎn)，柜內(nèi)裝設(shè)了加熱器和環(huán)境溫濕度傳感器。通過開關(guān)柜管理系統(tǒng)可以自動(dòng)控制柜內(nèi)溫濕度，防止凝露的發(fā)生。

開關(guān)柜管理系統(tǒng)在線監(jiān)測柜內(nèi)斷路器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。傳感器與斷路器本體集成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)反映斷路器運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)潛在故障進(jìn)行預(yù)判并采用聲光報(bào)警。

開關(guān)柜管理系統(tǒng)是一個(gè)完全開放的系統(tǒng)，可以與各開關(guān)柜互相通信，還可以與上級(jí)系統(tǒng)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。

3.4 12kV 智能開關(guān)柜的視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

智能型高壓開關(guān)柜斷路器室、電纜室內(nèi)放置有微型攝像頭，直觀顯示斷路器、接地開關(guān)的操作過程和合分狀況，為維檢時(shí)的統(tǒng)一管理和宏觀調(diào)控提供直觀依據(jù)。如圖2 所示。

圖2 柜內(nèi)視頻監(jiān)控

3.5 12kV 智能開關(guān)柜的在線無線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能開關(guān)柜無線測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由顯示器、傳感器和監(jiān)測主控模塊三部分組成。

溫度顯示器集成到開關(guān)柜管理系統(tǒng)中，由無線收發(fā)模塊、報(bào)警輸出、數(shù)據(jù)處理、顯示和通訊接口組成。無線收發(fā)模塊接收來自溫度采集模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，把測到的溫度值顯示在面板上，同時(shí)判斷溫度是否超過報(bào)警上限，如果超過則發(fā)出報(bào)警輸出信號(hào)。

溫度傳感器應(yīng)用表面波技術(shù)，可在非常規(guī)的運(yùn)行環(huán)境下(高電壓，高電流)實(shí)現(xiàn)無線溫度數(shù)據(jù)采集，具有數(shù)字化、高精度、高耐溫的特點(diǎn)。溫度測量范圍30℃ ～125℃，精度為±0.1℃。表帶式安裝。

監(jiān)測主控模塊是系統(tǒng)主要部分，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、系統(tǒng)接線圖以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D六部分組成?？梢赃M(jìn)行異常溫度報(bào)警，當(dāng)被測點(diǎn)的溫度超過系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，主控模塊發(fā)出報(bào)警事件，并通過數(shù)據(jù)報(bào)表的形式保存。

3.6 12kV 智能開關(guān)柜的消防設(shè)計(jì)

智能開關(guān)柜的消防系統(tǒng)采用液體介質(zhì)一體化滅火裝置，以氟化酮為滅火劑，集控制單元為一體，結(jié)合實(shí)際環(huán)境采用多種火情探測方式（如溫感、煙感、光感、氣體等），對(duì)火情隱患實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測和快速有效保護(hù)。

滅火裝置由滅火劑罐體、控制器、探測裝置、聲光報(bào)警裝置、手動(dòng)啟動(dòng)按鈕、管道及噴嘴組成。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的智能高壓開關(guān)柜符合IEC61850協(xié)議和智能開關(guān)柜的要求，實(shí)現(xiàn)了高壓開關(guān)柜的智能化、高可靠性、少維護(hù)，具備了全電動(dòng)操作和控制、保護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測、測量、視頻監(jiān)控、管理、診斷、報(bào)警等功能，提高了供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。通過在東華重工35kV 智能變電所和東方機(jī)電高壓變電所的應(yīng)用，取得很好的效果，深受用戶好評(píng)。