10 kV架空线路用户智能分界开关的研制

2013-12-10吴朝辉杨文选

山西电力 2013年1期

吴朝辉，杨文选，王博

（1.运城供电公司，山西运城 044000；2.南京因泰莱配电自动化设备有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

在我国，随着10 kV配网架空线路的不断改造以及部分配网自动化线路的实施，主网事故率趋于稳定，而造成配网线路停电的主要原因是由于分支用户侧的故障引起的。各用户出口处大量使用熔断器、隔离开关以及没有保护的负荷开关等简易开关设备，它们一般均为人工手动操作，主要用于用户正常分、合线路负荷电流和隔离电源的作用，不具有自动隔离用户侧故障和自动拉闸限电的功能。一旦用户侧或分支线路发生过流、短路、接地等故障就会波及到主网线路，造成主网线路开关跳闸，导致大面积停电；同时由于线路上存在多个分支线路和用户，所以故障排查工作量也非常大，延长了恢复供电的时间。随着我国经济的不断发展，支线用户数量不断攀升，对支线用户的供电可靠性也越来越重要，因此，在分支用户处有必要安装智能开关设备[1]，隔离并排查分支用户端的各种故障，从而提高整个配网系统的供电可靠性。本文主要介绍了10 kV架空线路用户智能分界开关的研制。

1 智能开关整体结构设计

INT2000-II智能开关设备是在普通型户外高压交流真空断路器、重合器的基础上研制开发的新型产品。该设备主要负责对配网线路用户侧线路进行数据采集、状态监测、保护控制以及故障处理，为整个配网系统的供电可靠性提供了保障。

本文设计了一种采用三相分立的支柱式敞开式结构以及环氧树脂与硅橡胶复合绝缘方式的户外用户智能开关，配制具有在线监测功能的智能控制箱、创新结构的永磁机构，力求产品做到高可靠性、智能化、小型化、免维护等特点。其主要技术参数见表1。

表1 智能开关主要技术参数

开关本体主要由集成固封极柱、保护用电流互感器、零序电流互感器、永磁机构及箱体组成（如图1所示）。断路器为小型化设计，整体采用三相支柱式结构，该结构简洁明快，设计精度高，安装方便，无需调整即可满足真空灭弧室开距和超程的要求，并且可以避免箱式结构出现的“内部凝露”问题。机箱外壳采用304不锈钢经达克罗防锈处理，有效防止机箱在户外恶劣环境下锈蚀。

图1 用户智能分界开关的外形结构图

2 永磁机构设计

本断路器采用CDM-5S新一代永磁机构，如图2所示。该机构是一种用于中压真空开关设备的电磁操动、永磁保持的操动装置。其独特之处在于由永久磁铁实现机构终端位置的保持功能，取代了传统的机械脱扣和锁扣装置。和传统的断路器操动机构相比，永磁机构采用了一种全新的工作原理和结构，具有其他技术无法比拟的独特之处，从根本上克服了其他技术的固有弊端；工作时主要运动部件少，无需机械脱、锁扣装置，故障源少，具有很高的可靠性，可长期频繁操作，真正做到了永久性免维护。同时由于可采用电容作为操作电源，避免了辅助电源波动对机构动作特性的影响。

图2 CDM-5S型永磁机构

本文设计的永磁机构采用小型化设计原则，整体结构如图3所示。其中导磁端盖采用阶梯式设计，缩短了永磁体的磁路，进而改善机构的磁场分布，提高机构的静态保持力[2，3]。另外，通过降低磁轭的高度、增加衔铁的外环面积，缩短了磁力线通过的距离、提高了磁力线的密度，这种设计不仅缩短机构的整体长度，而且使其磁场分布更加合理，从而提高机构合闸力，减小了合闸电流。

图3 永磁机构结构图

3 永磁机构手动合闸装置设计

本文设计的用户智能分界开关应用了永磁机构手动合闸装置，即利用手拉式充电设备作为永磁机构断路器的应急操作电源，控制原理如图4所示。

图4 永磁机构手动合闸装置框图

开关本体设有手拉式发电机拉动手柄，拉动储能手柄给合闸电容器充电，当达到永磁机构允许合闸的电压时，电容器自动放电实现开关的合闸，要求以不小于2圈/s的速度拉动20 s。

4 智能控制装置设计

智能控制装置由ARM9处理器及外围电路模块、电源管理模块、电压电流信号采集模块、机构特性监测模块、开关量输入模块、开关量输出模块、通讯模块、机构线圈驱动模块组成，结构如图5所示，该电路结构严谨，参数合理，并通过严酷度等级为4级的EMC试验。

图5 智能控制装置硬件框图

该智能控制装置的保护功能采用延时加上二次谐波制动法来识别线路过流、短路状态和涌流，与传统利用电流峰值躲涌流的方法相比，准确率高、稳定性强。采用电压互感器采集电压，两个保护电流互感器采集A相和C相的保护电流，零序电流互感器采集接地时的零序电流。为了抑制电磁干扰，在输入通道前端加装EMI滤波器以滤掉共模和串模的干扰信号，使用信号调理电路使采集的模拟信号在ARM9可接收的信号范围之内。此外，通过电压互感器以及电源管理模块提供该智能控制装置所需的电源。

该智能控制装置的在线监测功能通过位移传感器、线圈电流分压器以及精确的采样技术得到永磁机构的行程、分合闸时间和电流，采集的模拟信号经过滤波和信号调理后送入ARM9处理器，根据自定义的方式计算机构的运动速度、动作电流，完成智能开关机械特性的在线监测功能。

5 智能分界开关保护功能

该智能分界开关具有重合闸、定时限、反时限电流保护功能，具有小电流接地保护功能，能够把用户侧的过流、短路以及接地故障进行准确的检测与切除，及时保护配电网的正常运行。接地故障仿真分析如图6所示。

图6 配电线路单相接地故障仿真模型

由于很多配网线路长度较短，接地容性电流较小，一次电流甚至小于1 A，因此传统的基波零序电流幅值判别法很难准确地进行检测。本论文采用小波分析法，在时频两域均具有良好的分析特性，是现代信号处理的有力方法，非常适用于分析配网系统接地故障暂态过程。本文利用MATLAB中的小波工具箱，用db6对各线路零序电流进行多尺度分析，各线路零序电流小波变化如图7所示。