12kV 配电柱上开关一二次融合关键技术之交流传感器实践

2024-03-10陈莹于杰

中国设备工程 2024年4期

陈莹，于杰

（江苏靖江互感器股份有限公司，江苏靖江 214516）

在正常负荷状态下，可以利用集成开关关闭或者切断电源，这也是集成开关的主要应用。但是，现有的设备开关智能化水平比较低，无法满足配电网的实际需求。电力行业专家通过智能开关装置设计工作，可以对开关的计量、保护、数据传输等功能进行集成，提高开关的使用性能。目前，在集成开关研究过程自动化水平比较高，并且绝缘性能比较差，导致设备的安全受到影响，会导致大量金属资源被消耗，大规模设备的使用经济性相对较差，不利于其长远发展。

1 配电柱开关一二次融合的优势

配电柱开关一二次智能融合是将电力系统中一次柱上开关与二次设备智能单元、传感单元、二次附件进行融合，在满足传统开关对电能控制、保护、测量的基本功能外，还具备信息传递、数据采集、状态全面感知、故障预警等能力，提升配电设备的运行状态管理水平及智能化水平。

二次设备作为自动化成套设备中的核心部件，内部电子控制器主要是一个新的部件，这一部件可以直接完成中央系统开关柜多功能控制和智能化控制。根据该装置的信息技术对传统装备进行智能化升级，完成升级的终端设备。除了可以发挥工业自动化技术的优势外，还可以利用嵌入式智能控制单元以及多个新增元器件提高开关设备的整体电器性能，为智能电网提供最基础的功能支撑。

2 12kV 配电柱上开关一二次融合关键技术

2.1 故障隔离与自愈技术

在该技术应用过程中，需要以遍历算法为基础对配电网供电拓扑图形化进行智能化识别。该技术的应用，具有较高的可视化水平和扩展性，除了辐射型网络、花瓣型网络和电视双环网络等拓扑结构之外。多T 节、多电源、多联络的复杂网络拓扑也可以具有自适应性区域性终端，可以与区域内的所有单元性配电终端信息进行交互，能够根据网络拓扑和收集的具体故障信息对非故障段的恢复策略进行科学判断。单元性终端在应用过程中可以对对应开关的信息进行采集，并完成故障定位和故障隔离，将报文信息上传到区域性终端接收区域性终端的控制命令后，可以自愈分合闸策略。

2.2 单稳态分相直控技术

永磁机构为纵向对称前后布置、三相为独立结构，并且没有设计比较复杂的传动结构，可以完全进行直线运动机构，结构的使用寿命为10 万次，能够省去分闸线圈、储能电机、机械锁扣连杆等零件，操作机构比较简单，寿命也比较长，具有较高的可靠性。

利用双断口磁路结构，反应速度比较快，分闸时间在15ms 以下，合闸时间在25ms 以下.在合闸电流相同的情况下，合闸保持力比较大，尺寸也比较小，功耗相对较低，可以使在每相机构独立安装。驱动模块在设计过程中利用IGBT 控制技术进行设计，具有较强的驱动能力。在发挥作用时，可以指示故障原因及时清除故障，还带有防抖处理功能，能够避免因为干扰导致误动，具有较强的可靠性。

3 交流传感器研究概况

3.1 交流传感器的原理

长期以来，柱上开关可以借助电磁式电压/电流互感器实现信号测量以及保护工作。在数字化微处理器发展和应用中，数字保护装置、电网运行监控系统的发展速度加快，并且输出值需要的数伏比较小，可以输出极小功率。因此，需要对结构进行优化调整，使其与参数采集要求相符合。在这一背景下，需要加强交流传感器研究工作。

交流传感器包括电压传感器、电流传感器两种：

（1）电压传感器。在运行中可以完成交流电压测量，通过电压传感器作为传感元件，借助电压传感器可以对被测电压进行控制，使其降到能够利用的低电压状态，之后借助电路对其进行转换，使其成为与被测电压呈线性关系的直流电压，然后将测量的数据输入数据采集系统以及A/D 转换器内。现阶段，在电压传感器应用中，一般是以阻抗分压为主的，比较常见的为电阻和电容两种。电阻电压传感器的耐压时热量较大，传输电缆需定制，应用较少。电容分压在应用中还需要考虑一次电容失效问题，二次回路可能与高压串接，导致FTU 被烧毁，从一二次隔离角度出发考虑，最好选择CVT 型三相电压传感器。

（2）电流传感器。电流传感器在应用中需要借助LPCT 线圈进行安装。零序电流可以利用相电流硬件合成方案，二次输出值为电压信号。LPCT 线性范围大，发热量小，能够通过一个绕组满足计量、测量、保护精度要求，二次也不需要进行防开路处理。

3.2 交流传感器安装集成方式

交流传感器在柱上开关中的应用类型包括三相共箱式和三相支柱式两类。在安装中的集成方式分为两个阶段：

第一阶段，在交流传感器安装过程中，主要在柱上开关进行安装集成。可以通过常规电磁互感器与一次本体进行结合应用。通过标准化航空插接头与终端设备完成测量工作，对信息交互情况可以进行控制。

第二阶段，将传感器与开关本体进行一体化设计，实现本体浇注式集成。在这一安装集成中，需要注意与一次设备标准化工作同时进行设计，可以将一次本体、传感器与二次终端设备进行融合，进而实现“可靠性、小型化、平台化、通用性、经济性”目标。

在整体安装应用中，主要在柱上开关上集成交流传感与本体设备，可以通过1 组电子式电压传感器提供Ua、Ub、Uc、U0（测量、计量）电压信号和零序电压信号；另外一组电子式电流传感器能够提供Ia、Ib、Ic、I0（保护、测量、计量）电流信号。

4 一二次融合智能配电开关配套的传感器实践

4.1 设计方案

在对一二次融合智能配电开关配套传感器进行设计的过程中，需要完成智能集成开关一二次融合方案设计工作。在智能集成开关一二次融合问题分析中，可以解决雷击电磁波干扰产生的影响。具体方案如下：（1）对集成部分进行划分，分别为设备集成和功能集成。其中功能集成需要分析开关清单上的第一与第二匹配装置。而开展设备集成设计时，需要对设备级集成进行分析，使设备级在设备层能够实现深度融合。也可以借助列开关维护作业，确保后续操作的可行性。（2）功能性集成设计也是其中的关键环节，通过成队列开关设计，可以按照列的主次结构借助标准化设置需求实现感知功能设计。之后利用一次或者二次感知功能匹配，能够保证设备操作的可靠性。

4.2 主结构设计

主要包括融合型智能传感器及开关主线路设计两部分。

（1）融合型智能传感器设计。融合型智能开关内部结构包括电压传感器、电流传感器线圈、小型化灭弧室、取能高压电容等。在运行中，元器件会产生电磁场，元器件之间出现干扰。需要对这些干扰进行控制。目前，器件一体化集成APG 浇注工艺在应用中优势比较突出，可以借助带压力的环氧树脂引入密闭的模具内进行整体浇注，从注料到脱模这一过程中，注射口需要确保对模腔有一定压力，需要促使模腔收缩补偿，这样可以确保制件尺寸精度以及机械性能和电气性能满足设计要求。

（2）开关主线路设计。该线路可以与配电网的设备与开关连接后，能够实现数据传输调配、使用等各项功能。智能控制器的开关作为一次融合和控制部分，可以通过一次融合开关体设计，对开关体进行保护、测量、控制，并且能够根据逻辑关系进行连接。在智能控制器应用过程中，FTU 作为馈线自动化终端，本身属于自动化系统与一次融合设备连接的主要接口，在配电柱上开关主结构监控过程中发挥作用，并与配电柱上开关进行通信。这种设计方便获取配电系统在运行过程中的相关数据，也可以根据主站的指令执行任务，从而实现馈线自动化监测和控制需求。

4.3 二次融合部分设计

二次融合部分需要将配电柱上的开关智能控制单元与监测模块进行连接。这一模块包含开关主电路，会直接参与电能的制造和输送过程。在配电柱上开关一二次融合技术设计过程中，可以连接不同传感器利用信号线和次结构，实现二次融合。之后需要监测开关本体与配电线路的具体运行状态。针对二次融合部分进行设计时，可以通过标准航空插头连接，满足控制智能控制器、开关本体之间的稳定性要求，确保信息交互的规范性，使单设备能够实现全景监控。

在本次设计过程中，集成开关的主次连接整体结构如图1 所示。

图1 集成开关主次结构连接图

为了确保可以对信息传播和扩散需求进行有效感知，在设计过程中，需要对37-coreGX12 对接航空插座进行应用。并将插座与人体温度感知开关进行连接，能够在多条线路上应用。除此之外，也可以保证信息传输效率，对保护工作人员人身安全也有一定作用。

在配电终端设计空插座。通过19 芯航空插座实现能量储存、开合控制，能够及时收集负载开关状态信号和连续电压信号。6 芯航空插座的主要功能是实现电压传感器和线路上的所有电压信号传递。防开航空插座可以对相电流和零序电流信号进行传递。在开展防护设计过程中，防护工艺能够确保主接线和次接线具有可靠性，提高电流传输的智能化，并根据开关智能化融合方案确保集成开关能够根据实际需求进行应用。

5 配电柱开关一二次融合中交流电传感器检测要点

一二次设备融合是将一二次设备一体化设计成一个整体，很多二次元器件难以承受强电场、强磁场及高温、高热、高湿等的运行工况，这些工况在一定程度上会急剧加速二次元器件的老化；另外，很多二次元器件本身是电力电子元件，其固有的运行周期远远低于一次设备的寿命。因此，需加强对配电柱开关一二次融合中的交流电传感器在-40 ～70℃全温度范围内误差满足设备入网要求。

5.1 温度运行变差试验

在实际检测过程中，需要通过温控箱完成环境模拟，在模拟的环境中完成一二次融合设备检测工作。在检测时，将被测的传感器和馈线终端放置在箱体内。标准传感器与被测传感器电压波形都需要上传到传感器测试仪中进行分析，获取比差和相差。标准电压传感器要高于被测传感器两个等级，才能忽略标准传感器产生的误差。如果标准传感器与被测或感器相比高出一个等级，在分析试验结果时，需要加上标准传感器的误差。

在低温试验过程中，需要根据我国电工电子环境试验低温试验方法中的相关要求将配电终端在未通电状态下放入低温试验箱，表面和内壁距离在150mm 以上。低温箱的温度变化速率不能超过每分钟1℃，降温到最低温度-40℃保持6 小时后对传感器的准确度进行检测。之后温度恢复到20±5℃，至少放置6 小时，在一次电压下完成准确度检测，保证误差在允许范围内。

在高温试验过程中，需要将未通电的配电终端放入高温试验箱内，表面和内壁的距离必须在150mm 以上，高温箱内的温度变化也不能超过1℃/min，升温到最高温度+70℃保持6h 后，对传感器的准确度进行检测。之后，降温恢复到20±5℃保持6h 测试传感器的准确度。在试验过程中，所有数据都需要符合相关规定。