低壓智能配電柜設計初探

摘 要：為提高低壓配電柜的可操作性、可靠性和穩定性，本文對低壓配電柜智能化的設計方法進行探究。主要聚焦于柜體結構、二次元件的智能化設計，簡略涉及通信技術、即時報警，共四部分，以期拋磚引玉，并為新一代的低壓智能配電柜提供一些思考方法。

關鍵詞：低壓智能配電柜;智能化設計;低壓綜保

中高壓電力系統中，繼電保護裝置已普遍采用IEC61850通信標準，并據此建立了智能電網的基礎。但是，由于低壓配電柜的結構和中高壓成套柜大不相同，所以該領域還未普及此標準。為了能將此標準貫徹到低壓配電領域，我們先提出低壓配電柜智能化的一些要求：（1）通信速率提升至100M;（2）更堅強的抽屜單元;（3）除電參量、開關量輸入外，還可監測溫度、弧光等信號，并包含火災報警等信號;（4）可選的即時報警。

一、柜體結構的智能化設計

低壓配電柜按結構可分為兩種主要的型式：抽屜式和固定式。其一次元件包括斷路器（或熔斷器）、CT、接觸器、一次電纜等。目前對一次元件的智能化改造著重于斷路器和CT：（1）對于斷路器，有智能斷路器的探索，集成測控裝置在斷路器內。該探索國內在2005年就已開始，且當時已有產品，但是始終無法普及應用。原因在下面會提及。（2）對于CT，中高壓電力系統曾經嘗試過電子式互感器，但是從應用情況看故障率甚高，目前已基本處于禁用狀態。

以上一次元件的智能化探索，面臨諸多困難和失敗——其本質在于可靠性的權衡。我們期望的可靠的系統，并非指故障率為0（當然如果能達到最好不過）。而是指，在發生故障的前提下，應該如何避免故障擴大并形成災難。假設一次元件包含了部分數據采集的功能：當該元件損壞時一次回路已進入故障狀態，但是集成系統卻無法獲得相關的任何信息。

本文的理念：一次元件只負責輸配電，二次元件負責測控、保護和四遙。因此，本文暫不考慮一次元件的智能化。本文將探討于柜體和抽屜單元的智能化設計，以使其在結構上滿足低壓配電系統智能化的要求。

下面分別敘述柜體和抽屜單元智能化設計方法：

（1）柜體。應提供一條專用于敷設通信線纜的隔離通道，以避免通信信號受到強電的干擾，也可以避免其受到大質量電纜的擠壓，更可以避免一次電纜發生火情時導致的監測信息中斷。該通道可以放置于柜體頂部或底部，構成獨立小室，并橫向貫通柜體。

（2）抽屜單元。抽屜單元一共有兩副一次側觸頭，一般來說提供一副二次側觸頭，其靜觸頭均位于柜體上。

我們的目標：（1）減少抽屜內一次元件的數量，以獲取最大的空間，改善抽屜內散熱的問題;（2）減少二次回路控制線的數量，改善二次觸頭的損壞率;（3）設計專用插件，以滿足敷設超五類線的要求，達到100M通信速率的目標。

對應的方法：（1）將CT集成至一次側進線動觸頭內。如此，可省去抽屜內CT的安裝空間，并且便于維護。CT二次側輸出毫安級信號，接入抽屜內的綜保。（2）抽屜內安裝LM5F/LL5F系列綜保，綜保的性能在第二部分詳述，以減少柜內二次回路的數量。（3）增設專用的通信插件，但不用RJ45結構。通用的網線內有8根線，分為4組——其本質是4組雙絞線。對于100M網絡而言，通信傳輸僅僅用到其中的2組，從RJ45端子定義可知：1（TXD+）、2（TXD-）為一組，3（RXD+）、6（RXD-）為一組。因抽屜內空間很小，傳輸距離短，并不需要4組線全部接入。鑒于此，通信專用插頭可設計為4個端子組成的獨立插頭。為便于安裝，可在動靜觸頭側，分別引出很短的線，做成固定的RJ45接頭，最后按IEC標準[1]規定的試驗通過測試即可應用。

綜上所述，柜體和抽屜單元的智能化設計，奠定了前述目標中提升通信速率的基礎，并構建了更堅強的抽屜單元。

二、二次元件的智能化設計

經過近20年的發展，部分低壓綜合保護裝置（以下簡稱低壓綜保）已經具備了實現低壓智能配電系統的要求，其中以LM5F/LL5F系列為典型。以下簡述其功能，便于認識低壓綜保已具備哪些功能，在低壓智能配電柜的設計中可以起到哪些作用。

低壓綜保按用途可分為兩個大類：電動機用、線路用。可將其型號命名為LM系列（低壓電動機用）和LL系列（低壓線路用），目前主流應用的為HUAJIAN股份的LM5F和LL5F。其中LM應具備的基本性能已有國家標準[2]可參考，LL相關的行業標準正在起草中（預計2020年發布）。

從低壓智能配電柜的設計角度出發，我們希望低壓綜保具備這樣的功能：（1）電參量的檢測。對于準確度，卻并非要求達到計費級，因為在低壓配電系統中，計費的關口僅僅在進線柜內，沒有必要為此增加額外的成本。因此，綜保兼具測量和保護功能是可行的，測量的準確度能達到1%左右就已經足以反應現場的狀態。（2）計量功能。如有可能，當然也希望能反應各回路的電度量。同樣的，對準確度不做過高要求。（3）保護功能。應能滿足各類型負載的要求。由于接觸器往往應用在電動機回路中，因此要特別指出的是，為滿足可靠性的要求，LM系列保護動作的出口分為兩個：作用于斷路器的，和作用于接觸器的。某些保護功能出口必須動作于斷路器，例如單相接地保護、漏電保護。因為這兩個故障狀態下，故障電流可能超過接觸器的分斷能力。（4）開關量輸入檢測、控制功能。（5）統計功能。可統計外部操作的情況。（6）可編程的控制邏輯。可靈活運用于現場的工藝要求。（7）故障記錄。希望不僅僅能記錄故障瞬間的狀態，還能進行更詳細的故障錄波。（8）對柜體或一次元件故障的保護報警功能，例如溫度保護、弧光保護、火災報警等等。（9）通信功能。保留目前工業現場總線（如MODBUS、Profibus-dp等等）的前提下，實現100M以太網通信，滿足IEC61850協議的規定。（10）CT斷線檢測功能。特別指出，低壓二次回路中，對于CT斷線的檢測是極有必要的。（11）控制回路斷線檢測。低壓二次控制回路的斷線檢測很容易被忽略，但是很有必要。（12）易維護與長壽命。從維護的角度而言，期望低壓綜保的保護本體與顯示單元分開。從產品壽命的角度出發，期望低壓綜保的電源模塊能夠獨立。

以上功能需求，LM5F/LL5F大部分已具備，LM6F/LL6F已經完全具備。

綜上所述，利用目前國內領先的低壓綜保，減少了以往需單獨配置的表計、單相接地保護、漏電保護、溫度保護、火災報警等等元件，極大程度上減少了二次回路控制線，提高了低壓配電系統的可操作性、可靠性和穩定性。

三、通信技術的應用

有了上述基礎，現設想這樣一臺低壓抽屜柜（固定柜略），從上至下：頂部有獨立屏蔽的通信通道，第一個抽屜（也可做成固定式）高度為100mm，用于放置專用的通信處理機或光纖交換機，下面有8個抽屜單元，側面為二次回路敷設室。每個抽屜單元內的綜保，通過網線（或光纖）與通信處理機進行數據交換。整個配電室內，所有的通信處理機連接在一起，與站內集成系統進行數據交換，并經由站內集成系統轉發至上一級監控系統。當然，對于通信處理機的安排，也可兩三臺柜放置一套，以節省成本。

在應用IEC61850的前提下，一般直接采用滿足該標準的光纖交換機，其原理如下圖所示。

四、即時報警

上述構建了一套完整的低壓智能配電系統，其通信速率在100M。在這個前提下，一些重要的報警信息，例如火災報警等等，可以迅速地反映到集成系統平臺。集成系統平臺可利用物聯網模塊，通過4G將被用戶選擇過的重要信息轉發至運維人員。

五、結語

綜上所述，低壓智能配電柜的設計，首先要解決柜體結構的問題，以達到通信速率的要求;其次，應用國內先進的低壓綜保，減少柜內的元件，提高低壓配電柜的可操作性、可靠性和穩定性;最后，利用現有的通信技術完成整個低壓配電系統的智能化集成工作。

參考文獻：

[1]IEC 60603-7-2：2010 Connectors for electronic equipment-Part 7-2：Detail specification for 8-way，unshielded，free and fixed connectors，for data transmissions with frequencies up to 100 MHz.

[2]GB/T 14598.303-2011數字式電動機綜合保護裝置通用技術條件.

作者簡介：吳肇赟（1975-），男，浙江安吉人，本科，工程師，電力系統及其自動化方向。