12kV 智能开关柜的研究与设计

王 玲 张红光 郑加荣

（1.兖州东方机电有限公司，山东 邹城 273500； 2.兖州煤业股份有限公司济南煤炭科技研究院分公司，山东 济南 250023；3.兖煤蓝天清洁能源有限公司，山东 邹城 273500）

为解决发生供电事故时故障处理时间长、损失巨大、厂区内供电系统的日常维检所需人力、物力较大等问题，兖州东方机电有限公司提升公司配电设备的技术水平，立项研发了智能型高压开关柜，实现柜内操作元件的远端电动控制、柜内核心设备的健康状态监控和供电系统运行状态的实时在线监控。该智能型高压开关柜减少了事故停电率，增加了供电可靠性，实现变电所的智能运维管理，为智能化供配电的推进提供硬件基础。

产品契合集团公司提出的“三化融合”建设要求，融合智能化设计、自动化控制、信息化升级等技术，完成产品研究设计。

1 12kV 智能开关柜的设计选型

我国高压开关柜技术的发展趋势是组装柜代替焊接柜，传统开关柜向数字化和智能化方向发展。国外高压开关柜也向着高可靠性、少维护、智能化方向发展。所以智能型开关柜从结构形式上采用组装柜，元器件选用智能型。

根据兖州东方机电有限公司现有产品，在金属铠装中置式开关柜KYN44-12 柜型的基础上进行改进设计。

2 12kV 智能开关柜具有的功能

12kV 智能高压开关柜由柜体、智能型真空断路器、电子式电流互感器、智能综合保护、智能仪表、电动接地开关、智能测温、柜内视频监控等组成。智能化开关柜全电动操作，集成检测、控制和保护单元，能实现脱扣回路断线检测、动作时间检测、接触部件检测、弹簧储能时间检测、温湿度检测、动物侵入监测和柜门监视等功能，并对其检测到的数据分析和处理，进行故障预测、判断并能计算出开关的剩余使用寿命和维修期限。

2.1 全电动操作

智能开关柜是一种无人化操作的电力设备，传统开关柜中的断路器摇进摇出、接地开关的人工分合，都需要全电动操作。

2.2 断路器状态监测功能

智能开关柜中的断路器能实现对断路器分合闸线圈电流的波形状态、分合闸速度、储能电机电流波形、储能状态、储能时间、灭弧室真空度等参数的在线监测，具备关键点温度报警、灭弧室真空度报警、超行程检测、跳闸回路断线报警和弧光保护等功能。通过实时检测设备发生的故障能及时发出报警，避免事故的发生。

智能型真空断路器通讯口采用标准IEC61850协议，可通过光纤以太网通讯方式与间隔层设备交换数据。

2.3 控制和保护功能

智能高压开关柜的控制保护单元具有测量、保护、信号、控制、故障录波和运动功能。

2.4 柜内视频监控功能

智能型高压开关柜对断路器室、电缆室进行视频监控，直观显示断路器、接地开关的操作过程和合分状况，为维检时的统一管理和宏观调控提供直观依据。

2.5 在线无线测温装置功能

智能型高压开关柜对断路器、主母排、电缆进行在线无线测温，具有在线实时测温、采集、分析和超温报警功能。

2.6 柜内安全消防功能

智能型高压开关柜应具备安全消防功能。因电缆室内的电缆接头经过长期运行，发生老化致使绝缘能力降低，电缆头会发生局部放电、发热，致使绝缘击穿，发生爆炸，造成开关柜发生火灾和大面积停电事故，对设备和人身安全及电网的稳定运行形成严重威胁。所以智能型开关柜应当对电缆室进行监测和灭火。

3 12kV 智能开关柜的设计

3.1 12kV 智能开关柜的结构设计

12kV 智能开关柜柜体采用组装式结构。开关柜结构设计按照国家标准《3.6kV～40.5kV 交流金属封闭开关设备和控制设备》（GB 3906-2006）对手车式开关柜的有关规定要求进行。结构形式采用中置式。柜体结构主要由外壳、隔室、隔板、活门等几大部分组成。

不同用途的功能单元处于不同的隔室之中，其隔室主要有仪表室、断路器室（手车室）、主母线室、电缆室和二次电缆室。

3.2 12kV 智能开关柜的全电动设计

智能开关柜的电动操作系统包含电动底盘车和电动接地开关。电动底盘车可以带动断路器在实验位置和工作位置间往复运动。电动接地开关在断路器手车位于试验位置时，根据指令可以进行合闸或分闸操作。当断路器位于工作位置时，电动接地开关不能进行合闸或分闸操作。同样，当接地开关处在合闸位置时，断路器手车不能从试验位置运动到工作位置；仅当接地开关处在分闸位置时，断路器手车才能在试验位置和工作位置之间运动。

智能型高压开关柜的电动操作系统有远方和就地两种操作模式，可以在驱动电机受阻时进行电机制动，并能逆向驱动电机来解除受阻状态，保护电机安全。

电动操作系统只有在断路器室和电缆室门都关闭且满足相应的闭锁条件时才能进行电动操作，通过电气和机械的双重闭锁保证电动操作的可靠性。电动操作还能避免故障时对操作工人造成的人身伤害。如图1。

图1 接地开关电动操作和闭锁位置

断路器底盘车和接地开关均带有手动优先功能，可保证电动故障或通讯故障时不影响设备正常使用。

3.3 12kV 智能开关柜的管理系统设计

开关柜管理系统主要由设备层、间隔层、站控层三部分组成。设备层主要是一次设备和智能组件。间隔层主要是综合保护、测控装置等二次设备。站控层主要是具有高性能带触摸功能的工控机。

开关柜管理系统实时动态显示各种遥测值，并生成日报表、月报表、季报表、年报表和趋势图，提供实时声光报警并记录在数据库中。

开关柜管理系统在线监测柜内温湿度。在环境相对湿度较高和温差较大的地方，容易产生凝露，发生危险，柜内装设了加热器和环境温湿度传感器。通过开关柜管理系统可以自动控制柜内温湿度，防止凝露的发生。

开关柜管理系统在线监测柜内断路器运行状态参数。传感器与断路器本体集成，可实现对断路器运行状态参数实时在线监测，实时反映断路器运行状态，针对潜在故障进行预判并采用声光报警。

开关柜管理系统是一个完全开放的系统，可以与各开关柜互相通信，还可以与上级系统互动，实现远方监控。

3.4 12kV 智能开关柜的视频监控设计

智能型高压开关柜断路器室、电缆室内放置有微型摄像头，直观显示断路器、接地开关的操作过程和合分状况，为维检时的统一管理和宏观调控提供直观依据。如图2 所示。

图2 柜内视频监控

3.5 12kV 智能开关柜的在线无线测温系统设计

智能开关柜无线测温在线监测系统主要由显示器、传感器和监测主控模块三部分组成。

温度显示器集成到开关柜管理系统中，由无线收发模块、报警输出、数据处理、显示和通讯接口组成。无线收发模块接收来自温度采集模块的数据，经过数据处理，把测到的温度值显示在面板上，同时判断温度是否超过报警上限，如果超过则发出报警输出信号。

温度传感器应用表面波技术，可在非常规的运行环境下(高电压，高电流)实现无线温度数据采集，具有数字化、高精度、高耐温的特点。温度测量范围30℃ ～125℃，精度为±0.1℃。表带式安装。

监测主控模块是系统主要部分，由实时数据、实时曲线、历史曲线、数据报表、系统接线图以及网络拓扑图六部分组成。可以进行异常温度报警，当被测点的温度超过系统设定值时，主控模块发出报警事件，并通过数据报表的形式保存。

3.6 12kV 智能开关柜的消防设计

智能开关柜的消防系统采用液体介质一体化灭火装置，以氟化酮为灭火剂，集控制单元为一体，结合实际环境采用多种火情探测方式（如温感、烟感、光感、气体等），对火情隐患实现全方位监测和快速有效保护。

灭火装置由灭火剂罐体、控制器、探测装置、声光报警装置、手动启动按钮、管道及喷嘴组成。

4 结语

本文所设计的智能高压开关柜符合IEC61850协议和智能开关柜的要求，实现了高压开关柜的智能化、高可靠性、少维护，具备了全电动操作和控制、保护、实时监测、测量、视频监控、管理、诊断、报警等功能，提高了供电系统的安全性和可靠性。通过在东华重工35kV 智能变电所和东方机电高压变电所的应用，取得很好的效果，深受用户好评。