基于CT自供電的10kV高壓斷路器柜及其應用

廣東先達電業股份有限公司 張建國

基于CT自供電的10kV高壓斷路器柜及其應用

廣東先達電業股份有限公司 張建國

對CT自供電原理、存在的問題、采取的技術及辦法進行了簡單的分析，并將其應用在商業區10kV斷路器柜和住宅小區歐式箱變中，取得了良好的社會效益和經濟效益。

CT自供電；斷路器；歐式箱變

引言

隨著城市房地產業的進一步的發展，地段、交通、環境等良好的房地產用“寸土寸金”來形容顯然不為過。為此,有些建設單位就把配電房設置在：

（1）柱梁多、高度不夠、不好排布的邊角地帶。

（2）四周空間不夠的室外……當然,建設單位也知道安全可靠性的重要，但物美價廉自然是最佳選擇。另外,南網典設規定800kVA及以上容量的變壓噐配套使用的高壓柜要配置斷路器形式的保護。這些都是供配電設計必需達到的要求，供配電設計難度增加了。

我們知道：用于電力供配電系統中起通斷、控制、保護等作用的10kV斷路器柜，主要是由真空斷路器、隔離開關、接地開關、保護裝置、CT、PT、直流屏、避雷器等組成的。繼保是斷路器柜的重要組成部分，其作用是：當電力系統發生故障或異常工況時，在可能實現的最短時間和最小區域內，自動將故障設備從系統中切除，或發出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設備的損壞和對相鄰地區供電的影響。要保證斷路器柜的正常工作，必須提供220V或110V電源給保護裝置、開關，傳統的方式就是通過直流屏或500VA的進線PT提供。

為此，我們在設計中除了對用電負荷仔細核算、對設備安全性可靠性排布等嚴格要求外，還對設備配置選型進行了認真分析和探討后發現：無需配置500VA進線PT或直流屏柜的CT自供電的斷路器柜具有占地小、保護接線簡單、檢修維護量小、安全可靠等優點，既符合了南網典設的用電安全要求，又可滿足客戶用電的需要。

1.CT自供電技術分析

1.1 CT自供電原理

CT自供電，顧名思義就是利用CT 回路，從一次回路的電流互感器汲取電源，獲取能量的（不需要配置外部電源）。CT二次側電流經整流后，分別通過24 V穩壓電路、5 V穩壓電路以及電流泄放電路后，取得24 V 及5 V電源。5 V電源提供信號采樣和控制電路的工作能量，24 V電源提供跳閘電路工作的能量。電流泄放回路根據電路工作電流的大小自動調節泄放電流的大小，使電路電源穩定工作，同時不會增加電流互感器的負荷。在10kV高壓斷路器柜中,CT自供電獲取能量的裝置通常附裝在繼電保護裝置上,故又簡稱該種繼電保護裝置為“無源繼?！?。自供電電路原理框圖如圖1所示。

圖1 自供電電路原理框圖

1.2 存在的問題

從原理框圖看，好像只是簡單的整流、濾波和穩壓（降壓）電路，當然沒有這么簡單，眾所周知：CT電流是無規則地變化的，要從中獲得能量，還要解決以下幾個主要問題：

1）首先要解決好電流適應性的問題（因為故障時一次側電流是額定值的十幾倍，而在低負荷時負荷電流小于額定值）。

2）其次要解決好穩定的跳閘能量問題（因為無論在低負荷或過電流短路狀態時，驅動跳閘的能量都很大）。

3）還必須保證供電可靠性和系統正常工作（因為故障時，瞬間能量泄放很大，不能影響電路的正常工作）。

1.3 采取的技術及辦法

由CT電流無規則地變化衍生的這些問題，CT自供電廠家采取的是結合開關電源理論和功率器件開關特性等原理的技術，具體的辦法主要有：

1）取電CT選用截面積較大的，并相應的減小線圈的匝數，這樣可以有效的減小CT輸出的峰值；使用TVS和NMOS在直流側組成直流限壓電路，在交流接口處采用壓敏電阻預防浪涌，配置足夠的整流橋容量，選用開關速度快的整流橋；根據CT一次側電流變化實時模擬電壓信號大小，采用可編程放大器進行實時調節，使電路具有很好的電流適應性。

2）為提供充足的跳閘能量，自供電電容量應大于等于500 PF，輸出電壓大于等于24V。而且將5V和24V電源互相隔離，兩路電源互不影響，保證系統可靠性穩定性。

3）采用Mosfet 的控制電路，在小電流時正常取能，而在有大電流灌入時，通過控制使多余電流在Mosfet上進行釋放，以確保整個系統的供電安全。

還有就是因為采用自供電技術，裝置供電的功率受到較大的限制，所以如何降低整個裝置(硬件、軟件方面)的功耗也是一個要點。生產廠家采用了低功耗的微控制器(例如：性能先進的Cortex 系列，其內核直接支持低功耗)和其他低功耗外圍系列IC等辦法解決這個問題。

2.應用

2.1 在商業區的應用

某商業區用電容量是2臺800kVA變壓器,配電房被開發商安排在柱梁多、不好排布、最低高度3.3米的地帶，經過勘察發現該配電房雖然不好排布，但出線進線還是比較合適的。為此，結合設備廠家提供的資料,采用CT自供電的HXGN15-12型固定斷路器柜進行排布，將10kV進出線斷路器柜安排在最接近進線電纜進線的邊角，由于該商業區高壓柜設計一進二出一計量，高壓電纜只有三條，故砌0.5米基礎溝就夠用了，柜組總寬3.2米深0.9米高2米，砌0.5米基礎溝后最低高度0.8米，柜前最小距離1.55米，柜后及柜兩邊0.8米及以上，符合南網典設的要求。

而采用傳統的KYN28A-12型高壓柜就是要：

1）使用寬0.8米深1.5米高2.3米的手車式斷路器柜，屏前安全操作距離2米以上，與CT自供電的HXGN15-12型固定斷路器柜相比,占地面積約多3.52平方米左右,砌0.5米基礎溝后最低高度只有0.5米。

2）配套24ah的直流屏提供電源給裝置和跳閘操作使用，24ah的直流屏占地面積約6.96平方米(以直流屏本體1面計，寬0.8深0.6，屏左右及背面留0.8通道，屏前留1.5安全操作空間)。

我們還知道直流屏的電池是要進行常規維護的，而且使用一定時間后還要更換，后續的維護檢修是必需的。無須配置直流屏的CT自供電不僅為開發商降低了工程投資，減少了設備的維護檢修量，配套使用的無源繼保裝置還完全能滿意典設要求的定時限過流、速斷、零序、失壓、過負荷保護，超溫跳閘、高溫發信等功能，不僅如此，還具有反時限保護和接地故障保護等功能。自供電裝置接線端子典型圖如圖2所示。

2.2 在住宅小區中的應用

圖2 自供電裝置接線端子典型圖

某住宅小區用電容量是一臺800kVA變壓器，要配置斷路器柜形式的保護，開發商決定采用歐式箱變進行供配電，之所以選用歐式箱變是因為歐式箱變具有結構緊湊占地面積小的特點，歐式箱變結構緊湊，必然存在散熱的問題，而箱變的散熱空間是一定要保證的。

經過勘察后在小區的安全地帶確定了一處安裝位置，但經過測量后發現：采用傳統的XGN66斷路器柜組成的箱變設計的話,兩邊的門會碰到墻，差0.4米左右，而設備廠家已經把散熱空間縮至最小。而采用CT自供電的集隔離開關、真空斷路器、CT和誤防接地開關于一體的IV2000型斷路器柜，進出線最小可做到寬0.4+0.52米，與傳統的箱變相比：不僅可以不采用為裝置和跳閘操作提供電源的500VA進線PT，而且兩邊可增加0.68米的空間（傳統的進出線寬0.8+0.8米），兩邊的門完全可以打開，散熱空間得到保證。某住宅小區箱變結線圖如圖3所示。

圖3 某住宅小區箱變結線圖

我們在歐式箱變使用過程中發現了一些需要注意的問題：

1）大部分無源繼保廠家可以根據用戶自己的標準選擇5A或1A互感器，用戶訂貨時只需提供準確的互感器的型號，電流比，準確級和額定負載就可以了。而有些廠家必須配套使用廠家特制的互感器，不然就產生跳閘拒動。

2）用戶訂貨時，要根據實際的脫扣線圈來選擇型號。因為脫扣裝置采用的脫扣電源是不同的。如:雙穩態脫扣裝置：該能量以12V的振幅、30ms的脈沖形式供給。在故障的情況下，這些脈沖以100ms的間隔重復以確保斷路器分閘。而單穩態脫扣裝置包含了DC24V，DC48V，DC110V，DC220V的脫扣裝置。

3）保護裝置按照模式分為帶顯示和不帶顯示兩種類型。帶顯示的保護裝置配備一個顯示器和一個小鍵盤，用來設置繼保參數。當發生故障時，故障原因及故障發生的日期和時間一同記錄在顯示器上。不帶顯示的適用于戶外的低溫環境，保護功能的參數值由DIP開關組來設定，同時配備LED指示燈來監測裝置是否工作正常。

3.結束語

我們自2012年開始在小型商業區10kV供配電柜中試著使用CT自供電的高壓斷路器柜以來，用戶反映良好，運行安全穩定可靠先進，可實現智能化，取得了良好的社會效益和經濟效益。

CT自供電技術最早出現在2000年，是從國外引進的，較有代表性的有西歐的阿爾斯通和北美的固柏。2006年武漢意瑞萊在國內首先研發并使用該技術,現在CT自供電技術在國內外逐漸成熟，應用范圍也越來越廣泛，可以在斷路器柜和柱上開關運用，也可以用于熔斷器組合開關柜中，而用于智能電網保護系統中可以估計是未來的主流產品。

[1]徐志堅,劉映杰,王新,李漣鳳.一種基于單片機的自供電過電流繼電器的設計[J].電力系統保護與控制,2010,38(11):117-120.

[2]任元會主編.工業與民用配電設計手冊[M].北京:中國電力出版社,2005.

[3]牟思浦主編.電氣二次回路接線及施工[M].北京:中國電力出版社,2007.

張建國（1969—），本科，工程師，從事電力供配電設計研究工作。