李新海，孟晨旭，盧泳茵，陳偉明，羅海鑫，范德和

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

0 引言

10 kV配電網(wǎng)位于電力系統(tǒng)的末端[1]，直接與用戶相連，是輸配電的重要環(huán)節(jié)。為適應(yīng)用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，變電站及配電網(wǎng)中的10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜均采用額定電流為4 000 A及以上的開(kāi)關(guān)柜以提高線路的載流能力及供電水平，滿足用戶對(duì)供電可靠性的更高要求[2]。然而，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜中隔離刀閘觸頭、小車開(kāi)關(guān)觸頭、母線排、電纜頭等連接部位表面氧化腐蝕、導(dǎo)電部分緊固螺栓松動(dòng)等因素，各連接部位接觸電阻增大，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱[3-8]。隨著電流的增加，10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜的異常發(fā)熱問(wèn)題愈加嚴(yán)峻，若開(kāi)關(guān)柜長(zhǎng)期嚴(yán)重發(fā)熱，將有可能導(dǎo)致連接部件燒蝕并引發(fā)短路故障，造成設(shè)備故障、線路停電、人身傷亡等事故，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行及運(yùn)維人員的人身安全[9-12]。

因此，在運(yùn)行過(guò)程中有必要將10 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫升控制在合理范圍。近年來(lái)，研究人員對(duì)開(kāi)關(guān)柜的溫度進(jìn)行仿真計(jì)算及趨勢(shì)分析[13-15]，為開(kāi)關(guān)柜的散熱分析提供了有力依據(jù)。針對(duì)10 kV開(kāi)關(guān)柜的溫度檢測(cè)和控制，常采用示溫蠟片監(jiān)視[16]、手持紅外測(cè)溫[17]、有源傳感器在線測(cè)溫[18-20]及無(wú)源無(wú)線式測(cè)溫技術(shù)[21]等，在開(kāi)關(guān)柜溫度異常過(guò)熱或溫升過(guò)高時(shí)安排檢修，以實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控。采用此類手段可對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫升進(jìn)行定期或在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而更加清晰地了解柜內(nèi)設(shè)備發(fā)熱情況，并對(duì)開(kāi)關(guān)柜散熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng)提供一定的判斷依據(jù)。

目前，10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜通常采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流散熱方式控制柜內(nèi)溫度。開(kāi)關(guān)柜中風(fēng)機(jī)的啟停一般根據(jù)開(kāi)關(guān)柜實(shí)際運(yùn)行電流的大小或環(huán)境溫度的高低進(jìn)行控制，但該方式存在判據(jù)唯一、缺乏綜合判斷等問(wèn)題，當(dāng)唯一條件失效時(shí)，無(wú)法對(duì)10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜的降溫需求進(jìn)行綜合判斷，導(dǎo)致無(wú)法有效排出開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的熱量[22]，使開(kāi)關(guān)柜主回路溫度顯著增加。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜風(fēng)機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，開(kāi)關(guān)柜載流能力大幅下降，可能引起設(shè)備損壞，甚至發(fā)生短路爆炸、10 kV母線失壓、配電系統(tǒng)大面積停電的電力安全事件，帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近三年來(lái)中山市電網(wǎng)年均發(fā)生27項(xiàng)開(kāi)關(guān)柜風(fēng)冷控制系統(tǒng)缺陷，存在極大安全隱患。此外，現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)柜風(fēng)機(jī)控制回路還存在電流繼電器啟停風(fēng)機(jī)定值需手動(dòng)調(diào)整而難以精確整定、電流繼電器及接觸器故障率高、缺乏故障告警功能等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于電流與溫度雙判據(jù)邏輯，對(duì)10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜風(fēng)冷控制系統(tǒng)邏輯進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)采用微機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電流與溫度啟停風(fēng)機(jī)的雙判據(jù)邏輯控制及完善故障告警功能。

1 風(fēng)冷控制系統(tǒng)原理及問(wèn)題分析

現(xiàn)有開(kāi)關(guān)柜風(fēng)冷控制系統(tǒng)由電源、DL型電磁式過(guò)電流繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)柜風(fēng)冷控制系統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制回路

圖1中可知，風(fēng)機(jī)由切換開(kāi)關(guān)ZK切換選擇手動(dòng)、自動(dòng)兩種啟動(dòng)控制方式。若選擇風(fēng)機(jī)手動(dòng)啟動(dòng)控制方式，則切換開(kāi)關(guān)13-14接點(diǎn)接通啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，此方式一般在人工檢測(cè)發(fā)現(xiàn)異常過(guò)熱或溫升過(guò)高時(shí)手動(dòng)選擇，風(fēng)機(jī)的啟停均需手動(dòng)操作。

一般情況下，開(kāi)關(guān)柜選用風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)控制方式，此時(shí)切換開(kāi)關(guān)接點(diǎn)11-12接通，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)實(shí)際負(fù)荷電流大于或等于電流繼電器LJ的動(dòng)作定值時(shí)，LJ動(dòng)作，其常開(kāi)接點(diǎn)1-3閉合使交流接觸器CJ勵(lì)磁動(dòng)作，風(fēng)機(jī)回路中CJ常開(kāi)接點(diǎn)3-4閉合，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷電流小于LJ返回定值時(shí)，接點(diǎn)1-3 (LJ)、3-4 (CJ)依次斷開(kāi)，風(fēng)機(jī)斷電停運(yùn)。

由于電流繼電器返回系數(shù)一般整定在0.9左右，其動(dòng)作定值與返回定值差距不大，且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行老化后可能導(dǎo)致返回系數(shù)變大使得動(dòng)作定值與返回定值的區(qū)間變窄。當(dāng)負(fù)荷電流在電流繼電器動(dòng)作定值與返回定值之間頻繁臨界波動(dòng)時(shí)，電流繼電器、交流接觸器將頻繁動(dòng)作與復(fù)歸，風(fēng)機(jī)頻繁啟停，容易燒蝕損壞電流繼電器、交流接觸器接點(diǎn)及風(fēng)機(jī)。一旦出現(xiàn)部件損壞，風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)功能失效，且由于風(fēng)機(jī)控制回路缺乏溫控功能，即使開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度較高風(fēng)機(jī)仍不能自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，若此時(shí)無(wú)有效且及時(shí)的測(cè)溫手段，將給開(kāi)關(guān)柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

此外，現(xiàn)有開(kāi)關(guān)柜風(fēng)冷控制系統(tǒng)在發(fā)生風(fēng)機(jī)故障、電源失電或繼電器接點(diǎn)損壞、接觸器接點(diǎn)損壞等缺陷時(shí)無(wú)相應(yīng)的告警信號(hào)上傳調(diào)度監(jiān)控，缺乏全面的故障在線監(jiān)測(cè)、告警功能，運(yùn)行人員不能實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)的詳細(xì)狀況并響應(yīng)。

針對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫升控制，文獻(xiàn)[23]根據(jù)運(yùn)行電流的大小和環(huán)境溫度的高低設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)控制方案。除電流、溫度啟動(dòng)外，該方案還可實(shí)現(xiàn)小電流延時(shí)、低溫延時(shí)停風(fēng)機(jī)功能及風(fēng)機(jī)回路故障報(bào)警功能。然而，該方案未考慮風(fēng)機(jī)在停止運(yùn)轉(zhuǎn)后短時(shí)內(nèi)再啟動(dòng)的問(wèn)題，且控制回路仍存在繼電器易損壞、故障率高的問(wèn)題。文獻(xiàn)[24]對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制提出3點(diǎn)要求：保證風(fēng)機(jī)在電流達(dá)到啟動(dòng)電流時(shí)啟動(dòng)、風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)報(bào)警、避免風(fēng)機(jī)頻繁啟動(dòng)。但分析可知，對(duì)風(fēng)機(jī)控制除以上要求外，還需增加溫度控制啟動(dòng)功能，以保證電流或溫度控制條件任一失效時(shí)，仍具備風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)功能。同時(shí)，所提出的要求并不能有效避免繼電器接點(diǎn)故障率高的問(wèn)題，且繼電器啟停定值需手動(dòng)調(diào)整，難以精確整定。

因此，通過(guò)新型10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng))的研制以解決上述問(wèn)題。該系統(tǒng)采用微機(jī)及可控硅調(diào)速技術(shù)，利用電流和溫度雙判據(jù)自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)啟停，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)精準(zhǔn)啟停、轉(zhuǎn)速控制功能，避免了風(fēng)機(jī)頻繁啟停，還可實(shí)現(xiàn)異常狀況在線監(jiān)測(cè)、告警功能，確保開(kāi)關(guān)柜安全可靠運(yùn)行，提高設(shè)備可靠性。

2 微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)策略

2.1 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制策略

微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)采用雙判據(jù)設(shè)計(jì)，以開(kāi)關(guān)柜內(nèi)各相負(fù)荷電流大小及溫度高低作為風(fēng)機(jī)啟停條件，可按需要精確整定負(fù)荷電流或柜內(nèi)溫度啟動(dòng)、停止風(fēng)機(jī)的動(dòng)作定值，同時(shí)在風(fēng)機(jī)啟停邏輯中增加風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、停止保持時(shí)間定值，避免風(fēng)機(jī)短時(shí)間內(nèi)頻繁啟停。

微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)邏輯見(jiàn)圖2。若投入風(fēng)機(jī)手動(dòng)啟動(dòng)功能，則系統(tǒng)立即啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；若投入風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)停止時(shí)間ttz大于系統(tǒng)設(shè)定的風(fēng)機(jī)停止保持時(shí)間定值ttzbc時(shí)，只要滿足“開(kāi)關(guān)柜任一相負(fù)荷電流值大于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷電流定值Iqd”或“開(kāi)關(guān)柜三相負(fù)載電路任一相實(shí)際溫度值大于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)溫度定值Tqd”，系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)降溫。其中，開(kāi)關(guān)柜三相負(fù)載電路實(shí)際溫度值為柜內(nèi)溫度傳感器所測(cè)得的各相負(fù)載電路溫度，溫度傳感器可按設(shè)計(jì)布置到開(kāi)關(guān)柜內(nèi)需測(cè)溫的設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度采集。

圖2 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)邏輯

2.2 風(fēng)機(jī)停止控制策略

風(fēng)機(jī)停止邏輯見(jiàn)圖3。在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，若投入風(fēng)機(jī)手動(dòng)停止功能，則系統(tǒng)立即斷開(kāi)電源，風(fēng)機(jī)停止；若投入風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間tyz大于系統(tǒng)設(shè)定的風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)保持時(shí)間定值tyzbc時(shí)，則系統(tǒng)在滿足“開(kāi)關(guān)柜三相負(fù)荷電流值均不大于風(fēng)機(jī)停止負(fù)荷電流定值Itz”且“開(kāi)關(guān)柜三相負(fù)載電路三相的實(shí)際溫度值均不大于風(fēng)機(jī)停止溫度定值Ttz”，風(fēng)機(jī)停止。

圖3 風(fēng)機(jī)停止邏輯

為避免由于風(fēng)機(jī)電源回路電流過(guò)大造成溫度升高、風(fēng)機(jī)燒毀等情況，系統(tǒng)新增風(fēng)機(jī)過(guò)電流保護(hù)功能，即風(fēng)機(jī)三相電源電路中任意一相的實(shí)際電流值大于系統(tǒng)設(shè)定的風(fēng)機(jī)停止工作電流定值Ifjtz，則系統(tǒng)立即斷開(kāi)風(fēng)機(jī)電源，避免風(fēng)機(jī)燒毀而影響風(fēng)冷控制系統(tǒng)及開(kāi)關(guān)柜設(shè)備安全運(yùn)行。

3 微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信息交互技術(shù)

系統(tǒng)的硬件主要包括控制器、開(kāi)關(guān)柜電流檢測(cè)模塊、開(kāi)關(guān)柜溫度檢測(cè)模塊、可控硅控制模塊、風(fēng)機(jī)電流檢測(cè)模塊和風(fēng)機(jī)等，其數(shù)據(jù)交互見(jiàn)圖4。開(kāi)關(guān)柜電流檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊和風(fēng)機(jī)電流檢測(cè)模塊分別用于測(cè)量開(kāi)關(guān)柜三相負(fù)載電路的實(shí)際電流值、實(shí)際溫度值及風(fēng)機(jī)三相電源電路的實(shí)際電流值。三個(gè)模塊均與控制器相連，可將采集的電流及溫度數(shù)據(jù)傳送至控制器?？刂破髯鳛槲C(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、邏輯比較、集中控制單元，用于控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、調(diào)速和故障告警。根據(jù)10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱和溫升情況，可精確設(shè)置風(fēng)機(jī)啟停的電流定值、溫度定值等，解決常規(guī)風(fēng)機(jī)啟?？刂苹芈分惺謩?dòng)調(diào)整電流繼電器造成定值設(shè)置不準(zhǔn)確或人機(jī)功效差的問(wèn)題。

圖4 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

3.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

以A相為例，系統(tǒng)負(fù)荷電流采樣回路原理見(jiàn)圖5，主要包括電流傳感器L1、電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2、電容C3和計(jì)量芯片U1，電流傳感器L1接于開(kāi)關(guān)柜A相負(fù)載電路，負(fù)荷二次電流輸入后經(jīng)計(jì)量芯片U1輸出對(duì)應(yīng)支路電流數(shù)據(jù)至控制器串口。

圖5 開(kāi)關(guān)A相負(fù)荷電流采樣回路

系統(tǒng)溫度檢測(cè)回路原理見(jiàn)圖6，主要包括溫度傳感器T1、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電容C4、電容C5和放大器U2A。溫度傳感器T1可布置在開(kāi)關(guān)柜不同腔體不同部位，用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜三相負(fù)載電路任意一相的實(shí)際溫度值，測(cè)量值經(jīng)過(guò)放大器后傳送至控制器ADC端口。

圖6 溫度檢測(cè)回路

以U相為例，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電流采樣回路原理見(jiàn)圖7，主要包括電流傳感器L2、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電容C6、電容C7、電容C8和計(jì)量芯片U3。風(fēng)機(jī)電源電路電流經(jīng)電流傳感器L2采樣后通過(guò)計(jì)量芯片U3輸出對(duì)應(yīng)支路電流數(shù)據(jù)至控制器串口。

圖7 風(fēng)機(jī)U相電流采樣回路

開(kāi)關(guān)柜負(fù)荷電流采樣回路、溫度檢測(cè)回路及風(fēng)機(jī)電流采樣回路均為單相檢測(cè)回路。考慮三相負(fù)荷不平衡或因設(shè)備老化等原因造成開(kāi)關(guān)柜內(nèi)三相發(fā)熱不均衡的情況，電流檢測(cè)模塊需按一相一檢測(cè)進(jìn)行配置，溫度檢測(cè)模塊和風(fēng)機(jī)電流檢測(cè)模塊則按設(shè)計(jì)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)配置，以提供可靠的采樣數(shù)據(jù)。

3.3 可控硅調(diào)速技術(shù)

風(fēng)機(jī)控制回路接觸器接點(diǎn)經(jīng)多次啟動(dòng)后容易燒蝕損壞，降低了風(fēng)機(jī)控制回路運(yùn)行可靠性。為此，微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)取消了通過(guò)接觸器接點(diǎn)控制風(fēng)機(jī)啟停的設(shè)計(jì)，采用可控硅調(diào)速技術(shù)控制風(fēng)機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速，其原理見(jiàn)圖8。該回路主要包括電阻R15、電阻R16、電阻R17、電阻R18、電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電阻R23、電容C9、二極管D1、可控硅Q1、三極管Q2、光耦芯片U4、光耦芯片U5和保險(xiǎn)管F1。

圖8 可控硅調(diào)速控制回路

在對(duì)風(fēng)機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制時(shí)，控制器輸出控制命令到PWM端口，通過(guò)改變可控硅導(dǎo)通角α的方法來(lái)改變風(fēng)機(jī)端電壓的波形，從而改變風(fēng)機(jī)端電壓的有效值，達(dá)到風(fēng)機(jī)調(diào)速目的，即當(dāng)α為0°時(shí)，可控硅處非導(dǎo)通狀態(tài)，風(fēng)機(jī)端電壓有效值為0，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)α為180°時(shí)，可控硅處全導(dǎo)通狀態(tài)，風(fēng)機(jī)端電壓波形為正弦波，有效值最大，風(fēng)機(jī)按額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)α為0～180°區(qū)間時(shí)，可控硅處非全導(dǎo)通狀態(tài)，風(fēng)機(jī)端電壓有效值隨著α增大而增大，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增大。同時(shí)，可控硅控制模塊內(nèi)部的控制程序可根據(jù)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)所配置風(fēng)機(jī)的數(shù)量進(jìn)行轉(zhuǎn)速自適應(yīng)調(diào)整，從而統(tǒng)一調(diào)控柜內(nèi)多個(gè)風(fēng)機(jī)的散熱功效。

通過(guò)采用可控硅調(diào)速技術(shù)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低速啟動(dòng)風(fēng)機(jī)及根據(jù)開(kāi)關(guān)柜負(fù)荷電流值、溫度值調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的功能，降低了啟動(dòng)時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)的沖擊效應(yīng)，為風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)策略提供了技術(shù)支撐。

3.4 故障告警技術(shù)

系統(tǒng)可自檢電源失電、控制器故障、可控硅故障、風(fēng)機(jī)故障等異常情況并輸出合并故障告警。如圖9所示，系統(tǒng)故障告警采用硬接點(diǎn)輸出，主要包括電阻R24、電阻R25、電阻R26、二極管D2、三極管Q3、輸出繼電器K1，P1。控制器自檢到系統(tǒng)異常時(shí)，輸出信號(hào)到Ctrl端口，通過(guò)Q3控制K1通斷，最后通過(guò)P1外接端口輸出合并故障信號(hào)。

圖9 微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)故障告警回路

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)變電站10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜內(nèi)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)判據(jù)單一、電流繼電器及接觸器接點(diǎn)故障率高、缺乏故障告警等問(wèn)題，基于雙判據(jù)設(shè)計(jì)，研制了新型開(kāi)關(guān)柜微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用開(kāi)關(guān)柜三相負(fù)荷電流和溫度作為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)啟?？刂?、轉(zhuǎn)速控制及系統(tǒng)異常狀況的監(jiān)測(cè)與告警功能，有效降低了風(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜發(fā)熱、設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提升了10 kV大電流開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行的安全穩(wěn)定性與風(fēng)冷設(shè)備工作的可靠性。新型開(kāi)關(guān)柜微機(jī)風(fēng)冷控制系統(tǒng)于2020年12月在中山供電局某變電站進(jìn)行應(yīng)用，運(yùn)行效果良好，為開(kāi)關(guān)柜風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。