变电站高压断路器就地安装操作箱研究与应用

赵谦，陈福锋，俞春林，李帅，孙伟

(1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210003； 2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

变电站高压断路器就地安装操作箱研究与应用

赵谦1,2，陈福锋1,2，俞春林1,2，李帅1,2，孙伟1,2

(1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210003； 2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

目前变电站高压断路器配套操作箱体积大、回路复杂、冗余回路多。针对智能变电站二次设备就地化现状和一次开关断路器的变化，对操作回路进行优化，开展小型化、就地化设计。设备结构设计由传统的背插式转变为叠层式，取消母板和指示灯等电气模件，大大缩减了设备体积，且符合操作箱相关标准。经过小型化设计的操作箱可以灵活安装在一次开关端子箱、智能控制柜等空间，安装体积为原有操作箱的1/4至1/2，接线端子数量为原有操作箱的1/2。

智能变电站；操作箱；小型化；就地安装；优化设计

0 引言

高压断路器是变电站最重要的一次设备。操作箱作为其二次接口设备，在断路器切断一次回路中起重要作用，为一次设备提供简单保护和辅助，并为二次设备提供相应的状态指示和信号。2000年以后，各电压等级、各种高压断路器操作箱的典型设计工作才开展起来；2010年以后才制定高压断路器操作回路相关国家标准[1]。

由于断路器不断改进、设备厂家产品需适应各种时期和各种厂家断路器、操作箱的配置方案也种类繁多，目前广泛使用的高压操作箱结构较为复杂，回路较为繁冗，型号众多。变电站继电保护和测控等二次设备智能化后，目前正向就地化和小型化方向发展。二次设备走出小室，原有组屏的操作箱已经不能适应二次设备就地化和小型化发展。操作箱亟待进行优化设计，目标是简化回路、提高可靠性、适应二次设备就地化发展、优化配置。

1 现状

500 kV分相操作箱按断路器配置，采用双套配置。220 kV分相操作箱按出线配置，采用双套配置或配置1套具备2组独立操作回路的操作箱。三相操作箱除了主变压器间隔一般采用单套配置[2]。

目前普遍使用的断路器操作箱主要包含以下功能：跳合闸保持、跳合位监视、防跳、压力闭锁、三相不一致保护、电压切换、电源监视、手合、手跳、永跳、重合、发信号、备用继电器等。每个功能中又有很多复杂设计。根据不完全统计，实现1个具备2组独立操作回路和独立电源的分相操作箱，需要配备近200个各类继电器，50组相关回路。

操作箱在变电站内一般采用标准4U19英寸机箱，与保护装置组屏安装。配备1套具备2组独立操作回路的操作箱时，其跨屏接线较为复杂。配备2套独立操作箱又有占空间较大的问题[3-4]。

继电保护设备采用小型化设计、就地化安装已经成为下一代继电保护发展方向[5]。就地化二次设备系统布置如图1所示。线路保护、测控、分布式母线子单元、故障录波器子单元等智能电子设备(IED)采用小型化设计、就地化安装于一次设备附近，大大减少户内屏柜数量和电缆长度。与此同时，保护就地化且保护屏柜取消后，操作箱无法再安装于保护小室或主控室，必须安放在就地户外柜或端子箱内。以现有操作回路的复杂程度和配置方式，很难进行小型化改造和就地化安装。必须针对新型断路器的特点、就地化二次设备特点、二次设备配置等对操作箱进行回路优化和小型化设计[6-8]。

2 设计方案

2.1总体方案设计

就地化安装后，操作箱应尽可能简化，且采用1套保护对应1套操作箱方案，保证回路清晰、独立、可靠。操作箱中常用的断路器三相不一致保护、防跳、压力闭锁等功能已在断路器本体端子箱实现。断路器提供的位置辅助节点数量也能满足二次设备接入需求，无需提供多组位置监视节点。此外，冗余的指示灯占用过多继电器节点，就地化安装后，操作箱指示灯应相应减少，信号由就地化测控单元送出。

图1 就地化二次设备系统图

现有操作箱一般采用4U标准机箱，背插式设计，配有母板、指示灯、功能插件等，如图2所示。

图2 传统背插式示意

本文提出的小型化设计、就地化安装的操作箱体积为2U半层，尺寸为240 mm×205 mm×90 mm(长×宽×高)。为了进一步缩小装置尺寸，取消装置母板，电气模件采用叠层设计。同时将精简后的指示灯布置在叠层电气模件上，取消指示灯模件。

小型化、就地化操作箱在功能上主要保留：跳合闸保持、跳合位监视、电压切换、电源监视、手合、手跳、永跳、重合、发信号。采用1套操作箱装置对应1套保护。叠层式示意如图3所示。

图3 叠层式示意

2.2模块设计

按照操作箱的功能划分和面向的对象，分为3层叠层设计。其中A层布置手合、手跳、永跳、重合、电源监视等重动继电器。重动继电器每个回路布置3组单稳态继电器，包含2组全常开继电器用于启动跳合闸和发信，1组常开常闭继电器用于提升启动功率。合后继电器采用2组磁保持继电器，提供足够数量的磁保持合后节点。

B层布置跳合闸保持、跳合位监视。不再设计防跳和压力闭锁功能。跳合闸保持继电器电流匹配，采用功率电阻与二极管并联自适应模式，尽可能适应现场各种跳合闸线圈的匹配需要。控制回路断线信号由测控单元合成，进步一减少继电器数量。

C层布置独立的电压切换功能，分为单位置电压切换和双位置电压切换2种模件。分别采用单稳态和磁保持继电器实现单位置和双位置切换。

板件之间采用少量排线连接，如图4所示。为了达到较好的抗干扰性能，板件设计主要采用以下设计方式：所有电气信号之间间距不小于4.0 mm；荷载较大的信号线采用1.5 mm以上可靠焊盘和1.0 mm导线连接；与强电直接连接回路与器件在板件上增加大面积丝印层提升绝缘性能；板件层厚增加至1.8 mm提升板件刚性[9-10]，如图5所示。

图4 板件间信号连接方式

图5 可靠性设计方式

2.3结构和安装设计

装置采用2U半层设计，外壳主要采用导电氧化铝板冲压制成，结构件分为上盖板、U型主体、后盖板、前面板。

就地化二次设备和断路器本体相关信号和端子均在断路器端子箱或户外柜的端子排排布。操作箱在端子箱或户外柜安装，直接与端子排对接，所以本方案就地化操作箱采用单排电气端子接线。

2.4对比优势

就地化、小型化设计操作箱，双套保护配置下推荐采用双套独立配置操作箱，其占用体积为双套独立配置传统操作箱的1/4，为单套双跳操作箱的1/2。可以灵活安装于端子箱、汇控柜、户外柜等柜体内。节约安装空间优势明显。

单套接线端子数量为94个，且无外部辅助回路或继电器。端子数量减少到原有传统操作箱的1/2。

3 试验和试运行

本文所涉及的就地化操作箱符合GB/T 7261—2016，GB/T 14598.2—2011，GB/T 14598.26—2015，DL/T 478—2013等国家标准、行业标准的要求，2016年通过许昌开普电器实验室型式试验。小型化分相操作箱和三相操作箱产品在山西运城220 kV夏县变电站、陕西长庆油田110 kV天字变电站挂网试运行，安装位置位于开关机构端子箱，从端子箱端子排接线。目前运行情况良好。

4 结束语

文章分析了二次设备就地化现状和断路器发展下的操作回路需求变化，对操作箱结构进行小型化设计，对现有操作回路进行优化，取消冗余回路和功能，使其具备了结构简单、回路精简、易于安装等优点，能够可靠地配合就地化保护完成对一次设备的控制。同时，对内部继电器的重新布局及接线端子的优化，提高了电气可靠性。经过优化的操作箱显著降低了使用和维护难度。经过分析、测试和试运行，其安装、接线、可靠性优势明显。

[1]赵晓民,韩国辉,刘文魁,等.高压断路器用SF6/CF4混合气体状态参数计算及液化分析[J]. 高压电器, 2016,52(12): 204-208.

[2]朱韬析,史志鸿,郭卫明,等.断路器操作箱和就地操作机构内合闸回路的配合问题[J].电力系统保护与控制,2010,38(8):115-119.

[3]廖建国.断路器操作回路设计改进[J].内蒙古电力技术,2016,34(3):49-51.

[4]蒋苏静,蒋国顺.220 kV断路器操作回路的优化配合研究[J].高压电器,2013,49(11):88-93.

[5]裘愉涛,王德林,胡晨,等.无防护安装就地化保护应用与实践[J].电力系统保护与控制,2016,44(20):1-5.

[6]牛强,钟加勇,陶永健,等.智能变电站二次设备就地化防护技术[J].电力建设,2014,35(9):76-81.

[7]梁经宛,刘志远,牛强,等.面向变电站间隔的就地一体化装置实现方案研究[J].电力科学与技术学报,2016,31(2):84-88.

[8]周小波,汪思满,吴正学,等.环网分布式母线保护装置就地化实现探讨[J].电力系统保护与控制,2015,43(6):104-108.

[9]郭乐.智能电子设备就地化的电磁兼容(EMC)探讨[J].华东电力,2013,41(11):2252-2255.

[10]陆征军,李超群,李燕,等.就地安装的智能电子设备的电磁兼容问题[J].高压电器,2013,49(7):92-95.

TM 834

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1674-1951(2017)10-0020-03

2017-07-17；

2017-08-08

(本文责编：刘炳锋)

赵谦(1985—)，男，江苏南京人，工程师，工学硕士，主要从事智能变电站及继电保护和测控研发工作(E-mail:qian-zhao@sac-china.com)。

陈福锋(1979—)，男，江苏宜兴人，高级工程师，工学硕士，主要从事智能变电站及继电保护研发工作。