非接触式电信号驱动的防误装置的设计与实现

杜南希， 何 聪

(国网重庆市电力公司市区供电分公司，重庆 401147)

伴随着国民经济的快速发展，用电需求不断攀升。“十四五”电力规划强调着重提升电力保障能力，对电网供电的安全性与可靠性提出更高要求，定期对电力设备开展检修是降低电网事故发生概率的重要手段。设备检修时，接地刀闸的投入能够对线路进行充分放电，是保障检修人员生命安全的可靠措施。但若在线路带电时误合接地刀闸会产生较大的短路电流，危及人身安全，同时也会引发大面积停电事故[1]。为防止误操作事故，接地刀闸等高压电气设备都应安装完善的防误闭锁装置。

户外常规接地刀闸通过五防系统的五防主机、五防机械锁及五防电脑钥匙实现闭锁功能，由使用者开票下载到五防电脑钥匙中打开对应设备的五防机械锁[2]。机械闭锁功能的投入和退出主要依赖人为主观控制，若出现逻辑失效或者误开，容易导致带电误合接地刀闸。而GIS设备中接地刀闸在其电机控制回路中串入辅助节点，加入电气闭锁功能[3]，“电气+机械”两种闭锁逻辑极大提高了防误闭锁可靠性。

基于上述分析，户外常规接地刀闸防误闭锁装置需增加电气闭锁功能，进一步提高防误闭锁可靠性。本文利用电场耦合原理，设计、研制一种户外常规接地刀闸防误闭锁限位装置，实时采集设备电气量进行判断，在线路带电时限制接地刀闸旋转连杆动作，实现对接地刀闸的电气闭锁。

1 设计与实现

1.1 整体设计思路

依据需求，非接触式电信号驱动的防误装置设计由非接触式电压传感器、闭锁限位装置、闭锁限位附件三部分组成，其中闭锁限位装置包含信号处理单元、动力单元、闭锁限位单元，结构如图1所示，闭锁限位附件结构如图2所示。

图1 非接触式电压传感器、闭锁限位装置结构图

图2 闭锁限位附件结构图

非接触式电压传感器采集到线路电压信号后，将电压信号传输至闭锁限位装置的信号处理单元，分析处理后输出控制信号至动力单元，控制闭锁限位单元动作，实现线路带电时对接地刀闸的电气闭锁。整体工作流程如图3所示。

图3 非接触式电信号驱动的防误装置工作流程图

1.2 非接触式电压传感器的设计与实现

在架空线附近安装金属传感器，其等效电路如图4所示。依据电场耦合原理，利用式(1)的等效换算可得金属传感器感应电压值Ve，由此可实现架空线电压信号的非接触式采集。

图4 金属传感器等效电路图

(1)

式中：Vi为架空线对地电压；Cm为架空线与金属传感器间耦合电容；Cs为金属传感器对地电容；Rm为接地电阻[4]。

金属传感器通过伸缩可调式支架安装固定，如图5所示。按照上述设计思路制作非接触式电压传感器，如图6所示。

图5 非接触式电压传感器设计图

图6 非接触式电压传感器实物图

1.3 闭锁限位装置的设计与实现

信号处理单元：信号处理单元设计由处理电路、控制电路集成，将输入的电压信号进行模数转换，通过放大、滤波、检波、比较判断后，一路信号输出带电显示，另一路信号输出稳定控制电压，控制动力单元动作[5]。将以上功能集成至STM32处理板，总体流程框图如图7所示，STM32处理板设计电路如图8所示。按照上述设计思路制作信号处理单元，即STM32处理板，如图9所示。

图7 信号处理单元总体流程框图

图8 STM32处理板设计电路图

图9 STM32处理板实物图

动力单元：动力单元设计由直流型电动推杆和直流电机构成，直流电压信号驱动电机转动，平稳推动推杆伸出、缩回，结构如图10所示。按照上述设计思路制作动力单元，如图11所示。

图10 动力单元结构图

图11 动力单元实物图

闭锁限位单元：闭锁限位单元设计由限位连杆和圆形锁舌构成，限位连杆推动圆形锁舌水平运动，结构如图12所示。按照上述设计思路制作闭锁限位单元，如图13所示。

1.4 闭锁限位附件设计与实现

综合考虑各类接地刀闸旋转连杆的尺寸和可调节性，设计抱箍式闭锁限位附件配合实现限位闭锁，结构如图2所示。按照上述设计思路制作闭锁限位附件，如图14所示。

图12 闭锁限位单元结构图

图13 闭锁限位单元实物图

图14 闭锁限位附件实物图

1.5 整体组装

将非接触式电压传感器、闭锁限位装置按整体设计思路连接，整体组装如图15所示。

图15 整体组装实物图

2 测试及应用

2.1 实验室测试

在高压实验室分别模拟220 kV及110 kV电压信号，依次将A、B、C三相传感器安装在采集范围的安全距离内，装置通电后，分别测试非接触式电信号驱动的防误装置动作情况，装置测试连接如图16所示，测试结果如表1所示。

图16 实验室测试连接图

表1 非接触式电信号驱动的防误装置实验室测试动作情况

上述结果表明，装置接收到带电信号时，圆形锁舌伸出，而在未接收到带电信号时，圆形锁舌缩回，装置均正确动作。

2.2 现场应用

将非接触式电信号驱动的防误装置应用在220 kV巴山变电站220 kV巴九东线、巴九西线、梨巴一线及110 kV巴高南线、巴高北线、巴小北线。非接触式电压传感器装设如图17所示，在对应线路侧接地刀闸上装设闭锁限位装置及闭锁限位附件，如图18所示。

图17 非接触式电压传感器装设示意图

图18 闭锁限位装置及闭锁限位附件装设示意图

按照以下方法依次检查非接触式电信号驱动的防误装置动作情况：将装置电源接入开关场检修电源箱；线路停电时，将A、B、C三相电压传感器移至相邻带电线路安全距离下，检查装置动作情况；将A、B、C三相电压传感器移至已停电线路，检查装置动作情况，检查结果如表2所示。

表2 非接触式电信号驱动的防误装置现场应用动作情况

应用结果表明，非接触式电信号驱动的防误装置在线路带电、不带电时均能正确动作，能可靠限制接地刀闸旋转连杆动作，实现对接地刀闸的电气闭锁。

3 结论

户外常规接地刀闸与刀闸(隔离开关)间仅存在五防闭锁，若出现五防逻辑失效或误开，则存在带电合接地刀闸风险。针对此情况，本文设计、制作了一种适合户外常规接地刀闸的非接触式电信号驱动的防误装置，并将装置应用在220 kV、110 kV电压等级的接地刀闸，均满足其闭锁要求，能进一步降低带电误合接地刀闸事故发生的可能性，对于保障人身、电网安全有重大意义。