直流电源智能型组合馈线开关的研究与应用

深圳供电局有限公司 杨忠亮 曹建伟 张 淘 周永光 佘楚云

随着电力系统的不断发展，智能化、标准化水平不断提高。变电站设备智能化、模块化得到了广泛的应用。为了更好的适应电力系统发展的需要，变电站直流电源系统也需要在智能化、模块化技术上不断创新。

变电站直流电源系统由充电模块、蓄电池、保护电器、监控装置等元件组成，从结构形式上以蓄电池屏（柜）、充电屏、馈线屏、联络屏等屏柜构成。对于直流电源馈线屏，由于集合了直流空气开关、指示灯、空开辅助触头、报警触头、漏电流传感器（CT）等元件，在屏柜中是最复杂最凌乱的一种屏柜，运行维护相对繁琐。要实现连线和报警，屏柜中走线复杂，布线易于凌乱。给检修、试验、维护、运行带来不便，极易发生误接线，并可能导致寄生回路、短路等故障发生。影响直流电源系统，甚至变电站、电网的安全可靠运行。

为此，本文研究了直流电源智能型组合馈线开关，将直流空气开关、指示灯、漏电流传感器（CT）、直流电流传感器、空开辅助触头、报警触头等元件组合在一起，研制出智能型组合馈线开关。其集合了电路分合，通断指示、电流监测、漏电流（绝缘）监测、开关位置监测和状态报警等多项功能。使直流电源馈线屏布局简洁，接线清晰，节省大量接线，减少了电气干扰。使得安装、运维工作大幅度简易化。可以有效提升直流电源系统的安全性和可靠性，提高变电站的数字化和运维管理智能化水平。

1 直流电源馈线智能型组合开关的组成及基本原理

直流电源智能型组合馈线开关突出了集成化、小型化、智能化，将直流空气开关、辅助触头、报警触头、负载指示灯、直流漏电流传感器、直流电流传感器、智能控制器等电气元件组合成为一个模块。其工作原理如下：

将断路器本体沿纵向加长，并设置两个互感器，其中一个互感器是漏电流互感器，断路器输出的正负极导体同时穿过漏电流互感器，通过感应互感器二次线圈电感值的变化来获取直流泄漏的数值。另一个互感器是电流互感器，断路器输出的正极导体或负极导体穿过电流互感器，通过感应互感器二次的输出来获取回路的直流电流值。

当断路器处于合分闸状态及故障脱扣状态时，其机构的机械输出连杆会处于不同的位置，通过检测其位置用于反映断路器的分合闸状态及故障脱扣状态。

设置智能控制器，内置可编程MCU 及通信电路，将上述的模拟量和数字量通过通信方式上传至监控装置，简化了系统接线。

为了进一步减少接线过程，将负载指示灯做成可插拔的结构形式，置于断路器的顶端，当处于合闸状态时，负载指示灯两端得电点亮，当处于分闸状态时，负载实施等失电熄灭，起到负载状态带电与否的指示效果。

二段式/三段式过电流保护：具有二段式保护或三段式保护两种过电流保护模式[1]。其中，三段式保护采用电磁式短路短延时实现方式，实现了全程反时限延时保护特性，克服了电子式短路短延时实现方式因电容等电子元器件老化带来的失效问题，大幅提高了保护的可靠性。

直流漏电流测量：

内置直流漏电流传感器，可以对回路产生的直流泄露电流进行实施测量，配合直流绝缘监测装置可实现精确的支路绝缘电阻测量及接地故障选线。

范围：-10mA～10mA，

分辨率：0.01mA，

准确度：1%FS。

断路器状态采集：

采用非接触式磁感应原理的断路器状态检测技术，实现了对断路器合分闸状态、故障脱扣状态的有效检测，避免了侧向拼接附件（OF/SD）带来的横向尺寸增加，避免了长期运行过程中辅助触头的氧化及磨损问题，检测更精准。

负载指示：

将负载指示灯置于断路器面板，减少了对指示灯接线工序；插拔式设计结构，维护更便捷。

回路电流测量：

可扩展的内置非接触式直流电流传感器，可以对流过回路的直流电流进行实时测量，并通过通信接口向监控器上传。

智能通信：

内置的智能控制单元将直流回路漏电流测量、断路器状态进行实时采集，采用RS485通信接口与监控装置连接，相对于离散的电气元件安装和连接模式，大幅度减少了二次的接线，安装简洁、维护方便。

2 电磁式三段保护实现机理

为了实现选择性保护，三段式保护直流断路器内会设置电子电路进行延时脱扣[2]，一般称之为电子式三段保护直流断路器。电子电路中一般均会采用电解电容做储能和延时用，且从成本考虑，大多采用铝电解电容，存在多项问题。

本项目的三段保护直流断路器技术，采用电磁式实现方式，不采用电子电路延时，克服电子电路带来的失效问题，提升三段保护的可靠性[3]。其动作曲线如图1。

图1 电磁式三段式保护直流断路器动作曲线

断路器中的延时动作机构包括：动铁芯与静铁芯处于同一水平轴线上；至少两个反力弹簧，分别位于静铁芯和与其相邻的动铁芯之间、以及至少两个动铁芯之间；电磁线圈，环绕在静铁芯、以及至少两个动铁芯中的至少一者的外表面上；顶杆，贯穿静铁芯、以及至少两个动铁芯设置，其中当电磁线圈通电时，电磁线圈中的回路电流产生的磁动力驱动至少两个动铁芯克服至少两个反力弹簧的弹簧力产生的阻力在朝向静铁芯的方向运动，从而带动顶杆运动，其中至少两个反力弹簧中的至少一个反力弹簧与其他反力弹簧产生的弹簧力不同。

这种延时动作机构，结构简单，成本低，并且能够通过脱扣机构的延时动作实现级差配合的选择性保护，从而避免出现短路电流时与下级断路器同时动作。

3 直流电源系统绝缘监测

直流电源馈线智能型组合开关内置直流漏电流传感器，可以对回路产生的直流泄露电流进行测量，配合直流绝缘监测装置可实现精确的支路绝缘电阻测量及接地故障选线。

本项目采用单臂检测电桥，其电路示意图如图2所示。单臂检测电桥的特点在于检测电桥电路仅由负极对地检测电阻及其切换开关构成，在检测电桥工作时，由于电桥电阻并联在负极和大地之间，所以不仅不会造成直流母线负极对地电压的增大，反而使其减小，控制了负极对地电压的增大，能够降低由于单点接地引发的继电保护误动的风险。

图2 单臂检测电桥电路示意图

此外还采用了临时修正电桥技术，用于临时修正直流系统正负极对地电压的不均衡。为了使负极对地电压不超过负极对地安全电压整定值，而负极对地安全电压需根据直流系统最灵敏的继电器进行整定，一般不大于额定电压的55%。临时修正电桥根据直流系统正负极对地电压的偏移状况，向直流母线负极对地投入电阻，使直流母线负极对地电压不超过负极对地安全电压整定值（负极对地安全电压应根据系统最灵敏的继电器的动作电压进行整定，保守状态下可设定为继电器额定电压的55%），从而使直流系统在一定程度上达到安全运行条件，两组直流互窜故障监测与选线，断路器状态监测功能。

4 智能型组合馈线开关的特点和应用

智能型组合馈线开关总体宽度仅36mm，节约了单排馈线的安装空间，有效提升了直流屏面板的利用率。每排馈线回路可增加2-4路，每面屏可增加8-20路，在回路数要求较多的工程中有望节省馈线屏总的数量。

智能型组合馈线开关模组包括：智能型组合馈线开关、总导体、分导体、接线端子、绝缘罩、安装面板。其分导体能根据接线端口的需求进行位置的调整，接触稳定可靠，安装拆卸简便。采用模块化设计，结构简单可靠，制作工艺简便，缩短直流屏的生产周期，省时省力，方便安装和售后维护，由于模块化，使得整流屏整体效果简洁美观，整体温升效果较好。采用智能型组合馈线开关可以大幅度优化直流电源馈线屏的结构[4]，简化组屏安装过程，从而降低运行维护的故障风险，提升变电站直流电源的安全性与可靠性。

整个系统的设计突出积木式、模块化、集成化、小型化、智能化的理念，最终实现工厂化调试、标准化设计、更换式检修、可视化运维，有效地降低了设备全寿命周期的管理成本。

通过此种模块化结构配套实现了直流电源馈出成套模组化[5]，使整个直流屏柜内接线简洁、整屏成套组装工艺美观、安全可靠、容易更换和维护。

5 结语

采用智能型组合馈线开关的方案，可以节省大量接线，解决了直流电源馈线屏凌乱复杂的问题，直流电源屏柜布局简洁，接线清晰。可以省去独立的绝缘监测用直流漏电流传感器及布线。非接触式直流电流传感器集成在开关一体。基于电磁式三段保护技术，提升断路器动作的安全性和可靠性。基于间距自适应分导体母线技术，馈线模组实现接线更为简便、明了。整个系统的设计突出了积木式、模块化、集成化、小型化、智能化的理念，最终实现了工厂化调试、标准化设计、更换式检修、可视化运维，有效地降低了设备全寿命周期的管理成本。可以大幅度优化馈线屏的结构，简化组屏安装过程，从而降低了运行维护的故障风险，有效提升变电站直流电源的安全性与可靠性。该技术可推广应用于电网、发电厂、通信、银行、石化等多种场合。