淺談提高農網用智能綜合配電箱可靠性的方法

蔣后仲，熊從容

(1.浙江誠通電力科技有限公司，浙江 樂清 325603；2.亮兮柯電氣(嘉興)有限公司，浙江 嘉興 314031)

隨著國家產業升級，實現數據工廠、智能制造、5G、人工智能的大力發展，各行各業對配電電器提出了新的要求，要求智能化、可通信，且具備很多的監測功能，國家電網構建了泛在電力物聯網平臺，對低壓綜合配電箱提出了物聯網化、一二次融合等智能化的需求，同時對配電箱內的元器件也同樣提出了類似的需求，特別是對配電斷路器提出了很高的智能化需求，而新的智能化產品對使用環境的適應性成了新的課題需要解決。

1 目前方案存在的問題

目前在農網中使用的普遍供電設計線路是桿式配電變，即高壓10 kV的變壓器和低壓綜合配電箱統一架設在電線桿上，變壓器在配電箱的上方，低壓配電箱采取一進兩出的線路設置，配電設計采取TT系統，三相四線電源中性點直接接地，如圖1所示。

圖1 臺區配電圖

在以上設計的桿式配變電中存在的致命問題就是，高低壓同桿的絕緣距離不夠、共同接地的可靠性不高等原因造成的感應過電壓對配電箱內低壓元器件，特別是主回路上的斷路器的損壞，會更進一步的影響低壓配電箱的供電可靠性，同時智能斷路器本身的抗干擾能力較差，無法消化外部感應過電壓帶來的影響造成了自身的損壞，從而影響到低壓配電箱的可靠性，當以前使用純機械式的熱電磁式斷路器作為保護開關的時候這個問題還不明顯，而現在低壓智能斷路器作為多功能產品不但承載了傳統的過載、短路保護功能，而現在更是增加了剩余電流保護、過載短延時、過欠壓、斷相缺零等保護功能，還有載波藍牙無線通信，自動重合閘遠程控制、溫濕度監測、三相不平衡、電路拓撲分析、電能計量等物聯網化的功能，并且使用量非常大，低壓配電箱的進線設計一般采用三段保護的智能塑殼斷路器，出線采取帶有自動重合閘功能的智能漏電斷路器。這些斷路器無一例外其動作特性都是受自帶的電子智能脫扣器控制，智能電子脫扣器的輔助電源都取自于主回路供電，在這種工作環境下產生的過電壓會對智能脫扣器造成威脅，如果智能控制器受到了損壞，則低壓配電箱將無法正常工作，所以，提高低壓配電箱可靠性的課題可以重點簡化為提高智能斷路器的工作可靠性問題。

2 提高低壓智能配電箱可靠性的辦法

2.1 適當加大變壓器和配電箱的垂直距離

農網用得較多的戶外桿式配電變10 kV線路與400 V共存時，兩者絕緣距離一定要足夠，變壓器低壓側空載送電，線路會產生過電壓高達2～3倍，送電瞬間變壓器與低壓柜靠得太近時，感應電壓的傳遞就會燒毀斷路器的智能控制器。若線路上帶有負荷時，就很少發生這種情況。根據實際經驗，電力安裝要確保高壓回路與低壓回路安全距離達1.5 m以上。

2.2 加強聯合接地的可靠性

聯合接地電阻過大不可靠，導致電網感應電壓及過電壓釋放不掉，使低壓元件長期受感應電壓影響導致絕緣下降，根據實際經驗，電力安裝需要考慮季節干濕的影響，土壤導電率的影響，打樁深度的影響(一般要求60 cm～80 cm)，接地材料的影響(鍍鎳)，最終聯合接地電阻應小于1 Ω。

2.3 提高智能斷路器吸收感應過電壓的能力

這類剩余電流動作斷路器廣泛用在工作電壓400 V，交流50 Hz，額定電流800 A及以下的電源中性點直接接地的供電系統中，具備剩余電流重合閘及多種監測與保護功能，農村配網中應用廣泛。這種類型的剩余電流動作斷路器的N相電上不設置有分斷單元，即無論剩余電流動作斷路器合閘還是分閘，其N相始終保持導通。如圖1所示，目前配電設計大量采用低壓220 V電網與高壓10 kV電網平行走線，10 kV高壓經過變壓器后進入低壓配電箱，低壓配電箱采取一進兩出的設計布局，出線開關大量采用這類型的剩余電流動作斷路器，避雷器下端與變壓器外殼、低壓配電箱外殼及N線連為一體接地。在這種配電設計布局中，在雷云及通電瞬間，10 kV 高壓通過避雷器(即氧化鋅壓敏電阻)對地線(即 PE/N 線)有高壓泄漏電流產生，當接地線在地面埋入層較淺或異常干燥時，高壓泄漏電流不能快速對地釋放，會通過N線與變壓器A/B/C構成回路(可理解為剩余電流動作斷路器的控制器被串聯在高壓回路之間)。由于剩余電流動作斷路器N線是直通的且不能被開關切斷，N線又是與PE線連為一體，同時 PCB板上參考地也是與N線連接在一起的，這樣使控制器串聯在高壓之間具備回路條件，這種高壓會造成斷路器控制器的損壞。此外，220 V電網與10 kV電網平行走線，當高低壓線間距偏小時，感應電壓在距離較近時，會存在電容耦合效應，即感應電壓問題，此感應電壓也可能造成控制器的損壞、誤動作或人觸電危險，剩余電流動作斷路器上端和外界環境所產生的感應靜電，沿斷路器控制器采樣線N相線流入控制器端，并在控制器端進行累積，擊穿和燒壞控制器電子元件，當剩余電流動作斷路器合閘送電的時候，由于剩余電流動作斷路器控制器此前已經受損，在送電瞬間即可能引起斷路器起火或失效等非正常現象。

有鑒于此，可以創新性地給剩余電流動作斷路器增加靜電吸收裝置，該裝置可以保護控制器不受高壓泄漏電流的影響，同時也可對斷路器上端的靜電完全進行吸收、釋放和轉移，從根本上解決了感應靜電通過零線在控制器進行端的累積，延長了產品的使用壽命，保護了其所在線路不被燒毀。靜電吸收模塊的電路原理圖見圖2，電氣原理圖見圖3。

圖2 靜電吸收模塊的電路原理

這種帶靜電吸收型剩余電流動作斷路器，包括底座、連接在底座上的上蓋、位于上蓋內的主控制器，所述底座內設置有分斷功能的A相分斷單元、B相分斷單元、C相分斷單元和始終保持導通的N相接線單元，所述A相分斷單元、B相分斷單元、C相分斷單元均包括出線端子，其特征在于：所述底座內還設置有靜電吸收模塊，所述靜電吸收模塊分別與A相分斷單元的出線端子、B相分斷單元的出線端子、C相分斷單元的出線端子及N相接線單元相連接。其中A相靜電吸收電路、B相靜電吸收電路、C相靜電吸收電路均包括相互并聯的碳膜電阻和壓敏電阻。其內部設置結構所帶來的技術效果如下幾點：①當雷云或通電瞬間，10 kV高壓通過避雷器對地線(即 PE/N 線)有高壓泄漏電流產生，若高壓泄漏電流不能快速對地釋放，會通過N線與變壓器A/B/C構成回路，此時高壓泄漏電流會被靜電吸收模塊轉移，使斷路器的主控制器不會受影響，提高剩余電流動作斷路器的使用可靠性；②當斷路器斷開后且高低壓線間距偏小時，感應電壓在距離較近時，會存在電容耦合效應，即感應電壓問題，剩余電流動作斷路器上端和外界環境所產生的感應靜電，靜電吸收模塊對斷路器上端的靜電進行吸收、釋放和轉移，不會再主控制器端進行累積，從根本上解決了感應靜電通過零線在控制器進行端的累積，延長了產品的使用壽命，保護了線路不被燒毀；③靜電吸收模塊由三組相互并聯的碳膜電阻和壓敏電阻的靜電吸收電路組成，模塊元器件構成簡單、所需成本低；④靜電吸收腔室的位置處于N相接線單元的位置上，由于N相接線單元上沒有分斷功能的機構，直接采用銅導線連接，使銅導線可繞過靜電吸收腔室來走線，便于產品的裝配，同時靜電吸收腔室也可保證靜電吸收模塊工作的穩定性。

3 結束語

通過以上的解決辦法，從低壓綜合配電箱發生故障的源頭著手：①想辦法降低外部因素產生感應過電壓的能力；②從配電箱內部提高主要元器件抗感應過電壓的能力，從而大大地提高了綜合配電箱的工作可靠性，降低故障發生的可能。