基于电磁场感应原理的开关柜防误闭锁技术

胡旭波, 张 磊, 万真礼

(国网浙江省电力公司宁波供电公司, 浙江 宁波 315000)

中高压开关柜在电力行业中应用十分广泛,几乎是所有新建35 kV以下输配电设备的首选.开关柜类设备种类多、功能丰富、配置灵活、现场安装方便,给用户与电力部门的设计选型、调试安装带来了极大的方便,然而这些特点也导致了开关柜内部元器件种类复杂、连接随意、容易造成事故、缺陷发生率较高等问题.由于开关柜类设备所供电的对象很多没有环网或多路电源,抢修或检修工作时间相对紧迫,而且开关柜类设备内部元件的带电状态不够直观,导致了大量的人身伤亡事故.

1 开关柜现有防控技术缺陷分析

对最近15年国网公司以及部分发电企业6～35 kV开关柜人身事故进行统计后发现,最常见的事故原因主要有误开带电柜门、误开手车柜带电帘门、带电操作刀闸或手车、带电合接地刀闸4种[1-4],这4种类型的事故占开关柜设备所有人身事故的85%以上.由于最近几年加强了带电显示装置的质量管控,带电合接地刀闸事故基本得到遏制,但其他3类事故仍频繁发生.具体原因如图1所示.

图1 高压开关柜事故原因

由图1可以看出,导致事故的根本原因就是欠缺闭锁带电柜门、带电的闸刀手柄或手车摇柄的防误闭锁设备.虽然设计具备这些功能的闭锁设备难度并不大,然而开关柜类设备仓位极多、型号结构多样,供电可靠性要求又高,要大范围安排逐个回路停电加装几乎是不可能的.新的防误闭锁设备必须具备不停电加装的功能,才能快速推广应用,从根本上遏制此类人身事故频发的势头.

2 电磁场感应防误闭锁技术原理

基于对3类开关柜人身事故高发原因的分析,开发了一种基于新型智能机械锁的开关柜人身事故防控系统.通过将该系统应用于高压开关柜,起到闭锁带电柜门开启、带电帘门开启、带电刀闸或手车手摇操作的作用,从而达到管控人身事故的目的.通过分析开关柜一、二次部件的结构特点,基于新型智能机械锁技术,本文提出了新型智能机械锁的防误闭锁系统.它是由电场/电流感应机械锁钥匙保管装置与机械锁两部分组成,如图2所示.

图2 新型智能型机械锁系统框架

钥匙保管装置原理如下:通过非接触采集可能带电的柜门内部设备的电场信号,以及可能存在电流的刀闸的电流信号,来决定是否开放钥匙保管装置的钥匙闭锁.如果满足相应的无电条件,则对应的机械锁钥匙通过输入密码开启保管状态,可取出开锁;否则,钥匙无法取出,相应的机械锁无法打开,从而起到闭锁作用.整个钥匙保管装置如图3所示.

图3 钥匙保管装置示意

电场感应的原理是采用高阻抗的绝缘栅场效应管,通过屏蔽导线采集开关柜二次室内部的原有带电显示器、电压互感器的二次回路周围的对地交流电场,将该交流电场经过整流、稳压保持等环节,加在专门设计的场效应管栅极上,由于场效应管的输入阻抗极高,一般几伏特的微弱交流电场也能驱动场效应管导通变位,从而控制机械锁保管装置的启闭[5].

对于电流的测量,本文基于高灵敏度的模拟量放大电路,通过微型开口CT取得二次电流回路电流信号,只有当三相电流均下降至零才能开放闭锁,此时才能取出钥匙,开启闸刀手柄或手车摇柄机械锁,从而有效防范了带电合分刀闸的恶性事故的发生.

3 硬件电路设计及系统测试

3.1 硬件电路设计

为了实现上述机械闭锁功能,对硬件电路进行了设计,如图4所示.电路的工作过程为:从信号输入端进来的交流电场或开口CT二次绕组电压信号经过高频整流桥D1的整流变为直流;由于三相采样的需要,实际样机采用了4个桥臂的带零相三相整流桥,由电力电子技术可知,任一相存在电压信号就能被场效应管采集电路所感知.该直流电场信号由平波电容器C进行平波并保持,然后经过电阻R1/R2分压后加载场效应管V的栅极,由于场效应管的栅极完全绝缘,输入阻抗极大,这就使得非常微弱的电压信号也能驱动场效应管导通,实现对带电状态的报警.因此,利用静电耦合原理和三次仪表用开口CT可实现对二次系统的交流电压和电流的检测[6-7].

图4 电压检测电路

在此基础上,为了使上述带电状态可视化,检修人员能够直观地了解高压开关柜的带电状态,因此采用LCD液晶屏进行显示.整个系统的电路结构如图5所示.

图5 系统电路结构

整个系统的程序流程示意如图6所示.系统的工作过程为:首先,系统对相应的寄存器进行初始化;然后,对电压信号和电流信号进行测量和显示;接着,分析高压开关柜是否带电,若发现带电,则禁止开启钥匙保存装置,反之,则允许开启钥匙保存装置.

3.2 系统测试

为了了解系统是否能够实现带电闭锁,对整个系统的功能进行了测试,结果如表1所示.从表1可以看出,本文所介绍的开关柜防误闭锁系统可实现对带电开关柜的有效闭锁.

图6 系统程序流程示意

序号A相电压B相电压C相电压A相电流B相电流C相电流测试结果1000000可开启21*****闭锁3*1****闭锁4**1***闭锁5***1**闭锁6****1*闭锁7*****1闭锁注:*—任何情况;0—不带电;1—带电.

4 结 论

(1) 采用静电耦合和CT的方法可实现对交流电压和电流的测量,从而实现对高压开关柜带电状态的检测;

(2) 系统采用微电子和机械机构相结合的闭锁方式实现了对高压开关柜钥匙的锁存,从而避免了由于运行人员误操作引起的电力事故;

(3) 系统采用了微机和LCD显示技术,实现了对开关柜带电状态的显示,使运行人员可以直观地了解开关柜的带电状态.

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