基于CT自供电的10kV高压断路器柜及其应用

广东先达电业股份有限公司 张建国

基于CT自供电的10kV高压断路器柜及其应用

广东先达电业股份有限公司 张建国

对CT自供电原理、存在的问题、采取的技术及办法进行了简单的分析，并将其应用在商业区10kV断路器柜和住宅小区欧式箱变中，取得了良好的社会效益和经济效益。

CT自供电；断路器；欧式箱变

引言

随着城市房地产业的进一步的发展，地段、交通、环境等良好的房地产用“寸土寸金”来形容显然不为过。为此,有些建设单位就把配电房设置在：

（1）柱梁多、高度不够、不好排布的边角地带。

（2）四周空间不够的室外……当然,建设单位也知道安全可靠性的重要，但物美价廉自然是最佳选择。另外,南网典设规定800kVA及以上容量的变压噐配套使用的高压柜要配置断路器形式的保护。这些都是供配电设计必需达到的要求，供配电设计难度增加了。

我们知道：用于电力供配电系统中起通断、控制、保护等作用的10kV断路器柜，主要是由真空断路器、隔离开关、接地开关、保护装置、CT、PT、直流屏、避雷器等组成的。继保是断路器柜的重要组成部分，其作用是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。要保证断路器柜的正常工作，必须提供220V或110V电源给保护装置、开关，传统的方式就是通过直流屏或500VA的进线PT提供。

为此，我们在设计中除了对用电负荷仔细核算、对设备安全性可靠性排布等严格要求外，还对设备配置选型进行了认真分析和探讨后发现：无需配置500VA进线PT或直流屏柜的CT自供电的断路器柜具有占地小、保护接线简单、检修维护量小、安全可靠等优点，既符合了南网典设的用电安全要求，又可满足客户用电的需要。

1.CT自供电技术分析

1.1 CT自供电原理

CT自供电，顾名思义就是利用CT 回路，从一次回路的电流互感器汲取电源，获取能量的（不需要配置外部电源）。CT二次侧电流经整流后，分别通过24 V稳压电路、5 V稳压电路以及电流泄放电路后，取得24 V 及5 V电源。5 V电源提供信号采样和控制电路的工作能量，24 V电源提供跳闸电路工作的能量。电流泄放回路根据电路工作电流的大小自动调节泄放电流的大小，使电路电源稳定工作，同时不会增加电流互感器的负荷。在10kV高压断路器柜中,CT自供电获取能量的装置通常附装在继电保护装置上,故又简称该种继电保护装置为“无源继保”。自供电电路原理框图如图1所示。

图1 自供电电路原理框图

1.2 存在的问题

从原理框图看，好像只是简单的整流、滤波和稳压（降压）电路，当然没有这么简单，众所周知：CT电流是无规则地变化的，要从中获得能量，还要解决以下几个主要问题：

1）首先要解决好电流适应性的问题（因为故障时一次侧电流是额定值的十几倍，而在低负荷时负荷电流小于额定值）。

2）其次要解决好稳定的跳闸能量问题（因为无论在低负荷或过电流短路状态时，驱动跳闸的能量都很大）。

3）还必须保证供电可靠性和系统正常工作（因为故障时，瞬间能量泄放很大，不能影响电路的正常工作）。

1.3 采取的技术及办法

由CT电流无规则地变化衍生的这些问题，CT自供电厂家采取的是结合开关电源理论和功率器件开关特性等原理的技术，具体的办法主要有：

1）取电CT选用截面积较大的，并相应的减小线圈的匝数，这样可以有效的减小CT输出的峰值；使用TVS和NMOS在直流侧组成直流限压电路，在交流接口处采用压敏电阻预防浪涌，配置足够的整流桥容量，选用开关速度快的整流桥；根据CT一次侧电流变化实时模拟电压信号大小，采用可编程放大器进行实时调节，使电路具有很好的电流适应性。

2）为提供充足的跳闸能量，自供电电容量应大于等于500 PF，输出电压大于等于24V。而且将5V和24V电源互相隔离，两路电源互不影响，保证系统可靠性稳定性。

3）采用Mosfet 的控制电路，在小电流时正常取能，而在有大电流灌入时，通过控制使多余电流在Mosfet上进行释放，以确保整个系统的供电安全。

还有就是因为采用自供电技术，装置供电的功率受到较大的限制，所以如何降低整个装置(硬件、软件方面)的功耗也是一个要点。生产厂家采用了低功耗的微控制器(例如：性能先进的Cortex 系列，其内核直接支持低功耗)和其他低功耗外围系列IC等办法解决这个问题。

2.应用

2.1 在商业区的应用

某商业区用电容量是2台800kVA变压器,配电房被开发商安排在柱梁多、不好排布、最低高度3.3米的地带，经过勘察发现该配电房虽然不好排布，但出线进线还是比较合适的。为此，结合设备厂家提供的资料,采用CT自供电的HXGN15-12型固定断路器柜进行排布，将10kV进出线断路器柜安排在最接近进线电缆进线的边角，由于该商业区高压柜设计一进二出一计量，高压电缆只有三条，故砌0.5米基础沟就够用了，柜组总宽3.2米深0.9米高2米，砌0.5米基础沟后最低高度0.8米，柜前最小距离1.55米，柜后及柜两边0.8米及以上，符合南网典设的要求。

而采用传统的KYN28A-12型高压柜就是要：

1）使用宽0.8米深1.5米高2.3米的手车式断路器柜，屏前安全操作距离2米以上，与CT自供电的HXGN15-12型固定断路器柜相比,占地面积约多3.52平方米左右,砌0.5米基础沟后最低高度只有0.5米。

2）配套24ah的直流屏提供电源给装置和跳闸操作使用，24ah的直流屏占地面积约6.96平方米(以直流屏本体1面计，宽0.8深0.6，屏左右及背面留0.8通道，屏前留1.5安全操作空间)。

我们还知道直流屏的电池是要进行常规维护的，而且使用一定时间后还要更换，后续的维护检修是必需的。无须配置直流屏的CT自供电不仅为开发商降低了工程投资，减少了设备的维护检修量，配套使用的无源继保装置还完全能满意典设要求的定时限过流、速断、零序、失压、过负荷保护，超温跳闸、高温发信等功能，不仅如此，还具有反时限保护和接地故障保护等功能。自供电装置接线端子典型图如图2所示。

2.2 在住宅小区中的应用

图2 自供电装置接线端子典型图

某住宅小区用电容量是一台800kVA变压器，要配置断路器柜形式的保护，开发商决定采用欧式箱变进行供配电，之所以选用欧式箱变是因为欧式箱变具有结构紧凑占地面积小的特点，欧式箱变结构紧凑，必然存在散热的问题，而箱变的散热空间是一定要保证的。

经过勘察后在小区的安全地带确定了一处安装位置，但经过测量后发现：采用传统的XGN66断路器柜组成的箱变设计的话,两边的门会碰到墙，差0.4米左右，而设备厂家已经把散热空间缩至最小。而采用CT自供电的集隔离开关、真空断路器、CT和误防接地开关于一体的IV2000型断路器柜，进出线最小可做到宽0.4+0.52米，与传统的箱变相比：不仅可以不采用为装置和跳闸操作提供电源的500VA进线PT，而且两边可增加0.68米的空间（传统的进出线宽0.8+0.8米），两边的门完全可以打开，散热空间得到保证。某住宅小区箱变结线图如图3所示。

图3 某住宅小区箱变结线图

我们在欧式箱变使用过程中发现了一些需要注意的问题：

1）大部分无源继保厂家可以根据用户自己的标准选择5A或1A互感器，用户订货时只需提供准确的互感器的型号，电流比，准确级和额定负载就可以了。而有些厂家必须配套使用厂家特制的互感器，不然就产生跳闸拒动。

2）用户订货时，要根据实际的脱扣线圈来选择型号。因为脱扣装置采用的脱扣电源是不同的。如:双稳态脱扣装置：该能量以12V的振幅、30ms的脉冲形式供给。在故障的情况下，这些脉冲以100ms的间隔重复以确保断路器分闸。而单稳态脱扣装置包含了DC24V，DC48V，DC110V，DC220V的脱扣装置。

3）保护装置按照模式分为带显示和不带显示两种类型。带显示的保护装置配备一个显示器和一个小键盘，用来设置继保参数。当发生故障时，故障原因及故障发生的日期和时间一同记录在显示器上。不带显示的适用于户外的低温环境，保护功能的参数值由DIP开关组来设定，同时配备LED指示灯来监测装置是否工作正常。

3.结束语

我们自2012年开始在小型商业区10kV供配电柜中试着使用CT自供电的高压断路器柜以来，用户反映良好，运行安全稳定可靠先进，可实现智能化，取得了良好的社会效益和经济效益。

CT自供电技术最早出现在2000年，是从国外引进的，较有代表性的有西欧的阿尔斯通和北美的固柏。2006年武汉意瑞莱在国内首先研发并使用该技术,现在CT自供电技术在国内外逐渐成熟，应用范围也越来越广泛，可以在断路器柜和柱上开关运用，也可以用于熔断器组合开关柜中，而用于智能电网保护系统中可以估计是未来的主流产品。

[1]徐志坚,刘映杰,王新,李涟凤.一种基于单片机的自供电过电流继电器的设计[J].电力系统保护与控制,2010,38(11):117-120.

[2]任元会主编.工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

[3]牟思浦主编.电气二次回路接线及施工[M].北京:中国电力出版社,2007.

张建国（1969—），本科，工程师，从事电力供配电设计研究工作。