淺談金屬封閉高壓智能開關柜設計

摘 要：智能開關柜是電力開關柜和變電站自動化發展的新趨勢，是構建智能電網的基礎。文章重點介紹了智能開關柜的設計，涉及到數字技術、微電子技術、計算機技術、網絡技術和開關柜主要功能和特性。

關鍵詞：智能開關柜；電動底盤；電動接地開關

智能開關柜是高度集成化和數字化的設備，由智能電器、智能控制和一次開關柜體構成。智能電器是在開關設備中引入計算機技術，數字處理技術和網絡通信技術的新一代模塊化和標準化開關電器；智能控制是采用智能處理控制系統對數據進行獨立的處理，并可將采集的信息進行處理后通過計算機通信接口上傳，實現測量、保護、控制、數據采集與監控、電能計費、事故報警、事故追憶、數據報警打印等功能，能夠根據開關的狀態和電網的運行模式，自動選擇最佳模式進行控制和保護。

智能開關柜的設計：（1）柜體采用中置移開式結構、采用進口敷鋁鋅鋼板經數控沖床加工，采用多重折邊工藝，用拉鉚和高強度的螺栓聯接拼裝而成，精度高，具有抗腐蝕性和氧化性，機械強度高，外型美觀。（2）開關柜分為母線室、儀表室、斷路器室、電纜室四個獨立隔室。柜體防護等級為IP4X。（3）斷路器是在柜門關閉的情況下才能操作，無電情況下才能合接地開關，操作人員安全感強。（4）智能開關柜具有先進的機械聯鎖裝置，完全滿足“五防”要求。（5）智能開關柜選用具有電動底盤功能的智能型斷路器和具備電動操作的接地開關。（6）智能開關柜設計緊急分閘按鈕，可以滿足緊急情況下的分閘操作。（7）智能開關柜可就地或遠方操作斷路器手車遙進和退出、可就地或遠方分、合接地開關，能進行遠方合分閘的斷路器。（8）選用電子式互感器、智能操控裝置、電弧光保護、紅外測溫窗口等裝置。（9）構建信息化網絡結構。

以下本文將從智能型斷路器、智能化的測量控制保護裝置、智能操控裝置、開關柜溫升在線監測裝置、電弧保護裝置等五個方面來介紹智能開關柜的設計和應用。

1 智能斷路器和電動地刀

智能斷路器配有集成化微電子設備、數字通信接口、傳感器和執行器，集智能化控制功能、狀態監測與診斷功能、智能化操作功能為一體。具有分合閘和在線監測和診斷功能，能及時了解開關設備全面的運行狀態，掌握并智能分析處理其變化趨勢。

智能斷路器具有完善的在線機械特性檢測，分合閘電磁鐵和儲能電機電流波形測量，溫升測量，并據此進行機構狀態檢測、診斷、報警。同時具有通信和數據記錄以及底盤車電動進出功能，顯著提高了斷路器系統的智能化和可靠性。具有以下特點：

（1）友好的人機界面。智能化斷路器面板上具有可觸摸的人機界面，可分頁瀏覽斷路器詳細的運行參數。（2）機械特性在線檢測、在機構上安裝有特制的位移傳感器和專有的信號處理單元，通過斷路器面板上的顯示器可顯示每次分合閘后的分合閘位移波形，分合閘速度，分合閘時間，超程，開距，不同期等機械參數。（3）分合閘、儲能電機電流波形檢測。采用高精度的霍爾傳感器對分合閘電磁鐵，儲能電機的電流進行測量，并能將電流波形顯示出來。（4）斷路器狀態檢測，診斷及維護導則等專家系統。根據檢測到的分合閘機械波形，分合閘電磁鐵、儲能電機電流波形和在線溫度情況，對斷路器的狀態進行診斷，得出斷路器各個環節是否正常，對出現異常情況進行報警和分析處理。（5）具備通訊和數據儲存功能。智能化斷路器采用標準的現場總線通訊接口，支持多種標準通信協議，可將監測數據、曲線和診斷結論顯示到綜合監測裝置上，并通過數據傳輸到后臺中。具備強大的數據儲存功能，能將斷路器每次操作的機械特性和各電流波形進行儲存，便于調用查看。（6）電動進出控制。電動底盤車可現實斷路器的遠程進出控制，具備手動優先功能和進出軟啟動和軟停止，具有堵轉保護，可手動和電動自由切換。（7）智能斷路器具有電磁兼容功能和滿足機械特性和溫升的要求，可靠性和安全性高。（8）電動底盤車和電動接地開關。電動底盤車和接線模塊布置于底盤車車架內，與底盤車構成一個整體。同時適用于手動、電動操作。接地開關采用一體化模塊結構，可電動合閘、電動分閘、手動、電動切換

2 智能化的測量控制保護裝置

智能化的測量控制保護裝置主要器件為可編程的高速微處理器和單片機，軟件和硬件上采用模塊化結構，運用數字技術以及計算機技術，在強干擾和惡劣環境下也能夠實現保護、測量、控制、監視、通信等各種功能。

2.1 保護功能。三段式電流保護（方向或低壓閉鎖），反時限過流保護，低周減載保護，三相重合閘的保護功能，小電流接地選線、低電壓、過電壓以及零序電壓、過負荷的保護功能，斷路器失效時的保護功能。

2.2 控制功能。可以實現就地、遠方控制，對斷路器底盤車進、退的控制，斷路器分、合閘的控制，還有接地開關的分合登各項操作，以及實現保護合閘、保護跳閘；對信號進行控制以及將控制對象的情況顯示、打印等，使控制操作更加便捷和安全。

2.3 測量電量。能夠測量電流、電壓、頻率、功率因數、電能、電度、平均功率等進行測量等。

2.4 通信功能。裝置可以選擇雙網通訊配置，能夠與管理計算機實現通信或者借助變電站的通信體系進行遠程通信。其裝置支持Modbus通訊協議以及IEC870-5-101（103）等標準通信規約；其串行的標準接口為RS232和RS485，現場總線為CANBus等；通信介質可采用電話線、光纖、無線、載波等。

2.5 監視功能。能夠對斷路器運行狀況及跳閘、合閘回路進行監視；能夠對本機的運行狀態進行自檢和報警；具有故障錄波和報警追憶功能，能夠對故障的類型、產生的時間以及故障的波形如實加以記錄、分析和報警和打印等。

3 智能操控裝置

智能操控裝置是集中指示一次回路模擬狀態、手車位置、接地刀位置、開關狀態、操作機構儲能狀態；高壓帶電指示、帶電閉鎖控制器、自動加熱除濕、實時數字顯示溫濕度值及加熱器故障監測、超高溫報警并強制停止加熱、智能語音防誤提示、紅外人體感應、柜內電氣接點溫度在線監測、有無功功率、電能、功率因數、電壓電流等多種電力參數的在線測量、RS485通信接口、4～20MA變送口等多種功能。

4 開關設備溫升在線檢測系統

開關設備溫升在線監測系統由溫度監測單元、智能型無線測溫裝置構成。溫度監測單元包括斷路器溫度監測單元和母排溫度監測單元。

測量裝置可在線監測梅花觸頭溫度和母排溫度并將采集到的溫度數據通過RS-485將數據傳輸到后臺監測平臺，進行數據保存、超高溫報警、斷線故障報警等功能。

開關設備溫升在線監測系統可與溫升在線監測軟件配套使用，實現變電站內開關設備溫升集中遠程在線監測。具有在線采集、監測、分析現場溫度的功能。并能作出超溫報警、對比歷史記錄等處理，保障在設備發生事故之前作出處理。

5 弧光保護

弧光保護控制裝置集成保護、監視、控制和通訊功能于一體，具有可靠性的保護、監控能力。

閃絡保護：具有光纖閃絡檢測輸入以及保護元件。

可選保護特性電壓輸入選項：可實現過/低頻率、頻率變化率、過/低電壓、同期監測、直流電源監視、閃絡保護以及需求量表計測量。

可編程的保護邏輯設定。

測量和監視功能。通過分析順序事件記錄（SER）報告和錄波報告，實現快速驗收、試驗和故障后分析。主動上送的SER規約可用于全站的二進制順序事件記錄SER采集。

星型和三角形電壓輸入可設定。

通訊方式可選擇性多。功能包括IEC 61850、 DNP3串行口以及LAN/WAN、MODBUS TCP/IP等。