一二次融合的智能集成开关应用的研究与分析

张 冶 蔡颖凯 回 茜 曹世龙 许晶晶

(国网辽宁省电力有限公司 沈阳 110000)

1 引言

综合集成开关可以在正常负荷下关闭或切断电源，现有设备开关智能化程度较低，不能满足配电网应用需求，因此，电力行业专家研制了一种智能开关装置，可实现集成开关的计量、保护、数据传输等功能，有效地提高了开关的安全使用，简化了网络结构的复杂度。当前集成开关因其智能化程度不高、存在占用空间大、绝缘性差等问题，降低了设备的安全性，所以不宜在户外安装。而输电线空间有限、安装困难，同时也会消耗大量的金属资源，制造成本高，大规模设备共同使用经济性差，其功能也相对单一。

针对上述的不足，国内外相关研究人员进行了研究与分析，在国内技术中，文献[1]使用磁集成开关，将磁集成开关电感技术应用到配电网变换器上，使变换器正向功率增益为原来2倍，但与此同时，也增大了配电网电感支路电流波纹，一旦受到雷击电磁波干扰，流经集成开关的电流就会出现突变情况，导致开关绝缘性变差；文献[2]使用耦合开关，将开关电感和耦合电感组合，使其作为电感发挥作用，虽然得到了高电压增益，但是突然受到来自雷电方面的电磁波干扰，会导致耦合开关绝缘性变差；在国外技术中，文献[3]通过设计的探头以及电阻性和通用分压器(RD和MRCD)对9 kV SA的剩余电压进行同时测量，该文章主要通过分压的原理，实现了一二次融合的智能集成开关的应用，但是适用性不好。

实际配电网的应用情况是难以满足一二次集成开关的融合，分别采用分开的方式实现其电气功能，本研究通过融合技术改善了的二次设备管理的局限性，使高压开关设备在配电网中同时具有开关和传输功能。通过设置智能集成开关抗电磁干扰功能，保证智能集成开关在享有保护、控制、测量、检测等功能的基础上，免遭雷击电磁波干扰影响[4]，实现了二次设备与一次设备的优化集成，保证了智能集成开关的绝缘性。

2 智能集成开关一二次融合方案

对于智能集成开关一二次融合方案设计，流程如图1所示。

图1 智能集成开关一二次融合流程

结合图1，对智能集成开关一二次融合的问题进行描述，解决雷击电磁波干扰影响的问题，融合方案的实施方法如下所示。

首先将集成分为两个部分，分别是设备集成和功能集成，在功能集成阶段，主要针对开关清单上的第一和第二匹配装置，设备集成阶段主要是设备级的集成，真正完成设备级在设备层的深度合并[5-6]。该步骤通过维护列开关，提高操作可靠性。

在功能性集成阶段的对列开关上，主要依据列的主、次结构，通过标准化设置需求实现全景装调感知功能，经过一次或两次感知功能匹配后，实现设备的高效操作[7-8]，进而实现集成设备可操作性分析。

智能集成开关主结构是一次融合主要部分，该部分包含开关主线路，将直接参与配电网上的设备与开关相连，实现数据传输、调配、使用等功能。FTU智能控制器上的开关列是一次融合与控制部分，通过设计一次融合开关体的保护、测量、控制、测量功能，可按照一定逻辑关系相互连接[9]。FTU为馈线自动化终端，属于自动化系统与一次融合设备连接的接口，主要用于柱上开关主结构的监视和控制，与柱上开关通信，提供配电系统运行控制所需数据，执行主站给出的控制调节指令，以实现馈线自动化的监测与控制功能。

二次融合部分是将柱上开关的智能控制单元直接连接到监测模块上，该模块包括开关主电路，可直接参与电能的制造、输送。整合式智能柱式开关体内装有各种传感器，将不同传感器通过信号线与次结构直接连接，由此实现二次融合，并监测开关本体和配电网线路的运行状态。二次融合部分使用的是标准航空插头连接，能够保证智能控制器与开关本体之间连接的可靠性，规范信息交互，实现单设备全景监控[10]。从图2可以看出智能集成开关主、次连接整体结构。

如图2所示，为满足各种感知信息的传播和扩散，选择了一个37-coreGX12对接航空插座，并在主插座上安装了人体温度感知开关，多条线路同时传递信息，保证信息快速传输的同时保护工作人员安全[11-12]。使用一个19芯片的GX12航空插座，一个6芯电压航空插座和一个防开航空插座，除此之外，还可在馈电终端FTU上选择安装空插座[13]。其中19芯航空插座用来传送能量储存、开合控制，包含负载开关状态信号和零序电压信号；19芯片的GX12航空插座，一个6芯电压航空插座负责传送电压传感器及线路上的全部电压信号；防开航空插座负责传送相电流和零序电流信号[14-16]。3个插座的插头防护等级选择的IP67等级，该防护工艺时烧结密封玻璃制作而成，能有效地保证主、次级接线的可靠性，使电流传输过程更加智能，结合开关智能融合方案，实现集成开关即插即用功能[17]。

图2 智能集成开关主、次连接整体示意图

3 智能集成开关绝缘设计

根据智能集成开关一二次融合方案，实现了开关即插即用功能，电流传输更加智能，但与此同时，对于通过配电网集成开关上的电流过高问题，需要添加绝缘片，增强智能集成开关绝缘性。外加绝缘材料长期暴露在空气中，除了受到机械、电气等应力之外，还要受电压升高和雷击自然因素的影响[18-20]。因此，设计智能集成开关增强绝缘性具有必要性。

10 kV线路还将出现部分容量增加的现象，在轻负荷或无负荷情况下，整条输电线路都可以视为由电阻、电容和线圈组合而成，如图3所示。

图3 输电电路图

在图3所示线路中，工频电动势E与各个阻抗电压关系可用式(1)表示

式中，DL表示工频感抗；CD表示工频容抗；UK表示电阻；UL表示电容；UC表示电压相量[21]。一旦线路出现空载状态，就可忽略整条线路电阻，此时工频容抗值要比感抗值大，串联电路阻抗都呈容性，式(1)可简化为

工频电动势一旦受到线路中容性电流影响，线路中就会出现压降现象，此时容抗电源远远大于电源电压，在该情况下，就会出现容升现象[22]，该现象的产生势必击穿配电网计量装置，因此，设计电阻分压式电压传感器，通过该传感器将高电压经过几条线路进行分压处理，可有效降低电压，保证装置不会被击穿，增强智能集成开关装置的抗击穿性。

电阻式电压传感器原理如图4所示。如图4a所示，1R表示高压臂阻抗值；2R表示低压臂阻抗值，由此得到的电压分压比

图4 电阻式电压传感器原理

如图4b所示，r1、2r分别表示高压、低压臂电阻。高压臂电阻1r上具有被测试电压U1，与U1成正比。为了避免低压臂上出现过电压现象，需要在其两端分别安装一个放电管，该电管放电电压必须小于允许通过二次电流电压的最小值。依据电阻式电压传感器原理，可实现电压分压，保障了智能集成开关装置具有良好抗击穿性。

4 智能集成开关抗电磁干扰设计

添加绝缘片后增强了智能集成开关绝缘性，使集成开关具有良好抗击穿性，为了进一步保证配电网应用智能集成开关不会被雷击产生的过电压干扰，需要对其进行抗电磁干扰设计。

如果发生雷击现象，电力系统就会立刻产生一个过电压，该电压不仅会影响集成开关连接状态，还会迅速产生一个磁场，使得开关绝缘性较差。为避免雷击电压引起的电磁干扰对智能集成开关设备绝缘性的影响，需要计算比值差和相位差。在式(4)和式(5)中分别给出了计算方法

式中，α表示电阻式电压传感器比差；λn表示传感器的额定电压分压比；Us、Up分别表示二次测量的电压结果值和最初标准电压值；η表示传感器相位差值；ηs、ηp分别表示传感器相位移和标准位移。雷击冲击波电压发生器将一个冲击波施加到断路器端子上，通过计算比值差可确定通过电阻式电压传感器的电压比值，结合传感器相位差值，可确定电磁干扰对集成开关造成的影响。FTU内部变压器将其转化成2.5 V特峰值交流信号，采集芯片采集干扰信号并将信号传送给控制器，进而确定干扰位置，在该处增强绝缘性，保障智能集成开关在配电网中的良好应用。

5 试验验证

为了验证一二次融合的智能集成开关在配电网上应用的研究与分析可靠性，需要进行试验验证。

5.1 绝缘试验

将工频耐压和冲击耐压作为验证智能集成开关绝缘性能是否达标的标准，具体试验内容如下所示。

5.1.1 工频耐压试验

采用工频耐压试验台，对智能1号和2号开关进行工频耐压试验。工频耐压电路连接图如图5所示。

图5 工频耐压试验基本连线图

图5中AV表示工频耐压调压器；TO表示被测试开关；PV1表示在调压器影响下的低压电压表；PV2表示球形电极影响下的高压电压表；R1、R2分别表示工频耐压整条线路下的保护电阻和球形电极下的保护电阻；F表示球形电极；T表示绕组。

对l0 kV高压开关设备相对、相间工频耐受电压的国家标准为42 kV，对于工频耐压的验证，首先要有一个足够低的值，在样品上施加一个电压，然后慢慢提高到42 kV。整个测试过程持续1 min，如果开关未出现破坏性放电情况，还可通过发生声音、气体分解和电压表指针剧烈摆动等异常现象来说明，以满足工频耐受测试要求。

分别使用磁集成开关、耦合开关、硅基二氧化硅结构全光开关和一、二次融合智能集成开关，研究配电网工频耐压效果，结果如表1所示。

表1 四种开关配电网工频耐压效果

工频耐压试验的测试电压较高，一旦其他设备未出现击穿、闪络现象，就说明设备有很大的安全余量。在整个试验过程中，未出现击穿、闪络现象，说明一二次融合的智能集成开关绝缘性较好。

5.1.2 冲击耐压试验

为有效研究电力设备在雷电过电压和运行过电压下的绝缘特性，使用脉冲电压发生器产生雷电冲击压，其接线原理图如图6所示。

图6 冲击耐压试验基本接线

图6中Rb、Rf、Rt分别表示限流电阻、波头电阻和波尾电阻；D表示指示灯；G表示球隙；C0为主电容，Cf为波头电容。

再次使用磁集成开关、耦合开关、硅基二氧化硅结构全光开关和一、二次融合智能集成开关，研究配电网冲击耐压效果，结果如表2所示。

表2 四种开关配电网冲击耐压效果

根据电压波动幅度，对试品持续增加耐压次数。若试样自保绝缘部分在试验期间未出现破坏性放电行为，则证实击穿、闪络现象不会出现。

5.2 绝缘强度对比实现

在控制单元的工作状态下，信号采集终端将产生一个1 μs周期，振幅约1 kV的干扰电压。绝缘强度用平均击穿电场强度表示，测试指标如下所示

式中，F表示击穿电场对试探电荷作用力；q表示试探电荷量。E值越大，说明平均击穿电场强度越大，绝缘强度就越大。基于此，分别使用磁集成开关、耦合开关、硅基二氧化硅结构和一二次融合的智能集成开关，对开关绝缘强度进行对比分析，结果如图7所示。

图7 不同开关绝缘强度对比分析

由图7可知，随着测试次数增加，平均击穿电场强度随之变大。使用磁集成开关在测试次数为6次时，平均击穿电场强度达到最大为4.4 V/m；使用耦合开关在测试次数为3次时，平均击穿电场强度达到最大为4.3 V/m；使用硅基二氧化硅结构在测试次数为6次时，平均击穿电场强度达到最大为4.7 V/m，与实际值相差较大。

使用一二次融合的智能集成开关在测试次数为6次时，平均击穿电场强度达到最大为5.8 V/m，与实际值的第6次测试结果一致。在2～5次测试过程中，使用一二次融合的智能集成开关测试结果与实际值存在误差，最大为0.05 V/m。

通过上述分析结果可知，使用一二次融合的智能集成开关平均击穿电场强度大，且与实际值基本一致，由此也说明开关绝缘强度较强。

6 结论

当电力线路出现故障时，继电保护装置能够切断电源，扮演保护线路的角色。对于传统集成开关存在的不足，提出了一二次融合的智能集成开关在配电网上应用研究，由试验结果可得出如下结论。

(1) 在工频耐压、冲击耐压试验下，电路中未出现击穿、闪络等破坏性放电现象。

(2) 使用一二次融合的智能集成开关，平均击穿电场强度达到最大为5.8 V/m，与实际值的第6次测试结果一致。虽然在测试过程中有偏差，但偏差最大为0.05 V/m，不会对开关造成影响。

由此可知，使用该开关具有良好绝缘性，简化了开关路线铺设复杂度。虽然使用该开关具有较高绝缘强度，但缺少突发故障状态下的开关控制研究。因此，在今后研究中，将此作为重点研究对象，分析在不同故障情况下使用一二次融合智能集成开关的效果，使配电网应用更加具有可靠性。