低压智能配电柜设计初探

摘 要：为提高低压配电柜的可操作性、可靠性和稳定性，本文对低压配电柜智能化的设计方法进行探究。主要聚焦于柜体结构、二次元件的智能化设计，简略涉及通信技术、即时报警，共四部分，以期抛砖引玉，并为新一代的低压智能配电柜提供一些思考方法。

关键词：低压智能配电柜;智能化设计;低压综保

中高压电力系统中，继电保护装置已普遍采用IEC61850通信标准，并据此建立了智能电网的基础。但是，由于低压配电柜的结构和中高压成套柜大不相同，所以该领域还未普及此标准。为了能将此标准贯彻到低压配电领域，我们先提出低压配电柜智能化的一些要求：（1）通信速率提升至100M;（2）更坚强的抽屉单元;（3）除电参量、开关量输入外，还可监测温度、弧光等信号，并包含火灾报警等信号;（4）可选的即时报警。

一、柜体结构的智能化设计

低压配电柜按结构可分为两种主要的型式：抽屉式和固定式。其一次元件包括断路器（或熔断器）、CT、接触器、一次电缆等。目前对一次元件的智能化改造着重于断路器和CT：（1）对于断路器，有智能断路器的探索，集成测控装置在断路器内。该探索国内在2005年就已开始，且当时已有产品，但是始终无法普及应用。原因在下面会提及。（2）对于CT，中高压电力系统曾经尝试过电子式互感器，但是从应用情况看故障率甚高，目前已基本处于禁用状态。

以上一次元件的智能化探索，面临诸多困难和失败——其本质在于可靠性的权衡。我们期望的可靠的系统，并非指故障率为0（当然如果能达到最好不过）。而是指，在发生故障的前提下，应该如何避免故障扩大并形成灾难。假设一次元件包含了部分数据采集的功能：当该元件损坏时一次回路已进入故障状态，但是集成系统却无法获得相关的任何信息。

本文的理念：一次元件只负责输配电，二次元件负责测控、保护和四遥。因此，本文暂不考虑一次元件的智能化。本文将探讨于柜体和抽屉单元的智能化设计，以使其在结构上满足低压配电系统智能化的要求。

下面分别叙述柜体和抽屉单元智能化设计方法：

（1）柜体。应提供一条专用于敷设通信线缆的隔离通道，以避免通信信号受到强电的干扰，也可以避免其受到大质量电缆的挤压，更可以避免一次电缆发生火情时导致的监测信息中断。该通道可以放置于柜体顶部或底部，构成独立小室，并横向贯通柜体。

（2）抽屉单元。抽屉单元一共有两副一次侧触头，一般来说提供一副二次侧触头，其静触头均位于柜体上。

我们的目标：（1）减少抽屉内一次元件的数量，以获取最大的空间，改善抽屉内散热的问题;（2）减少二次回路控制线的数量，改善二次觸头的损坏率;（3）设计专用插件，以满足敷设超五类线的要求，达到100M通信速率的目标。

对应的方法：（1）将CT集成至一次侧进线动触头内。如此，可省去抽屉内CT的安装空间，并且便于维护。CT二次侧输出毫安级信号，接入抽屉内的综保。（2）抽屉内安装LM5F/LL5F系列综保，综保的性能在第二部分详述，以减少柜内二次回路的数量。（3）增设专用的通信插件，但不用RJ45结构。通用的网线内有8根线，分为4组——其本质是4组双绞线。对于100M网络而言，通信传输仅仅用到其中的2组，从RJ45端子定义可知：1（TXD+）、2（TXD-）为一组，3（RXD+）、6（RXD-）为一组。因抽屉内空间很小，传输距离短，并不需要4组线全部接入。鉴于此，通信专用插头可设计为4个端子组成的独立插头。为便于安装，可在动静触头侧，分别引出很短的线，做成固定的RJ45接头，最后按IEC标准[1]规定的试验通过测试即可应用。

综上所述，柜体和抽屉单元的智能化设计，奠定了前述目标中提升通信速率的基础，并构建了更坚强的抽屉单元。

二、二次元件的智能化设计

经过近20年的发展，部分低压综合保护装置（以下简称低压综保）已经具备了实现低压智能配电系统的要求，其中以LM5F/LL5F系列为典型。以下简述其功能，便于认识低压综保已具备哪些功能，在低压智能配电柜的设计中可以起到哪些作用。

低压综保按用途可分为两个大类：电动机用、线路用。可将其型号命名为LM系列（低压电动机用）和LL系列（低压线路用），目前主流应用的为HUAJIAN股份的LM5F和LL5F。其中LM应具备的基本性能已有国家标准[2]可参考，LL相关的行业标准正在起草中（预计2020年发布）。

从低压智能配电柜的设计角度出发，我们希望低压综保具备这样的功能：（1）电参量的检测。对于准确度，却并非要求达到计费级，因为在低压配电系统中，计费的关口仅仅在进线柜内，没有必要为此增加额外的成本。因此，综保兼具测量和保护功能是可行的，测量的准确度能达到1%左右就已经足以反应现场的状态。（2）计量功能。如有可能，当然也希望能反应各回路的电度量。同样的，对准确度不做过高要求。（3）保护功能。应能满足各类型负载的要求。由于接触器往往应用在电动机回路中，因此要特别指出的是，为满足可靠性的要求，LM系列保护动作的出口分为两个：作用于断路器的，和作用于接触器的。某些保护功能出口必须动作于断路器，例如单相接地保护、漏电保护。因为这两个故障状态下，故障电流可能超过接触器的分断能力。（4）开关量输入检测、控制功能。（5）统计功能。可统计外部操作的情况。（6）可编程的控制逻辑。可灵活运用于现场的工艺要求。（7）故障记录。希望不仅仅能记录故障瞬间的状态，还能进行更详细的故障录波。（8）对柜体或一次元件故障的保护报警功能，例如温度保护、弧光保护、火灾报警等等。（9）通信功能。保留目前工业现场总线（如MODBUS、Profibus-dp等等）的前提下，实现100M以太网通信，满足IEC61850协议的规定。（10）CT断线检测功能。特别指出，低压二次回路中，对于CT断线的检测是极有必要的。（11）控制回路断线检测。低压二次控制回路的断线检测很容易被忽略，但是很有必要。（12）易维护与长寿命。从维护的角度而言，期望低压综保的保护本体与显示单元分开。从产品寿命的角度出发，期望低压综保的电源模块能够独立。

以上功能需求，LM5F/LL5F大部分已具备，LM6F/LL6F已经完全具备。

综上所述，利用目前国内领先的低压综保，减少了以往需单独配置的表計、单相接地保护、漏电保护、温度保护、火灾报警等等元件，极大程度上减少了二次回路控制线，提高了低压配电系统的可操作性、可靠性和稳定性。

三、通信技术的应用

有了上述基础，现设想这样一台低压抽屉柜（固定柜略），从上至下：顶部有独立屏蔽的通信通道，第一个抽屉（也可做成固定式）高度为100mm，用于放置专用的通信处理机或光纤交换机，下面有8个抽屉单元，侧面为二次回路敷设室。每个抽屉单元内的综保，通过网线（或光纤）与通信处理机进行数据交换。整个配电室内，所有的通信处理机连接在一起，与站内集成系统进行数据交换，并经由站内集成系统转发至上一级监控系统。当然，对于通信处理机的安排，也可两三台柜放置一套，以节省成本。

在应用IEC61850的前提下，一般直接采用满足该标准的光纤交换机，其原理如下图所示。

四、即时报警

上述构建了一套完整的低压智能配电系统，其通信速率在100M。在这个前提下，一些重要的报警信息，例如火灾报警等等，可以迅速地反映到集成系统平台。集成系统平台可利用物联网模块，通过4G将被用户选择过的重要信息转发至运维人员。

五、结语

综上所述，低压智能配电柜的设计，首先要解决柜体结构的问题，以达到通信速率的要求;其次，应用国内先进的低压综保，减少柜内的元件，提高低压配电柜的可操作性、可靠性和稳定性;最后，利用现有的通信技术完成整个低压配电系统的智能化集成工作。

参考文献：

[1]IEC 60603-7-2：2010 Connectors for electronic equipment-Part 7-2：Detail specification for 8-way，unshielded，free and fixed connectors，for data transmissions with frequencies up to 100 MHz.

[2]GB/T 14598.303-2011数字式电动机综合保护装置通用技术条件.

作者简介：吴肇赟（1975-），男，浙江安吉人，本科，工程师，电力系统及其自动化方向。