10kV智能开关柜及其设备分析
摘 要：近年来，随着社会工业化、现代化及信息技术的发展，通信、计算机、自动化等技术在电网得到广泛深入的应用，与传统电力技术有机融合，并与物理电网高度集成，极大地提升了电网的智能水平，供电企业和用电部门对开关柜提出了数字化、智能化、网络化的要求，市场对中高档智能型开关柜的需求也呈现出迅猛发展的态势，智能化电网应运而生。本文对10kV智能化开关柜及设备进行了分析。
关键词: 10kV开关柜；智能化；在线监测 前言：
在智能化电网环节中，其核心目标就是建立智能化变电站，智能化变电站的最基本、首要条件就是智能型开关设备和控制设备。开发智能型高压开关设备，符合当前高压电器设备的发展方向，完全适应我国电力系统的要求。下面以我司10kV智能化开关柜研发为例，简要叙述一下智能化开关柜设计过程中的注意点。
1、 10kV智能开关柜结构及系统设计 1.1产品结构概述：
该10kV智能开关柜为金属铠装移开式全中置结构。整个柜体由接地的金属隔板分隔成四个功能小室，即：母线室、继电器室、断路器手车室和电缆室，各功能单元设有的压力释放通道和释放门。断路器手车室内安装有特定的导轨，可轻巧地推进或抽出断路器手车。手车室内设计有带自动锁扣和开启的电气型帘板，可满足手车断路器与母线侧、电缆侧之间同时自动隔离的要求。手车室内有试验位置及工作位置，每一位置均设有定位装置（开关柜结构如图1示意）。
图1 图2 1.2智能在线监测装置
智能在线监测装置包含在线监测主机、人机界面、安装在断路器及开关柜上各类传感器及执行元件。人机界面和传统保护一样装在仪表箱门上，在线监测主机装在仪表箱继电板上，对各个传感器上传的数据进行分析。其它的传感器和执行元件安装在需要监测的地方，如温度传感器安装在断路器触臂接近梅花触头处，测量断路器触臂温升，直线位移传感器安装在断路器机构输出侧。
人机界面通过RS-485通信接口与主机通信并对数据进行显示、分析、处理、诊断，设置各类系统参数报警阀值等。可实现开关柜的远程操控，如手车电动推进退出、接地开关电动分合；实现对一次回路重要接触部分的温升测量；实现对断路器机械特性的测量；实现对开关柜触头盒泄漏电流监测，并通过内部的专家诊断系统对开关柜运行状态参数等进行分析诊断。另外，综合监测装置直观显示了开关柜的运行状态，并能保存断路器寿命期间各种动作过程的机械参数和温度数据等并能备查。而且，该系统还集成开关柜温湿度控制和高压带电显示装置，使开关柜操作面板更简化。另外，系统还可通过以太网实现与智能变电站系统远程通信（在线监测系统如图2示意）。
1.3人机界面
人机界面带操作系统采用7寸液晶显示，800*480分辨率，支持触摸操作，界面友好易操作。人机界面与在线监测主机通过RS-485通信接口进行通信，将开关柜温湿度、绝缘特性、断路器机械特性及触臂温升等参数进行实时监测以及多画面切换等。人机界面直观显示一次回路模拟系统图及各个回路的运行状态，并将测量到的电参量直接显示于人机界面并适时刷新显示，并对重要的数据、曲线进行存储，同时支持历史数据查询、参数、标准曲线范围校验、诊断等功能。
人机界面通过状态监测诊断引擎将各个单元监测到的数据与嵌入式实时数据库、信号模型、辅助信息等进行对比分析，并最终得出诊断结论，当系统出现故障时，能够发现、诊断、报警，使工作人员能够及时排除故障，减少事故发生，杜绝安全隐患。通过USB传输、网络通讯等方式随时更新装置内数据库里面的判断依据和规则，保证数据库里面的内容更为全面先进，从而能够更好地对开关柜作出诊断，以保证开关柜的正常运行（人机界面如图3示意）。
功能特点：
人机界面友好，采用触摸式液晶显示屏； 一次回路系统图动态实时显示； 断路器一次触头温度显示；
断路器机械参数、分合闸、储能控制曲线监测； 开关柜触头盒泄漏电流显示报警； 开关柜温湿度测量及控制； 高压带电显示及闭锁； 监测模块的阙值可设置； 断路器手车进、出电动控制 接地开关分、合电动控制；
远程监测控制； 专家系统自诊断功能；
大容量存储器、USB接口，方便与用户交互数据； 事件记录和超载故障报警； 系统文件管理和参数设置；
图3
1.4 在线监测主机
在线监测主机装在开关柜仪表箱继电板上，主要包括一块母板，主控板，电源板，泄漏电流绝缘监测板，开入板,开出板，以及安装在各适宜位置的各类传感器（如图4示意）。
图4
1.4.1断路器机械特性在线监测
断路器触头刚分速度对灭弧性能影响很大,适当提高刚分速度对减少电弧能量、减少零部件的烧损有很大作用，但过分增大刚分速度不一定能提高灭弧性能，反而会加重操动机构的负担；同样断路器触头合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此，对断路器动触头的位移、速度特性的测量及在线监测是很重要的。
装置采用霍尔传感器及装在断路器机构输出侧位移传感器对断路器分/合闸回路、储能回路的电流以及断路器分/合闸操作运动端位移进行记录、分析和计算处理后，在显示器呈现出合闸/分闸位移曲线、电流曲线等，并计算出断路器分合闸时间、分合闸速度、开距、超程等参数，判别断路器机械特性等。
1.4.2断路器触臂温度在线监测
开关柜接触处发热温升问题，发热最严重的是动静触头，位于触头盒内，没有直接对流空气，热量首先依靠触臂和分支母线传导出去，再靠对流散到空气中，很可能温升超标。但这些部位的温升是否偏高，是否超过标准，是否很够继续使用，我们无法进行监控，现在传统做法是每年采用红外测温定期检查维护成本较高。
无线测温终端含温度传感器和无线发射装置，共六路，安装在断路器触臂，无线接收模块安装在开关柜仪表室继电板，与在线监测主机通过RS-485通讯口相连，5V工作电源，可由主控装置提供，也可外接5V直流电源。无线测温利用可靠的无线射频技术，无线信号传输，将安装于高压处的测温点与接收单元彻底的隔离，实现一次端温度的直接测量，另配合环境温度测量单元，可得到一次温升数据。
技术参数
测温范围 -40℃～+125℃ 测温精度 ±1℃
传输距离 最大50米 频率范围 433MHz～470 MHz 最大发射功率 1mW 整机睡眠电流 <6μA 工作电压 DC:2.7～3.6V 电池平均寿命 5年
报警温度设定 测量范围内任意可调
发射周期 可任意设定；温度超标情况下立即发射数据，不受周期 1.4.3开关柜温、湿度在线监测
温湿度监测装置主要实现对开关柜内的温度和湿度的实时监测。装置所选用的传感器SHT71为已校准数字信号输出的数字式温湿度复合传感器，在开关柜电缆室和手车室侧板上各装设一个，与在线监测主机通过RS-485通讯口相连。温湿度监测装置根据传感器检测到所处环境温湿度超出设定值，控制电路接通加热器，提高环境温度，降低环境湿度，当温湿度升至预定值时，控制加热器自动停止加热，保护开关设备的电器性能。温湿度监测装置通过在线监测主机集中的RS-485口与人机界面通讯，通过人机界面上的温湿度控制界面可以设置手动或者自动控制加热器，也可设置温度下限阙值和湿度上限阙值等功能。
湿度控制预设置上限为92[%]RH，下限为82[%]RH，温度控制预设置上限为40℃，下限为20℃。加热升温型控制器将在环境温度小于20℃或环境湿度大于92[%]RH时启动负载(如加热器等)加热，在温度高于40℃且环境湿度小于82[%]RH时停止负载加热。风扇降温型控制器（主要用于3150A及以上需强迫风冷开关设备）将在环境温度高于40℃启动负载(如风扇等)降温，在温度低于20℃停止负载降温。
1.4.4触头盒泄漏电流在线监测
绝缘监测采集的泄漏电流为触头盒表面对地产生的泄漏电流，经传感器产生的电信号通过放大、滤波、采样、量化等一系列处理，最终将处理分析好的数据通过RS485通信接口传输到人机界面，实现实时的显示监测，泄漏电流的预报警值和极限值应可设置，对绝缘度降低的绝缘件及时进行多种方式预警、报警，指导维修。泄漏电流阙值设置及处理措施见表1。
表1
泄漏电流数值 位 单系统设置 处理措施 ＜50 μA 不报警 绝缘良好，正常使用 ≥50且＜100 A μ预报警，不绝缘状态劣化，长时间工作将会有故障隐患 间断闪烁 ≥100 μA 报警,一直绝缘状态劣化严重，谁是有绝缘失效危险，需立即检修 闪烁 1.4.5开关柜带电显示及闭锁
在线监测主机采集开关柜三相绝缘子一次带电信息，带电指示启辉电压为母线电压X0.15,带电指示闭锁启辉电压为母线电压X0.65；
1.4.6开入/开出
开入量：两路断路器分/合闸状态, 两路断路器试验位/工作位状态，两路接地开关分/合闸状态，三路三相绝缘子带电显示，一路已储能状态，另考虑备用两路；
开出量：两路断路器手车进车/推出，两路接地开关分/合 ,两路加热，一路风机，一路带电指示闭锁，另考虑备用两路。
1.5电动操作
全自动操作系统在中压开关柜全寿命周期成本上极具优势，在远控中心即可高效地完成日常运行操作，节省大量的操作工时、管理成本。主要包括电动底盘车和电动接地开关。断路器电动进出和接地开关电动分合装置装在开关柜仪表箱继电板上，既能通过人机界面就地操作，也能接收远程站控层指令，基于联锁和顺序控制程序要求的逻辑判断，对接地开关和断路器手车发出分/合、进车/退车操作指令，或发出告警信息，并对相关参量进行监测，也能根据预设的状态监测控制条件和程序，对相应装置发出启动或停止运行的指令。
1.6联锁
产品的设计和结构，应符合国家标准GB3906中对户内金属开关设备的要求，满足联锁要求，能够：
1.6.1断路器手车只有在断路器处于分闸状态时才能进行进、出操作； 1.6.2防止误分、误合断路器；
1.6.3断路器手车只有到达确定位置（试验或工作位置）时，断路器才能够进行分合闸操作；
1.6.4进行接地操作时需确定一次回路失电； 1.6.5防止误入带电间隔。 并作如下补充：
智能金属封闭开关设备和控制设备应设置完善的机械联锁装置，并应在其控制器上设置满足电气操作和顺序控制要求的完善的逻辑程序闭锁功能。
为保证逻辑程序闭锁的完整，应设置足够的传感元件对闭锁对象的位置状态进行监测。
由于不同控制回路的应用要求，可能使用多个传感元件监测同一闭锁对象的位置，应保证这些位置状态信号的同步。
2 通过的型式试验
型式试验的目的主要是为了验证开关的性能是否达到设计和标准规定的要求，用于验证零件设计、机构布局和控制回路的可靠性。本产品在“国家电器产品质量监督检验中心”通过了以下型式试验：
2.1智能系统性能试验 2.2绝缘试验
2.3温升试验和主回路电阻测量。 2.4短时耐受电流和峰值耐受电流试验 2.5高低温试验 2.6电磁兼容试验
2.7电动底盘车和接地开关机械寿命试验 3 结论
本文介绍了10kV智能化开关柜采用各种传感器对开关柜运行中的重要参数：断路器机械特性、触头盒绝缘泄漏电流、断路器触臂温度和开关柜温湿度等实现在线监测和状态检修，并实现了电动操作和与远方变电站系统的通讯功能，具有同类产品国内先进水平。通过了“国家电器产品质量监督检验中心”严格的试验考核，具有传感器及在线监测装置安装、操作方便，性能稳定，功能强大，采集精度高，抗干扰能力强等特点，特别适合各种对供配电要求较高场所。设计合理、工艺性好，95%以上采用国产材料和元器件，电器特性稳定、可靠。
