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智能电网系统中的智能开关柜设计分析

发表时间：2020/11/19 来源：《基层建设》2020年第22期作者：刘冠印

[导读] 摘要：在电气系统的提供中，需要各种电气设备来连续且准确地将电能输送到用户的终端。

        山东阳光电力设备有限公司山东 252000
        摘要：在电气系统的提供中，需要各种电气设备来连续且准确地将电能输送到用户的终端。高压开关柜是能量传输和转换系统的重要组成部分。它的主要作用是收集和分配电力、监视、测量、控制、保护和自动控制电力线，并解决过去在电网运行中发生的所有问题。因此，在与高压开关柜的生产，安装和操作单位进行通信时，分析和研究高压开关柜的频繁故障对于确保电源的稳定性很重要。
        关键词：智能开关柜；智能控制系统；电动底盘车；电动地刀
        引言
        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，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。
        1 现状分析
        我国开关柜在经历多年发展后，在多方面取得了可喜的成绩，但从利用效益和质量来看，当前的智能化开关柜科技水平和效能发挥还较落后，主要表现在以下几个方面。（1）智能化方向的差距。智能化是指将计算机信息技术、网络检测技术、通信技术等整合在一起，通过信息处理应用到开关中的一种新型技术。ABB公司已将智能化操作运用到开关柜操作控制领域，柜体本身可实现复杂的信息处理，使开关柜智能化，操作“傻瓜化”，而我国的开关柜目前还达不到这样的水平。（２）小型化的差距。绝缘间距、工频耐压是开关柜的重要参数，国外企业通过改变柜体结构，采用新材料技术，研发出新一代产品，使得开关柜体积大幅减小。（３）工艺方面的差距。我国尽管采用了数控加工设备，但模具间的精度差异和员工操作水平差异，导致开关柜整体精度降低。
        2 开关柜常见故障分析
        （1）拒动、误动故障。此类错误是高压开关柜的主要故障，其原因可分为两类。一种类型是由于操作系统和晶体管的机械故障，其设备发白，组件变形，移位或损坏，内核松动和闭合，轴松动所致。另一个包括电气控制和辅助电路，辅助电缆接触不良，端子松动，辅助开关切换不灵，以及操作电源、合闸接触器、微动开关等故障。（2）基本设备和组件的老化。负载用户和变电站用户当前大多使用真空回路。其中，具有闭合效果的真空气泡在正常操作期间具有低电流，但是当短路再次打开和闭合时，电流将急速增加。另外，当真空泡被破坏或操作间隙的程度减小时，真空回路的整体操作也将显著减小，这很可能引起事故和爆炸。变电站中的高压柜在增加系统负载后会增加短路电流和容量，这可能导致无法满足短路要求，并且在系统电路短路时很容易发生故障。此外，避雷器时间长表面因水过滤或湿气而损坏，或操作不当导致内部组件发生故障，则它们会引起避雷器的老化和变质。
        3 智能开关柜的设计
        3.1 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》（GB3906-2006）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。

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        3.2 温度监控模块设计
        温度参数是高压开关柜的重要状态参数，高压设备在长期运行中会产生大量的热量，如果是夏季高温天气更容易引发火灾或电路故障。本系统的温度监控模块主要由通信接口、电源模块、信号采集单元以及开关量输出等部分组成。智能开关柜直接由主母线引出电源线，首先由变压器对高压信号进行降压，再对输出电压进行稳压调节，最后为单片机提供最佳的工作电压和电流。这种设计无须引入外部电源，避免了重复更换和维护蓄电池的麻烦。热敏电阻将温度变化转化为阻值的变化，最后通过电流变换到电压信号，再由高精度A/D转换器进行数字化，完成温度的采集。单片机与传感器之间采用ＲS232串行通信，单片机根据传感器地址来识别传感器，并对温度信号进行实时处理，当温度超过阈值时，启动风扇进行散热；当温度低于阈值时，启动加热器进行升温，使开关柜始终工作在最佳条件下。在发生故障或定期停电维修期间，需要对开关柜进行远程分合闸，采用继电器可以实现该功能。将继电器与IP控制设备相连，实现远程的分合闸控制。
        3.3 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。
        3.4 新型电动底盘车设计
        在开关柜中，通过电动底盘车机构与断路器等配合，实现手动或电动控制断路器等机构在试验位置和工作位置间的切换。现有的底盘车机构主要通过电机、减速箱、扭矩离合器驱动链条或传动齿轮组，带动从动轮及丝杠转动，从而带动断路器等机构实现进车或退车。实际使用过程中，在电动操作时，时常发生扭矩离合器失效卡死，导致底盘车无法进退或控制电路、电机损坏等情况。针对现有电动底盘车存在的问题，去除扭矩离合器，提出一种手动和电动实现相对运动的电动底盘车。该新型电动底盘车，在手动进出时从动齿轮不动，从而避免老式电动底盘车存在的机械卡死隐患；采用PWM方式控制电机速度，实现软启动缓停止，保护电机及驱动电路，减少机械冲击，避免应力过大导致的机构变形，从而提高运行可靠稳定；采用基于RS-485接口的ModBus通信协议，实现远程监控。
        结束语
        随着技术的快速发展，许多电力设备制造企业开始投入大量的资金对新型智能开关柜进行研发，不断采用新技术新工艺，这为智能化低压开关柜的发展提供了广阔的市场空间。采用模块化的操作票，避免了操作人员自身因素对操作安全性和正确性的影响，避免了操作人员现场编制操作票时可能产生的误操作；采用自动化顺序控制，由控制系统自动执行操作和状态检查，不会出现操作漏项、缺项，操作速度快、效率高，节省了操作时间，降低了操作人员的劳动强度，提高了变电站操作的自动化水平；实时显示开关柜状态、监测各种设备状态、保存各种操作记录和监测记录，方便检修人员判断故障点，极大地提高了检修效率。
        参考文献：
        [1]何应晖．智能配电网中智能中压开关柜关键技术设计研究[J]．通讯电源技术，2019，36（6）：82-85.
        [2]李宁钢．高压开关柜常见故障和检修维护[J]．价值工程，2020，39（05）：244-245．
        [3]吴斌，王春雷．高压开关柜群智能在线监测系统方法探究[J]．电工技术，2019（24）：40-42．