敞开式变电站智能组件及其控制柜方案

陈小卫 张成松 但春林

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，南京 210003）

随着近几年数字化特别是智能化变电站试点工作的不断推进，继电保护、自动装置等二次设备的数字化和网络化得到了足够的重视和长足的发展，基于数字化、网络化二次设备的综合自动化变电站越来越多，这大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的灵活性和可靠性。但由于各种原因，一次设备的智能化却相对滞后了。

本文介绍了敞开式智能变电站智能组件及其控制柜较新的设计方案和设计理念，希望这种数字化变电站系统设计的新方案和新思路能为用户节省大量投资，为设计院减轻大量工作, 同时也提升了变电站建设整体的智能化水平。

1 智能终端新方案

1.1 智能终端的基本功能

1）智能终端的控制功能

智能终端作为与一次设备联系的智能组件之一，必须满足目前智能变电站的基本功能要求。智能终端是在传统操作箱上演化而来的，由于智能变电站网络化优势，传统操作箱的很多信号可由智能终端以数字化的方式实现，可大大简化操作回路。因此可将智能终端操作回路设计成能与分相或三相操作的断路器配合使用，使装置具有传统操作箱功能，并实现部分测控功能，支持IEC 61850的GOOSE方式的跳合闸命令，同时又能保留了传统的硬接点跳合闸方式，能够采集并上送开关位置、隔刀及地刀位置、开关本体信号，提高装置的使用范围。

对于开关状态及跳闸命令采用 GOOSE数据格式传输。为了满足 GOOSE传输的实时性,GOOSE传输采用变位时立即发送，此后按照一定的存续时间进行间隔发送，如此发送，最后采用固定时间传送。如图1所示。

图1 GOOSE信息发送时序图

2）智能终端的监测功能

在 AIS变电站中，智能终端需就地安装，与断路器及隔离开关等设备距离很近，可增加智能终端的就地通信功能，配合相应的传感设备可监测操作机构分、合闸线圈工作电流及分合闸回路状态的检测。

线圈工作电流的波形，反映了铁心运动状态和机械状态。根据电流波形的特征参数可以计算出铁心起动时间、运动时间、线圈通电时间，从而得到铁心运动状态，从中发现是否有铁心卡滞现象，以及铁心的行程和铁心吸力等参数的变化情况。

装置通过采集每次操作时流过断路器跳合闸线圈的电流和时间，并与开关出厂时已经预置的参数进行对比，最终得到该机械结构在操作时电流和时间的变化百分比。

式中，I为当前断路器动作电流；In为开关出厂实验记录电流值。

式中，T为当前开关动作时间；Tn为开关出厂实验记录动作时间。

根据断路器操作机构在动作时所需的电流和动作时间的变化可以准确推断断路器操作机构的机械磨损情况，为断路器操作机构的检修提供准确的数字依据。

智能终端通过传感器采集电机运行电流，并由此得到电机的运行时间，与正常电机运转的电流和时间进行对比，从而判断是否存在电机空转和卡转等情况，并通过监控上送给运行人员。典型的电机分合闸线圈的运行电流曲线如图2所示[1]。

图2 电机分合闸线圈的运行电流曲线

分合闸回路是否完好，是分合闸线圈顺利动作的基本保证。对此监测可预防断路器由控制回路断线故障而拒动。这样可以减少“拒动”现象发生的几率，有益于断路器稳定运行。如出现异常就能报警。

另外，对于断路器、隔离接地组合开关触头位置状态的监测以及断路器和隔离接地开关的操作机构的监测，可以作为触头位置的状态指示及相关特性分析的一个判断依据和触头位置的状态指示及相关特性分析的一个判断依据。

1.2 智能终端的高级功能

AIS智能变电站中使用的电子式或者光学互感器的暂稳态特性和精度都高于传统电磁式互感器，因此可通过采集断路器在电网中开断不同大小的故障电流，来实现断路器电寿命的折算。

影响开关电寿命的随机因素太多, 如不同产品结构相异, 对同样的开断电流却表现出不同的电磨损：同一产品在不同试验站也有不同的试验结果，甚至同一产品在同一试验站做两个系列的电寿命试验也可能得到不同的结果。但是, 诸如燃弧时间、触头及喷嘴的结构与材料等随机因素对灭弧室烧蚀的影响, 从累计的角度考虑，都可加以简化，从而可以得到一个比较可行的近似折算公式。可按值来考虑灭弧室触头的电磨损比较合理[2]：

触头的磨损体积V与触头材料特性（k值）及开断电流Is式的α次方值有关（α为1～2）。

断路器可配置一组独立的电子式CT线圈，智能终端通过采集器采集每次开关时拉开故障电流和开断时间进行累计，根据前文中监测到的相开关的故障切除时的电流，计算每相断路器的累加值，并根据此累加值对开关寿命进行科学评估，显示剩余寿命。

为了延长开关设备寿命，可通过采集器采集本间隔的电压，开关跳闸时按电压波形控制合闸角，按最佳灭弧时间控制跳闸，以减少操作过电压。

开关寿命的折算需要了解各型号断路器的特性，并需要有大量的实验数据供分析使用，目前智能终端主要由二次厂家研发，智能终端该部分功能还未能实际应用。需要一二次设备厂家相互交流配合，根据断路器厂家提供开断电流的实验数据，同时还要结合国内电网的故障率进行分析，由于目前没有可靠国内电网的故障率统计数据，要实现断路器寿命的折算还需要进行大量的工作，但是可根据国外的数据参考，从而进行侧面推测。

2 设备的状态检测

2.1 断路器动作特征监测

作为智能控制柜，柜内可集成安装断路器动作特征监测 IED，实现储能电机电流的监测，获得储能电机的工作信息；监测合（分）闸回路的状态，推测是否有接触不良、断线等情况发生，反映电磁本身和所控制的锁闩或阀门或阀门以及连锁触头在操作过程中的工作情况；动触头行程和速度的监测。

2.2 SF6断路器的微水密度监测

SF6微水及密度监测 IED中的传感器单元通过高精度压力、湿度及温度变送器，经过A/D转换成数字量，再经过微处理器进行补偿运算及处理，通过电缆接口将采集数据发送到 SF6微水及密度监测IED；SF6微水及密度监测IED通过显示器直接显示被测高压设备中 SF6气体的温度、压力、密度、体积比和露点。

2.3 电流电压互感器的监测

监测电流互感器、电压互感器电气设备的绝缘状况，包括介损、泄漏电流、电容量、电容量变化率、相对介损等各项重要指标。

传感器的信号取样采用穿心结构的有源零磁通设计技术，选用起始导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁心，采用独特的深度负反馈补偿技术，能够对铁心的激磁磁势进行全自动补偿，保持铁心工作在接近理想的零磁通状态，使其基本不受环境温度及电磁干扰的影响，从根本上解决了末屏电流信号的精确取样问题。

高精度的有源零磁通传感器将泄露电流经 A/D转换成数字量，再经过微处理器进行DFT运算及处理,通过485接口将采集到的数据发送到容性设备监测IED。

目前使用的状态监测IED还是按类型设置不同IED，造成了控制柜内设备较多，监测系统组网也相对复杂，由于监测传感器提供的是RS485接口或者是小模拟量信号，因此可将上述类型的监测装置集成为一台针对本间隔的集中监测的 IED，IED采用IEC61850协议，与状态监测系统通信，特别是现在智能变电站使用一体化监控平台，监测IED可将监测数据文件在召唤时以文件服务方式传送至站控层网络，简化系统组网结构。

3 智能控制柜

3.1 智能控制柜的结构优化

户外AIS变电站，由于一次设备没有组合电气那样集成，就地除了需要有安装智能终端和状态监测装置的柜体外，还有提供动力电源的电源端子箱以及断路器本身的信号端子箱，为了方便观察运行方式还需要在控制柜上集成模拟主接线，占用了大量的控制柜空间，施工也较麻烦，集成度不高。因此可将各端子箱的功能集成，由一面智能控制柜满足以上功能的要求，如图3所示。

图3 一体化控制柜实物图

本方案除了安装各智能组件外，还集成了交流端子箱及断路器的信号箱，各设备间的联系可在柜内完成，对外通过光纤与过程层网络通信，实现一次设备的控制和信息采集，并且智能终端面板可集成本间隔的模拟主接线，如图4所示。

图4 智能终端面板的模拟接线

智能控制柜的结构优化节约了电缆等设备投资以及相应的施工投资，基于一二次整合的AIS智能控制柜能够有效地取消和简化冗余回路，提高了整个二次回路的可靠性，大大简化了设计和现场施工的工作量，同时使的变电站的整体也更加简洁。如果和固定的一次设备厂家配合，还能将断路器等一次设备与控制柜的接口改成航空插头连接，使 AIS变电站控制柜也能和GIS或者PASS组合电气一样高度集成化。

集成化的智能控制柜在河南鄢陵220kV智能变电站中已经应用，柜内安装了智能终端、合并单元、断路器监测IED和断路器的信号端子箱以及机构的电源端子箱，采用了温湿度控制器配合加热器和风扇实现温湿度控制。原来变电站一次开关与二次智能终端之间的连线都已在出厂前完成。根据现场了解的情况，该智能柜的方案大大缩短了设计和施工的工作量，简化了维护工作，同时也是的变电站整体效果很简洁。

3.2 智能控制柜的温湿度控制

AIS控制柜都在户外安装，且靠近高压设备，因此抗电磁干扰的IP等级很高，一般都采用双层不锈钢结构，同时还有二次设备在内部安装，因此智能控制柜内的温湿度无法通过自然通风方式实现，需要通过其他辅助设备来完成，可利用以下方式实现。

1）温湿度传感器配合加热器和风扇，由于柜内温度由上至下梯度递减，因此需将温湿度传感器安装在柜内上部，风扇安装于柜顶，高温时启动通风，低温高湿度时启动加热器。需根据柜内安装的设备和空间选用合适的风扇及加热器。该方案在目前智能变电站中已使用较多，成本较低。

2）选用热交换器内嵌在柜门上，完成柜内外的热交换，热交换由高导热材料做成，通过内外风扇实现导热，可使柜内外温差控制在5～8℃，但是在夏天高温时，由于外部温度较高，热交换器控制的柜内温度相对不是很理想。而且相对于加热器和风扇成本较高。

选用工业空调，和热交换器一样内嵌于柜门上，可快速的实现柜内的温度控制，由于工业空调效率较高，因此会造成空调频繁启动，加大了变电站的负荷，也对空调的使用寿命带来不良影响，同时空调制冷时对装置吹冷风，容易在装置表面形成凝露，不利于电子设备的与行，并且空调还需经常维护空气滤网，日常维护较麻烦。目前户外智能柜使用空调的不多，还需要根据实际需求，进行选择性使用。

3）在柜内使用相变材料控制温度，相变保温材料是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质，相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。由于不需要外接电源，而是通过物理状态的改变实现温度调节，因此可节约大量电能。但是相变材料在调节温度时会出现液态的状态，因此在控制柜内安装相变材料的容器必须完全密封，否则会造成泄漏，影响设备的安全运行。相变材料在已投运的智能站中还未使用，有厂家已在进行相关的实验。

为了实时监控控制柜体及柜内的温湿度情况，可在柜内配置相应的传感器，将柜体门的状态、柜内的温湿度情况、风扇的运行状态等通过智能终端进行采集，上送至监控系统，方便运行人员监测控制的状态。

4 结论

智能变电站中智能组件和控制柜虽已广泛使用，由于一次设备厂家的技术限制，其智能化程度还是相对较低，随着技术的发展和智能站的不断实践，上述智能控制柜的方案将会大大提高智能站中设备的智能化程度，并能简化设计和施工工作，很好的体现了智能变电站的优势。

[1]包红旗.HGIS与数字化变电站[M].中国电力出版社，2009.

[2]程礼椿.电接触理论及应用[M]. 北京: 机械工业出版社,1988.

[3]高翔.数字化变电站应用技术[M].中国电力出版社，2008.

[4]孙福杰, 王章启.高压断路器触失电寿命诊断技术[J].电网技术,1999(3):59-61.

[5]Q/GDW 430 智能变电站智能控制柜技术规范[S].