一二次融合成套柱上開關設備的技術特點與應用

摘 要：配電自動化作為電力系統中的末端環節，其可靠性直接關系到終端用戶的用電質量。近些年，隨著我國電力設備不斷的升級改造，配電自動化技術的快速更新，智能化產品也逐漸得到普及，但同時也暴露出各種各樣的問題。介紹了我國10kV線路配網自動化應用現狀，闡述了一二次融合成套設備的發展背景和建設目標，對一二次融合成套柱上開關的系列關鍵技術問題進行了詳細分析，同時說明了一二次融合成套柱上開關設備的應用趨勢，肯定了其作用成效，并給出了發展方向。

關鍵詞：一二次融合;柱上開關;電流;零序電壓;饋線終端

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.152

0 引言

近些年，國內各電網公司紛紛在多個城市開展了配網自動化建設，如國家電網、南方電網、地方電力、油田、兵團等等，并且出現了繁榮式的發展?？刂圃O備由早期的就地式故障處理，發展到現在的基于網絡式的遠方故障隔離。在運行監控、故障處理、信息交互、通訊網絡等方面取得了很大的發展，為配電系統調度和運維提供了極大的幫助。我國配電線路在倒閘操作時間、非故障區恢復供電時間以及故障處理時間得到了極大的縮短，保障了供電要求。但隨著大規模的配電自動化終端的使用，對我國電網的調度和運維管理提出了很高的挑戰。為此，一次設備和二次設備如何有效的管理和運用成為今后配電網發展的一個重要趨勢。

1 一二次融合發展背景

以西門子、ABB、施耐德、日本東芝等為代表的電氣巨頭公司，早在二三十年前就將一二次設備進行融合，并應用于不同的配電開關。例如，施耐德利用最新的傳感器和物聯網技術，對配電設備進行全新設計，開發出了新一代的智能配電開關。其它國外的一些電氣設備制造廠商有的沿用傳統的一二次設備分別設計和制造的方式，在后期需要升級的時候，將傳統的互感器、測控裝置集成到柱上開關箱體內，實現一二次設備的簡單物理上的融合。早些年，我國經濟和技術水平相比國外較為落后，導致生產出的電力設備性能和配置較低。近些年，隨著一帶一路的牽動、工業不斷擴張、城鎮和社會主義新農村的不斷改造建設，用電負荷也隨之快速增長，電能質量也要求越來越高，我國配電線路也暴露出了很多問題。例如，（1）配電設備標準規范不統一，出現了很多五花八門的設備，導致互換性較差，資源得不到合理的利用;（2）系統結構設計缺乏全方面的考慮，在一些陳舊的線路上裝配先進的饋線終端，從而出現一次設備與二次設備不兼容、主站與饋線終端功能不匹配以及通訊容量不足等問題;（3）供電質量差。前些年建設的配電線路，一次線路導電線截面參差不齊，并且缺乏很好的維護，線損損耗較大。據統計，我國有些地區電網損耗在15%～20%，嚴重的地區達到30%左右，存在著大量的能源浪費[1]。

2 一二次融合建設目標

2.1 成套階段

該階段主要工作為將一次柱上開關、二次饋線終端、常規取電PT通過電纜相互連接組合而成，電纜兩頭采用標準航空插接件。柱上開關與饋線終端通過電纜連接，并將測量、計量、控制信號進行交互，完成一二次設備的初步融合。其主要目標是實現一二次設備連接接口標化準統一以及成套設備的采購和聯調檢測，并實現線損采集、就地FA、單相接地故障處理。實現一次和二次設備采用一體化的設計理念，滿足不同設備廠家之間相互更換以及即插即用的使用原則。

2.2 融合階段

該階段的總體工作是與一二次設備一體化設計同步開展，將一次開關設備、電子式傳感器、二次饋線終端、取電PT進行深度融合，實現“一體化、小型化、通用化、智能化、經濟性”。該階段目標為實現設備高度融合，實現分段線損檢測、就地FA、單相接地故障處理、裝置通用、就地互換、即插即用，解決成套設備間絕緣配合、電磁干擾、精度匹配等問題。

3 一二次融合關鍵技術

3.1 標準航空插接件

3.1.1 柱上開關側

開關本體采用1個26芯航空插頭將電流、零序電壓、控制和狀態等信號引出，并接入饋線終端的航空插頭，26芯航空插頭的規格大小以及各針腳定義采用標準化設計。

3.1.2 饋線終端

饋線終端的航空插接件包括14芯和6芯航插以及6芯防開路航插各1只，并配以太網接口1個。14芯航插用于傳輸控制信號、開關狀態信號以及零序電壓信號;6芯防開路航插用于傳輸三相電流和零序電流信號;6芯電源航插用于傳輸電壓互感器提供的電源和測量電壓信號，航空插頭的規格大小以及各針腳定義采用標準化化設計。

3.2 電流信號

通常，通過電磁式電流互感和電子式電流傳感器兩種方式來獲取電流信號。電子式傳感器實現方式主要有空心線圈和LPCT線圈兩種，輸出信號為模擬電壓信號或數字信號，而不是傳統的電流信號?？招木€圈式的電流互感器無鐵芯、不存在鐵芯飽和，無二次開路危險、過電流能力強，但制造工藝較難，小電流線性度較差，需二次補償。帶鐵芯的LPCT線圈存在鐵芯飽和現象，精度可以做到10P20，但它存在非線性變換，工藝實現簡單，但開口電壓高，有開路等危險，頻帶范圍不如空心線圈寬，它們要求負載阻抗都不小于20kΩ。而電磁式電流互感器一次匝數少，二次匝數多，內阻較大，二次帶載能力不強且不能開路。正常工作時負荷電流較小，磁通密度低，而短路故障時電流較大鐵芯磁通存在飽和現象[2]。

3.3 零序電壓

零序電壓的獲取方式一般有兩種，三相五柱式電壓互感器和電子式電壓傳感器。三相五柱式互感器存在很多弊端：（1）生產成本較高，價格昂貴;（2）不能通過檢測線路的絕緣電阻實現線路的絕緣診斷和故障點查找;（3）系統雜散電流較多，當出現單相接地故障時，會引起饋線終端的誤動作或者不動作。電子式電壓傳感器常見有電阻分壓型和電容分壓型兩種。電阻分壓型也有其缺陷：（1）會在系統中產生雜散電流;（2）與柱上開關成套組合時，會降低對地絕緣阻抗;（3）電阻元件工作時容易熱積累，產生時漂和溫漂，長期使用可能造成外絕緣層裂化;（4）精度受外界環境影響較大。

由于日本陶瓷電容技術相對成熟，故障率較低，日本電網公司更青睞使用電容式傳感器，且它本身與對地的容性特性一致，不影響單相接地的判斷，即使出現故障，對系統及設備的影響程度相對較低。國網公司經過以下幾點考慮最終采用電容分壓式傳感器：（1）日本很早就制定了電容式電壓傳感器的國家標準;（2）可以將高壓側和低壓側進行隔離，避免高壓進入饋線終端，造成終端燒毀和人身事故;（3）電容分壓傳感器帶載能力和抗干擾能力強;（4）國內外已經有很多成熟的應用案例，例如國外日本和韓國，國內許繼和平高等等。

3.4 饋線終端

饋線終端較早期的方案做了功能性和配置方面的提升，并增加了線損采集功能，線損模塊內置于饋線終端中，支持熱插拔，并采集電源電壓、相電流、頻率、零序電流以及零序電壓，實現正反方向有功電量計量和四象限無功電量計量，功率因數計算。故障錄波支持數據循環至少64組，錄波內容包含故障發生時刻前不少于4個周波和故障發生時刻后不少于8個周波的波形數據，錄波點數為128點/周波[3]。

支持軟件的硬加密和軟加密功能，基于內嵌安全芯片實現信息安全防護功能，支持SM1加密和解密，算法的簽名和驗簽功能，與配電主站實行雙向身份認證[4]。除具備常規二遙功能外，還滿足就地FA功能（電壓時間型、電壓電流時間型、自適應綜合型），具備不同中性點接地方式下的接地故障的定位與隔離功能。

3.5 柱上開關

柱上開關可分為柱上斷路器和柱上負荷開關，按線路實際應用功能可分為分段、聯絡和分界開關。目前常用的開關主要采用真空滅弧和SF6氣體滅弧兩種方式。真空滅弧具有結構簡單、開斷能力強、電弧不外露、無爆炸危險、壽命高等優點。目前一二次融合成套斷路器設備采用的是LW3-12型六氟化硫斷路器，它具有斷口距離大、燃弧時間短、開斷容性和感性電流無重燃等優點，并且過電壓低，無截流值。但SF6氣體在空氣中難以分解，具有不環保和斷路器易爆炸的風險。因此，國網旗下各公司正在聯手開發其它類型開關。

4 結語

隨著一二次融合的不斷推進，也克服了不少問題，例如電壓傳感器的絕緣電阻、電流互感器的二次功率和電阻、開關整體的局放、二次信號的屏蔽以及成套設備的聯調試驗等等，但目前還有很多新的方向有待研究：（1）三相共箱式真空斷路器采用內置隔離斷口，隔離斷口與真空斷口聯動，這樣可以避免感應電壓的問題，此方案可以在FZW28A-12型負荷開關上進行改進，采用彈簧操動機構，并進行型式試驗驗證;（2）三相支柱式真空斷路器內置電子式電流互感器和電子式電壓傳感器，此方案以ZW32-12型斷路器為模型，將真空滅弧室、電流互感器、電壓傳感器整體澆筑在一起，實現小型化，免維護等特點;（3）電容取電替代電磁式電壓互感器，滿足各種饋線終端的供電和開關驅動的要求。相信隨著技術的發展和各行各業齊心的努力，將最終實現一二次成套設備的理想融合。

參考文獻：

[1]張平.我國配電網的現狀及發展趨勢[J].山東工業技術，2017（23）.

[2]王振岳.陳偉，鹿海成，孫虎云，電阻式與電磁式互感器的比較及在智能電網中的應用[J].華電技術，2012（02）.

[3]梁洪浩.供電企業計量自動化一體化平臺的設計與建設[D].上海交通大學碩士論文，2007.

[4]鄧吉祥.配電一二次融合成套設備FTU設計方案[J].通訊電源技術，2018（11）.

作者簡介：漆志平（1985-），男，湖北人，碩士，中級，主要研究方向：10-35kV斷路器以及智能控制技術。