环保化、小型化一二次融合的新型开关柜

环保化、小型化一二次融合的新型开关柜

新形势下配电网运维面临的挑战

配电网运维对智能配电设备和物联网技术的需求

一、智能环网柜发展趋势

1、一二次融合的新型环网柜

按照功能差异主要分为A/B/C/D 4种。

A起到主电缆线路保护的断路器/重合器开关柜；

B 主电缆分段用的负荷开关柜，只需要分断正常的负荷电流；

C 环网联络开关柜，重点核查双电源合闸对电网的浪涌冲击；

D 终端自动对切线路开关柜，可以快速转换供电网络；

2、系统解决方案

产品系统解决方案包括：

（1）10-20KV开关柜自动化成套设备；

（2）环网柜自动化升级技术改造；

（3）物联网应用及大数据平台开发；

（4）开关柜电操遥控安全控制等级提升。

（5）配网线路故障精准检测数据

3、智能环网柜技术设计方案：

柜体结构布局设计、一二次综合布线，电缆网络自动化和架空馈线自动化不同的控制模型及控制技术、开关柜功能标准化适当减少开关柜的种类、故障定位技术、标准化施工流程、软件在线监测、系统安全评价，运行方式及保护整定分析、网格式供电方式电网潮流计算等内容。

（1）智能电网开关设备向高性能、小型化发展。

（2）设备配套应用向新材料，低污染发展。

（3）融合多种传感器技术向多功能的组合电气设备发展。

（4）产品设计模式从单个设备控制向系列成套设备发展。

（5）开关设备生产厂商从提供单体设备向用户提供整体解决方案方向发展。

（6）“互联网+”电力装备工业融合创新技术大量研发应用。

4、现场施工改造方案

（1）、户外现场施工时间长；

（2）、在现场220V电源取电困难；

（3）、现状大部分户外开关设备没有专用的低压操作箱；

（4）、采集CT指标参数不一致，信号转换时误差大；

（5）、配网开关柜大多采用SF6充气式绝缘柜，若出现开关柜绝缘气压异常，远程遥控操作容易造成危险事故；

（6）、设备体积过大会需要扩大外箱体受场地限制，特别是对户外开闭所和环网柜的改造施工会遇到大麻烦；

二、解决开关柜故障检测问题

推出电气开关设备一二次融合集成技术，优先要解决的是故障检测、故障远程遥控处理问题。

1、10KV配电网用三个停电原因:

（1）是在线路突发故障造成线路停电时的操作。

（2）在对线路进行停电检修时的操作。

（3）是在对线路的运行方式的改变而进行的转供电时的操作。

2、本地检测故障

不需要把故障信息传回主站分析计算，不需要另外加装故障指示器，也能够进行故障定位。

3、开关柜潮流方向检测

由于采集了电缆全部支路的电压信息，配网自动化终端就能够方便判断出环网柜每一间隔的电流方向，也就是让主站很清楚知道哪一回是进线柜，哪一回是出现柜，随着网架接线方式的不断变化，环网柜的进、出线数据会自动刷新，不再需要线路操作人员反复到现场核对数据。

4、各种分合闸模式下的安全操作

（1）控制器增加了开关柜绝缘气体SF6 气压电子检测和控制器自动欠压闭锁功能。人工现场进行分合闸操作时首先要看一下柜体SF6气压表，气压不在安全范围内禁止操作的。环网柜改造就增加了机械和电子连锁装置，使人机交互操作更加安全可靠。

（2）新增的电子检测和闭锁功能，远方调度也能够像在现场一样的操作，如果判断不准发出了分合闸命令，现场的控制器也能够自动对开关柜进行保护，不会因为失误操作引起更大的事故。

5、主要安全扩展功能

开关柜分合闸操作主要10项功能。

（1）箱门被打开提示报警；

（2）PT外电电源检测；

（3）柜体气压过低检测报警；

（4）后备电源的蓄电池电压欠压检测闭锁；

（5）故障禁止操作自动闭锁保护；

（6）远方、本地信息按回路转换；

（7）分、合闸电流潮流方向的同向检测；

（8）接地刀检测；

（9）相过流故障检测、接地故障检测

（10）断线/缺相、三相不平衡、相序自动检测。

三、提高设备的运维质量与效率。

1、集成一体化制造

（1）优化了箱体结构。采取前后开门增高顶板等新结构、新工艺。解决设备安装和检修的问题。

（2）是解决现场PT电压互感器取电,解决了大功率长时间连续供电的问题。

（3）是解决每回路电压采集问题。

用新型的电容式复合传感器技术实现了电缆的电压信息采集，智能装置还能够根据电压的运行功率判断出电流的方向。解决了电力线路的检测信息的不完整技术难题。

（4）解决高精度电流采集质量问题。

解决了电功率和故障方向判断的技术问题，运用采集到电流信息，推算出电流的功率角，为电网稳定的环网线路运行提供了大量的基础数据信息。
（5）解决智能终端装置在施工安装困难的问题。

原来施工方法是现场零件组装，受户外天气影响和工作场地的限制，给施工带来诸多难题。经过我们的对施工流程的优化后，90%的改装工作量放在了后台进行，把所需的各种元器件都进行提前预置，这样做极大方便了现场施工，也明显提升了改装设备的质量。

（6）是解决电操驱动电路安装问题：

电动机控制分合闸的机械传动部分是整个智能开关柜的核心部分，如何能准确驱动电机的转动影响着整个开关柜的安全。我们在电动操作机构上有了创新的技术突破，不仅能够用最可靠的电路进行控制，而且做到了无差错安全控制，提高了操作的安全性。

2、配件技术标准统一

环网柜的一二次融合解决一二次设备的组合、装置性更换及工厂化维修问题，以总装厂为主导统一协调技术标准。

（1）解决了一、二次设备接口尺寸不匹配，兼容性、扩展性、互换性差等问题

（2）调解一、二次设备厂家产品质量责任纠纷。

3、故障检测与保护功能

（1）过流保护功能检测具有过电流保护功能，可对电流保护动作时限、相间电流定值进行设定。最少分两段进行故障判断，每一段的动作电流和跳闸延时均可以设定。

（2）零序电流保护功能检测 可检测零序电流，具有零序电流保护功能，动作电流和跳闸延时均可以设定。

（3）零序电压保护功能检测 可检测零序电压，具有零序电压保护功能，动作电压和告警时间均可以设定。

（4）重合闸保护功能检测 可设置两次自动重合闸功能，可根据需要设定重合闸次数以及每次重合闸延时时限。

（5）闭锁二次重合闸功能检测 具有闭锁二次重合闸功能，可设定闭锁二次重合闸时限。一次重合闸后在设定时间（可整定）之内检测到故障电流，则闭锁二次重合闸。

4、环网柜功能

智能型环网柜自动功能检测

（智能型自动化逻辑功能）

（1）电缆线路故障指示器亮红灯时，回路自动闭锁禁止合闸操作。

（2）分闸后，线路仍然带电自动闭锁接地刀和电缆室前档盖

（3）线路出现故障时，系统操作闭锁后是否能继续本地解锁

（4）两条都是进线，在一条已经分合闸合闸后，另一条是否被禁止

（5）系统自动检测到合环A/B/C 三相的相序不对闭锁操作

（6）合环操作是否被自动化系统禁止操作

四、一二次融合环网柜技术特征

1、智能化设备特征

智能开关设备是将信息技术融合到传统电气开关设备中，以数字化信息的获取、处理、利用和传递为基础，在开放和互联的信息模式基础上，进一步提高电气设备的性能指标，以及设备自身的可靠性和安全性，同时为智能电网的运行控制提供更加完善和丰富的数字化信息，以提高电网的供电系统的整体性能。

配网自动化建设需要大量的智能设备，智能设备的使用和制造离不开人，同时又是为了“解放”人，把操作人员从重复的繁重的劳动过程中解脱，用先进的控制技术提高劳动效率。

2、人机互动的技术特征

（1）、基本功能是控制和保护。

完成电网电流感知。在线实时监测电网上电压、电流的变化，发现故障快速跳闸切断故障电流，保护电网上变压器及家庭的电器用电设备。增加电网智能开关设备是为了感知、判断故障与执行线路保护功能。

（2）、中压开关设备的智能化

智能高压开关设备是智能电网控制的核心设备。通过在设备加装各类传感器，采集设备运行状态，把采集到的模拟信号转化成数字信息进行就地处理，或通过高速网络交互接口，传送到远方控制中心再处理。

（3）运行高效性

智能化配电网自愈是指配电系统能够及时检测出系统故障、对系统不安全状态进行预警，并进行相应的操作，使其不影响对用户的正常供电或将其影响降至最小。实现配电网自愈，最基本的就是要有高效的智能化设备。

3、安全控制器

控制器（controller）是智能化环网柜的核心单元。按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。

（1）控制器需要接收和识别上级命令：

控制中心的程序可以向控制器发送多种不同的命令，设备控制器应能接收并识别这些命令。控制器不断向设备各种传感器发送电子查询，并且向上级回复执行结果。

（2）逻辑控制执行

控制器就是控制部件，而外围设备相对控制器来说就是执行部件。控制部件与执行部件的一种联系就是通过控制线。

（3）控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令。控制部件与执行部件之间的另一种联系就是反馈信息。执行部件通过反馈线向控制部件反映操作情况，以便使得控制部件根据执行部件的状态来下达新的动作命令，也叫做“状态测试”。

（4）控制器根据每个驱动电动机的功能分为：单向控制器和双向控制器。

控制器还需要配备电机恒流控制技术：电机启动扭转电流和动态运行电流匹配一致，提高电机的启动转矩均衡，在机械齿轮故障扭矩增大情况下能对电机和整体设备做安全保护。

所以控制器要具备电流控制元件的合适选择，能够适用于任何一款电机，并且具有相当安全的控制效果，不再需要匹配提高了电动车控制器的普遍适应性，使电动车电机和控制器，不再需要现场的设备匹配，方便安装和使用。

（5）控制器只要自动检测与之相关的接口状态，如外部开关信号等等，一旦出现故障，控制器自动实施保护，充分保证设备的安全，当故障排除后控制器的保护状态会自动恢复。

（6）控制器要具备自动/手动操作功能一体化，根据不同的使用环境进行灵活配置。自动转换开关控制器是一种智能双功能切换系统。控制器的电气联锁配合机械联锁，确保控制器参数的自动调整。

4、控制器主要功能

（1）首先将控制器的本地/远程开关搬到本地位置上。

（2）可以用搬杆/按钮的进行分合闸操作。

（3）人工分闸后，如果电缆上没有带电，控制器处在解锁位置。

（4）本回路仍然可以进行搬杆/按钮的分合闸操作及接地刀操作。

（5）合上接地刀后打开前盖，可检修电缆。

（6）如果分闸后电缆头上仍带电，控制器上闭锁开关会自动锁定。

（7）闭锁键锁定后，不能再进行电动分合和接地操作。仍可手工搬杆分合闸操作。

（8）本间隔的接地刀合不上，前盖锁住不能被打开。

（9）设备检修完毕，将控制器的闭锁按钮搬回到解锁位置。

（10）这是就可以进行搬杆/按钮的分合闸操作。

（11）将控制器的本地远程开关搬回到远程。进入系统远控程序。

3、开关断路器手动操作功能

（1）闭合（close合闸）：动触点由速动操作机构控制，对于负荷开关，除控制动触头运动外，无储能功能。对于断路器和组合式熔断器负荷开关，当触头闭合同时，操作机构能同时进行贮能。
（2）断开(open分闸)：开关断开由同一速动操作机构的方向动作实现。断路器和组合式熔断器负荷开关的分断由：按钮操作或故障跳闸实现。
（3）接地：特殊设计的操作手柄插入操作孔闭合或打开接地触头，供手柄插入的孔洞被挡片锁住，当开关处于分闸位置时，手柄孔打开；当开关处于闭合位置时，手柄孔被锁住。接地开关与间隔前盖实现联锁，只有在接地开关合闸时才能打开间隔前盖。（4）开关装置状态指示器：直接安装在操作轴的动触头上，开关装置的状态可由指示器可靠指示。
（5）操作手柄：操作手柄为防止往复操作设计，可以防止负荷开关或者接地开关合闸后马上被再次打开。
（6）加锁装置：可以加1，2或3把挂锁，防止误操作，用于闭锁开关或断路器操作轴接地开关操作轴分闸按钮
（7）接地开关闭合位置指示：位于装置的上部，当接地开关闭合时，通过透明罩可以看到接地开关的状态。
（8）金属箱体由不锈钢材料制成的密封箱体，符合IP67防护等级。安装在各个功能单元上，作内部电缆带电指示，符合IEC-61958技术标准。

4、环网柜（二次部分）基本电路

电动操作设备升级为自动化远程操作设备（二次部分），需要现场人工对信号灯观察改为信号自动采集完成。低压采集是技术难点，通常的做法是加装1-2台、0.22/10kV PT 采集2条进线电缆的电压。由于常用开关柜是4回路，并不能实现全部回路电缆的电压测量。线路带电指示器是依靠电缆头电容感应分压原理，电压信号特别弱难以利用。

（1）线路带电指示器

电容式电压指示器

线路带电时电压指示器显示套管是否带电，其上的插口可用于核相。该系统带有集成的电压指示器（发光二极管）。对于正常的操作环境，带电显示装置是推荐选择。相位识别必须以推鉴的核相器进行。

（2）手动核相器

核相器显示两个模块间的相位平衡性。要在电容性耦合系统中使用，请遵守IEC1-和／或IEC1的规定。核相器必须与推荐的电压指示器配合使用。核相器的作用是在线路完成前确认线路连接无误。

（3）线路故障指示器

当短路电流或零序电流高于预先设定的电流值时，装置面板上的发光二极管会闪烁，同时有一个节点动作，供远方遥信使用。当故障消失，经过设定的延时之后，装置会复位（或通过节点信号输入复位）。

5、嵌入式故障指示器

通过DTU装置把微弱的电压信号放大实现所要的电压信号。DTU终端能够根据采集的电流大小及设置的定值，判别故障电流（单相、相间、接地），据此得出故障信息，并把这些故障量送往配电网控制中心，为故障分析、判断和负荷转移提供依据，并配合配电控制中心，进行故障隔离和非故障区段的供电。故障信号能以遥信形式快速闭锁装置，以故障指示灯点亮报警。然后永久保存在DTU 装置内，通过随机管理软件随时现场读取。

6、人机互动操作

通过把手动开关柜改装成智能开关柜的好处主要表现在；能够充分利用设备，延长开关柜的使用寿命周期。

开关柜技术升级改造主要包含四方面的内容：

（1）是提高开关柜技术装备安全可靠性水平；

（2）是开关柜设备升级改造节省了投资，提高了开关柜技术附加值；

（3）是应用计算机网络技术，优化开关柜安全操作模式模式，使配网管理跨入现代化管理轨道；

（4）是推行信息生产技术，解决故障报警和故障点定位的难题。

7、一二次融合

由于各种电器元件安装位置不同，在构成一个完整的电气控制系统时，就必须划分组件。把功能类似的元件用模块化的形式组合在一起；

(1)尽可能减少组件之间的连线数量，同时把接线关系密切的控制电器置于同一组件中；

(2)减少电压等级采用统一的供电电压

(3)可把外形尺寸、功能相近的电器用模块的形式组合在一起；

(4)为了电气控制系统便于检查与调试，把需经常调节、维护和易损元件组合在一起。

在划分电气控制柜组件的同时要解决组件之间、电气箱之间以及电气箱与被控制装置之间的连线方式：

电气控制柜各部分及组件之间的接线方式一般应遵循以下原则：

(1)开关电器、控制板的进出线一般采用接线端头或接线鼻子连接，这可按电流大小及进出线数选用不同规格的接线端头或接线鼻子；

(2)电气柜、控制柜、柜(台)之间以及它们与被控制设备之间，采用接线端子排或工业联接器连接；

(3)弱电控制组件、印制电路板组件之间应采用各种类型的标准接插件连接；

(4)电气柜、控制柜、柜(台)内的元件之间的连接，可以借用元件本身的接线端子直接连接；过渡连接线应采用端子排过渡连接，端头应采用相应规格的接线端子处理。

五、智能环网柜

1、智能环网柜具备一些特点：

一二次融合的环网柜是具有感知能力，即具有能够感知外部世界、获取外部信息的能力，通过电压测量互感器产生数据，经过模数转换成有用的业务信息。智能采集活动是智能化的必要条件；

2、智能环网柜是具有记忆和思维能力，

即能够存储感知到的外部信息，能够长期存储有效信息同时能够利用逻辑关系对故障信息进行分析、计算、比较、判断；

3、智能环网柜是自己能够适应环境变化；

通过开关柜各种传感器感知设备状态，将任何越限状态变化情况进行控制，并且根据数据变化进行自动调整自动化开关柜就是智能环网柜。

4、智能环网柜故障检测原理

（1）、智能环网柜是具有感知、分析、推理、决策、控制功能的先进电气开关装备，它是集先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合的产物，而且是智能电网建设的必不可少的关键装备。

（2）、智能环网柜能够根据采集的电流大小及设置的定值，判别故障电流（单相、相间、接地），据此得出故障信息，并把这些故障量送往配电网控制中心，为故障分析、判断和负荷转移提供依据，并配合配网控制中心，进行故障隔离和非故障区段的供电。故障信号能以遥信形式快速闭锁装置，以故障指示灯点亮报警。然后永久保存在DTU 装置内，通过随机管理软件随时现场读取。

3、配网自动化SCADA 方案

（1）方案架构

配网自动化解决方案，主要由配电DTU电力终端装置， 通信传输终端，中心监控云平台以及电力配网监控中心组成。

通过电力终端的信息接入，监控中心的工作人员可以实时查看各个设备的运行状态，如有设备检测出故障可以马上判断故障点。

（2）终端主要是智能环网柜，

主要包括一次回路，二次回路，开关柜，负荷开关，变压器，继电器，接触器等设备。

来自智能环网柜的信息通过 数据网络向前置机/数据服务器传送，经主前置机/数据服务器处理、存储后，向局域网上广播，各工作站收到信息后进行相应处理。来自工作站的信息首先传送到主前置机/数据服务器，由其处理后通过 数据网络发送到环网柜。

网络安全维护系统等都比其他电网自动化类型更加复杂，设计施工难度更大，对工程设计人员的经验和水平要求更高，大型智能电气设备对厂家的要求更趋向于世界一流产品。