浅谈中压智能开关设备开发设计

文／大全集团有限公司技术中心 蔡平 岳经凯／

1 概述

科技的发展使社会对电力的需求量越来越大，对可靠性的要求也越来越高，同时对电力开关设备本身也提出了更高的要求，智能化、少维护、环保、小型化成为中压开关设备的发展趋势。

随着现代电力系统的发展，传统的电磁式电流互感器、电压互感器暴露出越来越多问题。而新型的电流互感器、电压互感器，在中压配电开关柜与设备中代替传统的电流互感器与电压互感器，原理上完全可行，其优越性十分明显。

由于用户对用电的高可靠性要求，因此对开关设备的可靠性要求也愈来愈高，且要求转变定期维护观念，要转为“按状态”维护，为此，只有依赖于新型非电量传感器，对运行中开关设备的各种状态（包括环境）进行实时监测。

微处理机技术、传感技术、光纤技术与网络通信技术的蓬勃发展，这些技术日臻成熟，开关柜进行遥控、遥测将成为现实，使中央检测单元很容易获得现场（开关柜等）情况，也很容易在中央站完成对现场开关柜的测量、控制，为实现强电与弱电结合，开发智能化高压电器产品、变电站自动化提供了可靠技术基础，并且提高了高压电器可靠性及输配电可靠性。

2 智能开关设备要求

新一代智能开关设备，是指具有较高性能的金属封闭开关设备和控制设备，配装有电子设备、变送器和执行器，不仅具有开关设备和控制设备的基本功能，还具有附加功能，尤其在监测和诊断方面。

中华人民共和国能源行业标准《3.6～40.5kV智能交流金属封闭开关设备和控制设备》对中压智能开关设备总体要求如下：

1)符合GB 3906-2006要求，并具有高度可靠性。

2)具备数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化等主要技术特征，符合易扩展、易升级、易维护的工业化应用的要求。

3)支持变电站无人值班的要求。一次开关元件及可移开部件应可电气操动，为智能变电站完成顺序控制提供可能。

4)具备状态监测功能，以实现状态维修、预测性维修或故障检修。

5)直接与站控层进行数据传输的数字接口符合IEC 62271-3的相关要求。

6)控制、状态监测及保护可采用集成装置，该装置满足间隔层功能要求，并满足全部或部分过程层IED的功能要求。

3 新一代中压智能开关设备

本文根据标准要求，以大全集团有限公司研制的 KYN28-12（Z）智能开关设备的项目为例，提出KYN28-12（Z）中压智能开关设备的解决方案，见图1。

智能断路器包含断路器本体，保护测控装置、电子式电流传感器、断路器机械特性监测传感器、触臂温度监测传感器、监测分合闸电流霍尔传感器、电动底盘车等。

在线监测装置装于开关柜仪表箱内，传感器一部分由断路器通过二次插头引入，如机械特性，分合闸电流监测，但触臂温度通过无线传输，另一部分由开关柜柜体引入，如温湿度、触头盒泄漏点电流，电动接地开关。

人机界面装于仪表箱门，包含显示、操作控制等功能。

3.1 智能断路器

1) 将电流传感器、综合保护测控装置集成到断路器内,使单台断路器就可构成整个测量、保护、控制单元。一体化断路器不仅各元件之间的兼容性好、可靠性高，而且大幅度的降低用户安装、调试成本。电流传感器装在断路器下触臂连接处由罗氏线圈和轻载线圈两组线圈组成，罗氏线圈用于电流的保护，轻载线圈用于电流的测量，额定二次电压测量级为4V，测量精度：0.2级，保护级为225mV，保护精度达5TPE。

保护测控装置内置于断路器智能控制单元，其所需电流信号来自罗氏线圈，电压和零序信号由开关柜互感器引入，具备速断、单相接地、过流、过压、欠压等基本保护功能。

装置还具有完善的闭锁告警功能，能保证在电源中断、电压异常、采集单元异常、通信中断、通讯异常、装置内部异常等情况下不误动作。装置还需具有故障录波功能，可保存一段时间范围内的电流、电压波形及逻辑开关量信号。

2）完善的在线机械特性监测，分合闸电磁铁和储能电机电流测量，主回路触臂温升测量，并对此对断路器运行状态进行实时的监控，提前发现可能的故障隐患，确保设备安全可靠。

(1) 机械特性在线监测

断路器触头刚分速度对灭弧性能影响很大,适当提高刚分速度对减少电弧能量、减少零部件的烧损有很大作用，但过分增大刚分速度不一定能提高灭弧性能，反而会加重操动机构的负担；同样断路器触头合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此，对断路器触头的位移、速度特性的测量及在线监测是很重要的。断路器机械特性在线监测，控制模块装在仪表室，分合闸回路、储能回路接入霍尔穿心互感器，机械特性直线传感器连接到机构与绝缘拉杆结合部。可实现分、合闸线圈电流检测、电动线圈断线预检测和分、合闸速度、超行程检测等功能，检测结果可以进行动态图表曲线显示。

(2) 开关柜触头的温升是否偏高，是否超过标准，是否很能够继续使用，我们无法进行监控，现在传统做法是每年采用红外测温定期检查维护成本较高。断路器动触头温度的测量采用母线取流供电，热电偶接触式传感器测温，利用可靠的无线射频技术（Zigbee无线信号），无线信号传输，将安装于高压处的测温点与接收单元彻底的隔离，实现一次端温度的直接测量，另配合环境温度测量单元，可得到一次温升数据。

3.2 开关柜状态在线监测系统

1）开关柜温湿度在线监测

智能型开关柜必须能根据环境温度来自动调节开关柜本体的温度、湿度等相关参数。可采用带有2个温度测量和2个湿度测量回路，内部装设2路湿度传感器，测量精度：±3%,2路温度传感器，测量精度：1℃,全面监测开关柜温湿度变化情况。控制方式主要通过控制风扇的停转解决开关柜运行时温度过高的问题，通过控制加热板的启停解决开关柜湿度过高的问题。

2）泄漏电流在线监测

采用接触式引流环提取开关柜关键且绝缘相对薄弱绝缘件-触头盒的泄漏电流信号，引流环紧靠隔板，远离母线；引流环选用单芯同轴屏蔽电缆引出，避免产生局部放电，也阻碍了空间电荷的进入；通过穿芯式电流互感器实现一二次侧高低电位的有效隔离；精确采样技术，采样频率9kHz，幅值精度12位；传感器无需电源供电，独立运作；六路传感器采用分布式结构，互不干扰。能够实时在线监测开关柜绝缘件的运行状态，自动完成测量和结果显示。绝缘状态特性的在线监测原理图如图2所示。

图2 绝缘子泄漏电流监测原理图

3）高压带电显示及闭锁：通过高压带电传感器，实现高压侧带电显示及闭锁功能（如控制电磁锁闭锁后下门）；

4）事件记录和显示功能，对断路器有十次以内的分合闸时间、机械特性的记录和总操作次数记录。对断路器触头在线测温有超温时间和超温部位的记录，并且可扩展各种需要查阅的事件记录。

3.3 电动操作系统

电动操作系统主要包括电动底盘车和电动接地开关，在接地开关主轴上安装电机和减速齿轮传动系统，能够实现手动和电动双操作，电动底盘车及控制模块安装在断路器内，电动接地开关控制模块安装在开关柜仪表室内。通过智能控制单元，可以在人机界面面板上直接操作电动底盘车的前进、后退、停止和接地开关的分、合控制，并且能够实现电机的防卡死、防过流等保护功能，不仅保证操作人员的人身安全，而且从软件程序上防止了无操作的发生。

3.4 通讯

外部支持IEC61850通讯协议，内部同时支持Modbus TCP/IP标准工业协议。监测、保护控制装置中的数据可以通过以太网（GOOSE）将数据送入到远方控制端，由远端操作人员对断路器进行控制，也可以通过以太网或RS485将数据送入到人机界面显示，同时人机界面可以通过以太网（站控MMS）将波形曲线，故障数据等信息上传到远方控制端。断路器通过带通讯端口的增强型航空插头，实现与开关柜人机界面及后台的通讯。

3.5 人机界面

1）指示灯：开关柜带电显示，A，B，C三相；手车隔离/工作位置；断路器分/合闸；接地刀闸分/合闸；断路器合闸弹簧已储能/未储能；柜内照明；故障报警；加热器加热/停止；风机启动/停止。

2）通过功能选择键、上下、左右键或翻页键，显示以下参数或数据：用图形动态显示一次回路的模拟指示；柜内温度/湿度；断路器六点触头温度；触头盒六路泄漏电流；断路器的机械特性曲线；断路器分/合闸记录，分合闸电流；电动底盘车电流，动作次数；电动接地开关电流，动作次数等。

3）操控

断路器分、合闸：分合闸回路引入控制器，保护跳闸由断路器自身完成，通过通讯网络，实现对断路器本地和远程分、合闸操作。

手车电动进出、接地开关分合：控制底盘车、接地开关电机以及闭锁引入控制器，通过通讯网络，实现对电动底盘车、接地开关本地和远程进车/退出、分/合操作。

4）系统设置和管理。

4 结束语

虽然智能开关设备的研究和生产已历经多年，但是现有的各类系统都较为分散，多以在线监测为主，而且不同系统兼容性差，可靠性差。本文设计的10kV中压智能开关设备将这些系统集成与一体，提出了一体化的带测量、保护的智能能断路器，达到了较高的智能水平。

新一代智能开关设备，将改变传统开关柜的模式，开关柜原有的功能将集中到断路器上，操作保护功能、电流电压信号在断路器上均可以实现，开关柜的电缆室、仪表室元件将非常简单，从而有利于开关柜的简单化和减短工程交货期。

中压智能开关设备是一种新一代开关电器，它融合了传统电器、计算机、测控、传感器与微电子技术，因此需要国内一次设备和二次设备厂家进行资源整合，加快中压智能开关设备的产业化步伐，推动我国坚强智能电网不断向前发展。

[1]张杭.智能化电器和智能化开关柜现状和发展.智能化开关电器及其应用文集(第一集).江苏省电工技术学会,1998.

[2]陈振生.开关柜的在线监测和传感器技术(一).华通技术.2004-4.

[3]金苇.中压真空断路器智能化实施中的关键问题.安徽工程科技学院学报,2008-23-1.