智能电气开关设备技术发展趋势

一、智能电气开关设备技术发展趋势

1、系统解决方案

产品方案包括：10-20KV 开关柜自动化成套设备；环网柜自动化升级技术改造；互联网应用及大数据平台开发；开关柜电操遥控安全控制等级提升。

配电网智能化成套开关柜按照功能差异主要分为A/B/C/D4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；

这4种开关柜用在自动化配电网络的不同节点上，实现各自的重要功能。

技术咨询方案：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

2、开关柜技术升级的内容

一二次电气开关设备成套融合

开关柜技术升级设计主要包含四方面的内容：

（1）提高开关柜技术装备安全可靠性水平；

（2）通过开关柜技术升级节省设备投资，提高了开关柜技术附加值；

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

（4）、采用物联网信息技术，解决故障报警和故障点定位的难题。

（5）后期维护方案：投入运行后期维护、系统实验性测试、线路故障仿真及实操培训等项内容。

3、产品（一二次集成设备）解决方案

包括二次仪表控制小箱。

（1）、（前期）配网自动化方案配置，开关设备匹配、改造技术咨询，功能与DTU配套结构布局选择、成本性价比分析、

（2）（可行设计）智能柜结构设计、开关元件功能设计、DTU柜功能组合设计、上下游产品配套、改造模式组合设计、远程操控方法设计、

（3）（技术改造性能升级方案）系统升级调试，改造流程制定、线路结构设计，改造线路连接、电机安全控制，工厂化施工、整机组合调试、

4、开关柜操作机构主要接线方式

开关柜主要接线（综合布线）方式有；断路器柜+隔离开关、负荷开关柜、负荷开关+熔丝筒组合柜、分段器组合柜，分支线出线断路器柜五种类型。

二、现实技术问题与解决方案

配网设备一二次集成是把单纯的手动开关柜改装成智能开关柜，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。对设备的改造需要解决的主要技术问题。

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；

三、解决电气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、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。

四、提高智能开关设备的运维质量与效率

提高配电一二次设备的标准化、集成化水平，提升成套配电设备的定制生产和运行水平、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）是解决电压采集。

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、各配件厂商的技术标准统一

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。

五、配网自动化技术模式

1电压型-自动化功能检测（电压 失压分闸型）

（1）合环功能检测 可以检测开关两侧电压差，支持合环功能。

（2）失电延时后分闸逻辑检测 开关在合位、双侧失压、无流，失电延时时间到，终端应控制开关分闸。

（3）得电延时后合闸逻辑检测 开关在分位、一侧得压、一侧无压，得电延时时间到，终端应控制开关合闸。

（4）单侧失压延时后合闸逻辑检测 开关在分位且双侧电压正常持续30秒以上，单侧电压消失，延时时间到后，终端应控制开关合闸。可选择开关两侧的任意一侧失压时执行该功能。

（5）双侧均有电压时，禁止开关合闸逻辑检测 开关处于分闸状态时，两侧电压均正常时，此时FTU应闭锁合闸功能。

（6）闭锁合闸功能检测 若合闸之后在设定时限（故障检测Y时限，可整定）之内失压，并检测到故障电流，则自动分闸并闭锁合闸。如果没有检测到故障电流，则分闸不闭锁合闸。

（7）闭锁分闸功能检测 对于电压型开关，合闸成功后应具有短时闭锁分闸功能。若合闸之后在设定时间之内没有检测到故障(合闸成功)，则短时闭锁分闸功能，延时时间到后闭锁复归。

2、电流型-自动化功能检测（电流过流保护型 ---逻辑功能）

（1）相故障判断功能检测 在设定继电保护值后，设定速断保护时检测到相故障信号，配电自动化保护终端应立刻分闸。

（2）接地故障判断功能检测 在设定延时内检测到零序电压信号应立刻分闸，切除接地故障；在设定延时外检测到零序电压信号，架空线配电自动化终端不动作。

（3）非遮断电流保护功能检测 FTU应设置开关非遮断电流保护功能，当检测到流过负荷开关的电流大于600A时，闭锁跳闸回路。

3、智能型自动功能检测（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

六、智能化中压开关柜设备

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。

智能开关设备的技术特征

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。

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。

七、智能环网柜核心控制器

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。

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 、控制器的主要功能和作用

（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）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。

2、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、开关断路器主要功能

（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）。

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。

3、结论

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：一是提高开关柜技术装备安全可靠性水平；二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；三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；四是推行信息生产技术，解决故障报警和故障点定位的难题。