智能一二次融合柱上开关高可靠性关键技术研究

黄 伦，张欣宜，冯思朦

（1.国网陕西省电力公司西安供电公司，陕西西安 710000；2.陕西送变电工程公司，陕西西安 710000）

建设智能电网是电力能源供应的重要发展方向。配电网作为电力系统最靠近用户的环节，其发展建设越来越受到重视。但目前配电网的柱上开关均存在接口不匹配、兼容性差、维护困难、功能未能满足需求等问题，与智能配电网高速发展趋势相悖[1-3]。

在此背景下，一二次融合技术应运而生。该技术通过对外观结构、接口方式和运维方式进行标准化设计。将开关本体、保护单元、传感器、通信模块等一体化集成，融合多种监测控制功能，形成一体化、小型化、标准化的智能电力设备。最终，实现了配电网的状态智能感知、数据实时分析和科学优化决策[4-8]。一二次融合技术在柱上开关的应用目前还处于起步阶段，仅能实现一二次设备的一体化集成。一二次设备之间的相互兼容性和设备整体的可靠性等仍有待进一步研究[9-12]。

文中深入开展了智能一二次融合柱上开关高可靠性关键技术研究，分析了影响一二次融合柱上开关可靠性的主要因素，并进行了仿真实验，提出了可靠性提升措施。

1 智能一二次融合柱上开关

典型的一二次融合柱上开关结构如图1 所示，并采用电子式传感器替代传统传感器。将开关本体、传感器、电能计量单元、电源、保护单元和通信单元进行了集成优化设计。其实现了柱上开关一次设备与二次设备的深度融合，大幅提升了柱上开关的智能化水平[13-14]。某一二次融合柱上开关的主要技术参数如表1 所示。额定电压为12 kV，额定电流为1 000 A，额定工作频率为50 Hz，能够实现最大25 kA、63 kA 短路电流的开断、关合。额定开断次数大于1 000 次，适用于需要频繁操作的配电系统，现场安装简单、便于运行维护[15-16]。

图1 智能一二次融合柱上开关结构

表1 主要技术参数

2 可靠性影响因素分析

智能一二次融合柱上开关通常安装在户外配电网线路，影响其可靠运行的主要有温度变化以及电磁干扰等因素。

2.1 温度变化对可靠性的影响分析

一二次融合柱上开关中信号采集单元的内部结构，如图2 所示。由于半导体元器件对温度较为敏感，温度的升高将会影响开关的散热效果，引起元器件的零点漂移和非线性变化，从而降低信号采样单元的工作准确度，严重时甚至可能造成元器件击穿、内部短路等不可逆的故障，对开关工作的可靠性造成极大威胁。

图2 二次设备信号采集单元内部结构温度变化对电阻值的影响关系如下：

式中，T为温度，R0和RT分别为室温（25 ℃）和温度T时的电阻值；α为电阻的温度系数，可以由电阻的温度特性曲线斜率获得。

若室温条件下，精密测量电阻两端的输入电压为ut=IsR0，则当外界实际温度为T时，精密测量电阻的输出信号的相对误差为：

因此，当外界实际温度为T时，精密测量电阻的输出电压为：

由上式可知，二次设备测量电阻获取的电压值与温度变化的相对误差、电阻的温度特性系数以及温度变换值有关。当二次设备工作环境温度波动范围较大的情况下，为提高测量的准确性和可靠性，应优先选取温度特性系数小的电阻作为测量电阻。

而对于信号调制电路而言，其还存在滤波电路，结构如图3 所示。

图3 滤波电路结构

滤波电路输出信号为：

式中，G为滤波电路的传输函数，随温度变化而变化，其温度系数为：

由上式可知，温度变化对滤波环节的影响极小。同理，对于如图4的运放电路，输出电压与输入电压的关系为：

图4 运放电路结构

当温度的变化量为ΔT时，运放增益G的变化量为：

式中，β为运放温度特性系数，ΔG′和ΔG″分别为温度变化时运放温度特性和电阻温度特性引起的增益变化量。

由式（8）～（10）可知，运放电路的增益随着温度的升高而增加。当温度升高至一定程度时，可能引起一二次柱上融合开关的拒动或误动，严重影响配电网运行的可靠性。

2.2 电磁干扰对可靠性的影响分析

一二次融合柱上开关所受到的电磁干扰主要有两个来源，一是设备自身运行过程中产生的谐波、电压闪变等对二次设备造成的干扰；二是来自现场运行环境的干扰，例如雷击、操作过电压、接地故障等等。在实际调研中发现，后者的影响尤为严重。上述因素引起的高频暂态电压干扰传播的等效电路如图5 所示。

图5 高频暂态电压传播等效电路

互感器二次侧输出电压为：

式中，UB为侵入母线的暂态电压；CT为互感器套管电容；C1N和C2N分别为互感器一次侧、二次侧寄生电容；Z0为二次回路线路阻抗；ZL为二次回路采样电阻阻抗；LG和ZG分别为引线电感和接地阻抗。

由以上分析可知，电磁干扰主要通过线路传播影响二次设备。对于一二次融合柱上开关而言，其属于工作在现场环境且融合在整体装置中的二次设备，受电磁干扰的影响将更加严重。

3 提升可靠性的关键改进措施

3.1 选用温度系数小的电阻

由式（3）～（10）可知，温度变化主要通过电阻的温度特性来影响二次设备测量的准确度。针对温度变化的影响，可选用温度特性系数较小的采样电阻、运放电路电阻等，来降低温度变化对二次设备测量准确度的影响，进而提升一二次融合柱上开关运行的可靠性。

3.2 为电流互感器增加滤波器

由式（11）～（13）可知，电磁干扰主要通过线路传播影响二次设备，但是二次设备的输入信号又主要由互感器通过线路提供。因此在互感器安装滤波器，能够过滤高频电磁干扰。文中所设计的滤波器结构，如图6 所示。该滤波器侧与电流互感器输出端相连接，右侧与输入端相连接。

图6 滤波器结构

对于图中的滤波器，其幅频特性为：

对于低频信号，即当w2LC=1 时：

对于高频信号，即当w2LC≫1 时：

由式（15）和（16）可知，该滤波器允许低频信号通过，但对于高频信号具有较大的抑制作用。其能有效减少雷电等高频冲击干扰对二次设备的影响，提高一二次融合柱上开关的可靠性。

4 算例分析

文中构建了实验仿真环境，分析研究温度变化和电磁干扰对智能一二次融合柱上开关可靠性的影响，验证所提改进措施的有效性。

4.1 温度变化

针对温度变化对可靠性的影响，文中采用温度系数较小的采样电阻的改进方法，改进前后的互感器比值误差和相角误差变化，如表2 所示。由表2 可知，改进前互感器准确度在温度变化影响下，比值误差变化最大为1.22%，不满足1 级准确度的要求。而采用文中所提出的改进方法后，比值误差和相角误差变化降低，能够满足准确度要求。

表2 改进前后的误差变化

4.2 电磁干扰

1）电磁干扰的影响分析。在雷击电磁干扰下，智能一二次融合柱上开关的电压互感器二次侧输出波形如图7 所示。正常情况下应当是峰值为150 V的正弦波，在雷击电磁干扰下发生了明显的畸变，最大峰值可达1.25 kV，严重影响了测量的准确性，且容易造成器件击穿故障。

图7 雷击干扰下的电压波形

2）改进效果。针对电磁干扰对智能一二次融合柱上开关的影响，通过在互感器输入、输出端增加滤波器的改进方式提升其可靠性。采用文中方法前后的互感器误差变化，如表3所示。由表3可知，改进后开关互感器测量的比值误差和相角误差均有所减小。

表3 接入滤波器前后的误差变化

5 结束语

文中开展了智能一二次融合柱上开关高可靠性关键技术研究，分析了温度变化电磁干扰因素对智能一二次融合柱上开关的影响，并提出了提升智能一二次融合柱上开关可靠性的改进措施。通过仿真实验结果表明，文中所提出的提升措施能够降低互感器测量误差，提升智能一二次融合柱上开关准确度，保障其稳定、可靠地运行。但文中未考虑天气、太阳辐射等环境因素对智能一二次融合柱上开关准确度和可靠性的影响，这将在下一步研究中开展。