智能一二次融合柱上開關高可靠性關鍵技術研究

黃 倫，張欣宜，馮思朦

（1.國網陜西省電力公司西安供電公司，陜西西安 710000；2.陜西送變電工程公司，陜西西安 710000）

建設智能電網是電力能源供應的重要發展方向。配電網作為電力系統最靠近用戶的環節，其發展建設越來越受到重視。但目前配電網的柱上開關均存在接口不匹配、兼容性差、維護困難、功能未能滿足需求等問題，與智能配電網高速發展趨勢相悖[1-3]。

在此背景下，一二次融合技術應運而生。該技術通過對外觀結構、接口方式和運維方式進行標準化設計。將開關本體、保護單元、傳感器、通信模塊等一體化集成，融合多種監測控制功能，形成一體化、小型化、標準化的智能電力設備。最終，實現了配電網的狀態智能感知、數據實時分析和科學優化決策[4-8]。一二次融合技術在柱上開關的應用目前還處于起步階段，僅能實現一二次設備的一體化集成。一二次設備之間的相互兼容性和設備整體的可靠性等仍有待進一步研究[9-12]。

文中深入開展了智能一二次融合柱上開關高可靠性關鍵技術研究，分析了影響一二次融合柱上開關可靠性的主要因素，并進行了仿真實驗，提出了可靠性提升措施。

1 智能一二次融合柱上開關

典型的一二次融合柱上開關結構如圖1 所示，并采用電子式傳感器替代傳統傳感器。將開關本體、傳感器、電能計量單元、電源、保護單元和通信單元進行了集成優化設計。其實現了柱上開關一次設備與二次設備的深度融合，大幅提升了柱上開關的智能化水平[13-14]。某一二次融合柱上開關的主要技術參數如表1 所示。額定電壓為12 kV，額定電流為1 000 A，額定工作頻率為50 Hz，能夠實現最大25 kA、63 kA 短路電流的開斷、關合。額定開斷次數大于1 000 次，適用于需要頻繁操作的配電系統，現場安裝簡單、便于運行維護[15-16]。

圖1 智能一二次融合柱上開關結構

表1 主要技術參數

2 可靠性影響因素分析

智能一二次融合柱上開關通常安裝在戶外配電網線路，影響其可靠運行的主要有溫度變化以及電磁干擾等因素。

2.1 溫度變化對可靠性的影響分析

一二次融合柱上開關中信號采集單元的內部結構，如圖2 所示。由于半導體元器件對溫度較為敏感，溫度的升高將會影響開關的散熱效果，引起元器件的零點漂移和非線性變化，從而降低信號采樣單元的工作準確度，嚴重時甚至可能造成元器件擊穿、內部短路等不可逆的故障，對開關工作的可靠性造成極大威脅。

圖2 二次設備信號采集單元內部結構溫度變化對電阻值的影響關系如下：

式中，T為溫度，R0和RT分別為室溫（25 ℃）和溫度T時的電阻值；α為電阻的溫度系數，可以由電阻的溫度特性曲線斜率獲得。

若室溫條件下，精密測量電阻兩端的輸入電壓為ut=IsR0，則當外界實際溫度為T時，精密測量電阻的輸出信號的相對誤差為：

因此，當外界實際溫度為T時，精密測量電阻的輸出電壓為：

由上式可知，二次設備測量電阻獲取的電壓值與溫度變化的相對誤差、電阻的溫度特性系數以及溫度變換值有關。當二次設備工作環境溫度波動范圍較大的情況下，為提高測量的準確性和可靠性，應優先選取溫度特性系數小的電阻作為測量電阻。

而對于信號調制電路而言，其還存在濾波電路，結構如圖3 所示。

圖3 濾波電路結構

濾波電路輸出信號為：

式中，G為濾波電路的傳輸函數，隨溫度變化而變化，其溫度系數為：

由上式可知，溫度變化對濾波環節的影響極小。同理，對于如圖4的運放電路，輸出電壓與輸入電壓的關系為：

圖4 運放電路結構

當溫度的變化量為ΔT時，運放增益G的變化量為：

式中，β為運放溫度特性系數，ΔG′和ΔG″分別為溫度變化時運放溫度特性和電阻溫度特性引起的增益變化量。

由式（8）～（10）可知，運放電路的增益隨著溫度的升高而增加。當溫度升高至一定程度時，可能引起一二次柱上融合開關的拒動或誤動，嚴重影響配電網運行的可靠性。

2.2 電磁干擾對可靠性的影響分析

一二次融合柱上開關所受到的電磁干擾主要有兩個來源，一是設備自身運行過程中產生的諧波、電壓閃變等對二次設備造成的干擾；二是來自現場運行環境的干擾，例如雷擊、操作過電壓、接地故障等等。在實際調研中發現，后者的影響尤為嚴重。上述因素引起的高頻暫態電壓干擾傳播的等效電路如圖5 所示。

圖5 高頻暫態電壓傳播等效電路

互感器二次側輸出電壓為：

式中，UB為侵入母線的暫態電壓；CT為互感器套管電容；C1N和C2N分別為互感器一次側、二次側寄生電容；Z0為二次回路線路阻抗；ZL為二次回路采樣電阻阻抗；LG和ZG分別為引線電感和接地阻抗。

由以上分析可知，電磁干擾主要通過線路傳播影響二次設備。對于一二次融合柱上開關而言，其屬于工作在現場環境且融合在整體裝置中的二次設備，受電磁干擾的影響將更加嚴重。

3 提升可靠性的關鍵改進措施

3.1 選用溫度系數小的電阻

由式（3）～（10）可知，溫度變化主要通過電阻的溫度特性來影響二次設備測量的準確度。針對溫度變化的影響，可選用溫度特性系數較小的采樣電阻、運放電路電阻等，來降低溫度變化對二次設備測量準確度的影響，進而提升一二次融合柱上開關運行的可靠性。

3.2 為電流互感器增加濾波器

由式（11）～（13）可知，電磁干擾主要通過線路傳播影響二次設備，但是二次設備的輸入信號又主要由互感器通過線路提供。因此在互感器安裝濾波器，能夠過濾高頻電磁干擾。文中所設計的濾波器結構，如圖6 所示。該濾波器側與電流互感器輸出端相連接，右側與輸入端相連接。

圖6 濾波器結構

對于圖中的濾波器，其幅頻特性為：

對于低頻信號，即當w2LC=1 時：

對于高頻信號，即當w2LC?1 時：

由式（15）和（16）可知，該濾波器允許低頻信號通過，但對于高頻信號具有較大的抑制作用。其能有效減少雷電等高頻沖擊干擾對二次設備的影響，提高一二次融合柱上開關的可靠性。

4 算例分析

文中構建了實驗仿真環境，分析研究溫度變化和電磁干擾對智能一二次融合柱上開關可靠性的影響，驗證所提改進措施的有效性。

4.1 溫度變化

針對溫度變化對可靠性的影響，文中采用溫度系數較小的采樣電阻的改進方法，改進前后的互感器比值誤差和相角誤差變化，如表2 所示。由表2 可知，改進前互感器準確度在溫度變化影響下，比值誤差變化最大為1.22%，不滿足1 級準確度的要求。而采用文中所提出的改進方法后，比值誤差和相角誤差變化降低，能夠滿足準確度要求。

表2 改進前后的誤差變化

4.2 電磁干擾

1）電磁干擾的影響分析。在雷擊電磁干擾下，智能一二次融合柱上開關的電壓互感器二次側輸出波形如圖7 所示。正常情況下應當是峰值為150 V的正弦波，在雷擊電磁干擾下發生了明顯的畸變，最大峰值可達1.25 kV，嚴重影響了測量的準確性，且容易造成器件擊穿故障。

圖7 雷擊干擾下的電壓波形

2）改進效果。針對電磁干擾對智能一二次融合柱上開關的影響，通過在互感器輸入、輸出端增加濾波器的改進方式提升其可靠性。采用文中方法前后的互感器誤差變化，如表3所示。由表3可知，改進后開關互感器測量的比值誤差和相角誤差均有所減小。

表3 接入濾波器前后的誤差變化

5 結束語

文中開展了智能一二次融合柱上開關高可靠性關鍵技術研究，分析了溫度變化電磁干擾因素對智能一二次融合柱上開關的影響，并提出了提升智能一二次融合柱上開關可靠性的改進措施。通過仿真實驗結果表明，文中所提出的提升措施能夠降低互感器測量誤差，提升智能一二次融合柱上開關準確度，保障其穩定、可靠地運行。但文中未考慮天氣、太陽輻射等環境因素對智能一二次融合柱上開關準確度和可靠性的影響，這將在下一步研究中開展。