淺談10kV開關柜的智能化設計

摘要：本文以當前高壓開關柜的廣泛應用及存在的不足為背景，以10kV開關柜為研究對象，提出了通過智能化設計方式提高其綜合性能的方案，設計了一款10kV智能開關柜，可以為相關領域提供參考。

關鍵詞：電力系統;高壓開關柜;智能化

10kV開關柜是一種典型的高壓成套開關設備，其作用在于線路的投切管理和電能的高效分配，對于電網的正常運行和故障檢修具有重要作用。然而當前10kV開關柜在應用中仍存在不可靠、不準確、不及時等問題，對電網的供電可靠性和檢修安全等方面帶來了較大的隱患，為了提高其綜合性能，本文對10kV開關柜的智能化設計技術進行了探討。

1 高壓開關柜概述

開關柜，在行業內又叫做成套配電裝置，是一種由斷路器等元器件構成的電氣設備。10kV開關柜是一種典型的高壓成套開關設備，在電力系統中的配電環節有著十分廣泛的應用，是電網中最常見的電氣設備之一。其作用是對電氣主接線涉及的控制單元、保護單元、測試單元以及相應的母線等裝配到一個專用的柜體中，使得接線的管理以及電能的分配更加方便快捷。當電力系統發生故障時，可以人為或自動將故障部分電路斷開隔離，在電網檢修時也可以根據需要對部分設備進行投切。可見，高壓開關柜是電網中不可或缺的組成單元。考慮到當前10kV開關柜在應用中仍存在不可靠、不準確、不及時等問題，非常有必要對其進行智能化設計研究，這對于高壓成套開關設備的發展具有重要的現實意義。

2 10kV智能開關柜總體設計

為了提高10kV開關柜在應用中存在的不可靠、不準確、不及時等問題，本文運用了當前較成熟的物聯網技術，充分發揮了現場總線、數字傳輸、通信網絡、無線傳統等技術的優勢，對其進行了集遙測、遙調、遙控、遙信等功能于一身的智能化設計，考慮到電網中的開關柜數量巨大，分布零散，因此在通信方式上采用無線通信機制，以性價比較高的CC2530單片機為主控核心，控制傳感器對溫度、電壓、電流等參數進行實時采集和傳輸，一旦參數超過預設的閾值，立即啟動風機等設備進行調節，實現遠程監控。操作人員只需在上位機進行簡單操作即可掌握遠程開關柜設備的實時工作狀態。

3 10kV智能開關柜功能設計

本文主要從10kV開關柜的狀態參數采集、分析和處理等方面考慮設備的智能化設計，這也是當前電力系統自動化設計的有效思路。本系統將狀態參數分為電量參數的監測和非電量參數的監測，其中電量參數的監測內容主要包括電壓和電流，而非電量參數的監測內容則主要是柜內的溫度以及一些開關量信息。通過對狀態參數的自動分析，即可實現10kV開關柜的智能化。

3.1 主控模塊及主要設備選型

考慮到數據處理和邏輯控制的需要，本系統的主控模塊采用單片機作為控制核心，根據功能和性能的綜合比較，采用了德州儀器研發的CC2530單片機產品，該款產品以8051處理器為內核，內部集成了ZSTACK協議棧，比較適用于無線信號傳輸單元的適配。溫度采集單元采用了MF521033950型熱敏電阻，該器件在常溫下的電阻值約為10kΩ，或以滿足-20℃—120℃的快速溫度響應，測量精度也比較高，同時具有非常緊湊的結構設計，不占用過多空間。

3.2 溫度監控模塊設計

溫度參數是高壓開關柜的重要狀態參數，高壓設備在長期運行中會產生大量的熱量，如果是夏季高溫天氣更容易引發火災或電路故障。本系統的溫度監控模塊主要由通信接口、電源模塊、信號采集單元以及開關量輸出等部分組成。智能開關柜直接由主母線引出電源線，首先由變壓器對高壓信號進行降壓，再對輸出電壓進行穩壓調節，最后為單片機提供最佳的工作電壓和電流。這種設計無須引入外部電源，避免了重復更換和維護蓄電池的麻煩。

熱敏電阻將溫度變化轉化為阻值的變化，最后通過電流變換到電壓信號，再由高精度A/D轉換器進行數字化，完成溫度的采集。單片機與傳感器之間采用RS232串行通信，單片機根據傳感器地址來識別傳感器，并對溫度信號進行實時處理，當溫度超過閾值時，啟動風扇進行散熱;當溫度低于閾值時，啟動加熱器進行升溫，使開關柜始終工作在最佳條件下。

在發生故障或定期停電維修期間，需要對開關柜進行遠程分合閘，采用繼電器可以實現該功能。將繼電器與IP控制設備相連，實現遠程的分合閘控制。

3.3 電量監控模塊設計

本文的10kV智能型開關柜可以實現對電壓、電流和設備在線狀態的實時測量和傳輸。由于開關柜中電氣設備的工作電壓較高，單片機無法對其進行直接的測量，因此采用電壓變換的思路，通過電壓互感器將高壓電進行降壓。電壓互感器經過大電阻與一次側相連，實現毫安級的電流輸出，再通過電阻器轉換為電壓信號，采用分流器的方案完成電流的采集。分流器具有無磁飽和、價格低、精度高等特點，可以滿足大交流電流的測量，非常適用于開關柜的電流監測。

為了實現對設備狀態的監測，本系統采用了光電耦合器、發光二極管和發光三極管的組合電路對設備工作狀態進行識別，可以準確反映設備觸點的開合狀態，實現了對斷路器、接觸器等關鍵設備的分合閘狀態監測。

4 結語

隨著技術的快速發展，許多電力設備制造企業開始投入大量的資金對新型智能開關柜進行研發，不斷采用新技術新工藝，這為智能化低壓開關柜的發展提供了廣闊的市場空間。

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作者簡介：宗巖（1990—），男，漢族，江蘇宿遷人，大專，助理工程師，目前從事電氣成套設備設計方面的工作。