高压开关柜设计

高压开关柜设计（共12篇）

高压开关柜设计 篇1

1 高压开关柜的结构设计

高压开关柜主要采用组装式结构, 柜体内一般设断路器隔间、母线隔间、电缆隔间、仪表隔间以及小母线隔间共5个隔间, 每个隔间既相互独立又有密切的联系[1]。

1.1 电气元件的安装要求

电气元件的安装要同时兼顾安装的结构强度和其所能承受的动、热稳定值, 此外还要满足工频耐压以及绝缘距离的要求, 见表1所示。

1.2 连锁装置设计

高压开关柜的联锁装置设计是对设备以及操作人员安全的保障, 因此必须实现表2所示的五防连锁功能。

2 开关柜一次部分的设计

2.1 开关柜主母线及分支母线

进行开关柜主母线的设计时, 最为关键的控制条件就是主母线的额定电流。在设计院所提供的设计图纸中有两种情况, 一种情况是给出主母线额定电流的值, 另一种情况是直接将主母线的规格给出来。此外, 在同业主所签订的技术协议中也会对主母线额定电流的值或主母线规格进行相应的约定。无论是以何种方式对主母线的设计提出要求, 在主母线设计过程中都要认真对主母线额定电流的值或主母线规格进行细致的校核, 并注意留有一定的裕度。

馈线柜分支母线的设计除了要考虑断路器的额定电流外, 同时还要考虑电流互感器的变比。而进线柜、联络柜以及分段柜分支母线在设计时一般都取与主母线相一致的规格, 在情况特殊时能够对其规格进行相应改变, 但同样要满足额定电流的要求。

2.2 高压真空断路器

断路器本质上是一个开关器件。在正常工作情况下, 高压开关柜的断路器负责接通以及断开电气回路中的负荷电流;而在故障条件下, 断路器则要与继保装置相配合, 做到可靠迅速的切断故障电流, 避免事故扩大, 有效保证电力系统的安全。断路器具有“防跳”功能, 其是通过将防跳继电器加入断路器控制回路中实现的。

2.3 电流互感器及电压互感器

高压开关柜中的电流互感器二次绕组必须有一点接地, 这样在一、二次绕组间绝缘破坏被击穿时, 可以将高压引入大地, 保持二次绕组处于低电位, 确保二次设备及操作人员的安全。此外, 电流互感器的二次绕组不允许开路, 如果运行过程中电流互感器的二次绕组处于开路状态, 但一次电流却保持不变, 就会全部变成励磁电流, 导致电流互感器的铁芯马上饱和, 其二次侧将有数千伏的高压产生, 造成铁芯严重发热, 严重时会造成铁芯烧毁。电流互感器具有支柱式、母线式、贯穿式等多种形式, 要根据母线的连接形式以及电气元件的布置情况进行选择。

2.4 零序电流互感器

在正常工作状态下, 零序互感器中流过的三相电流相量之和等于零, 二次绕组将不会有感应电流产生。而当被保护线路出现单相接地故障时, 三相电流的相量之和将不再等于零, 而是等于三倍的零序电流, 从而在零序互感器的二次绕组中产生感应电流, 使继保装置动作。要注意的是选用的一次电缆必须能够穿过零序电流互感器, 而如果有多根电缆, 则必须按照零序电流互感器的孔径大小对其进行控制。

3 开关柜二次部分的设计

3.1 仪表隔间的面板设计

3.1.1 高压开关柜仪表隔间面板设计

的原则是:方便观察、监视、调试与操作, 保证安全可靠运行, 外观美观而整齐。而面板上设备与设备的间距要满足安装和接线的要求, 应在满足试验、运行、监视以及检修便利的前提下, 将其设计得尽量紧凑。

3.1.2 在设计面板开孔位置时, 还要

考虑到面板上所布置的元件是否会碰撞到内部的端子排或其他元件, 要进行相应的干涉检查。

3.1.3 在布置面板上的元件时, 面板

的上部一般是用来布置测量仪表和较少调节与检查工作的元件, 而把调试工作量较大的元件集中布置在面板的中部。为了整齐、美观, 每个间隔的面板布置要尽可能保持一致。

3.2 二次端子排的设计

要按照电流回路→电压回路→控制回路→信号回路→辅助回路→照明回路的排列顺序来布置二次端子排。端子排上接线的设计依据则是设计院所提供的二次原理图以及高压开关柜中各种元件的布置, 除了满足柜内各种元件的需求外, 还要根据二次原理图预留好外引接线的端子。

3.3 控制回路的设计

高压开关柜一般有储能回路、合闸回路以及跳闸回路等三个控制回路, 而其余的回路则都是围绕这三个回路进行展开的。其中, 储能回路主要用于满足断路器合闸时所需的能量;合闸回路既可以用手动合闸, 也可以用电动合闸;跳闸回路同样可以手动分闸, 也可以电动分闸。此外还有在断路器故障状态下防止其再次合闸的防跳回路, 可以采用综合保护装置的防跳、采用断路器的防跳以及采用防跳继电器等三种方式中的一种来实现防跳。

结语

安全问题是电力生产的重中之重, 而保证安全的关键就在于预防。高压开关柜作为电力系统中极其重要的成套设备, 其能否安全、可靠、经济和高效运行将会对配电网的供电可靠性造成最为直接的影响。因此, 在高压开关柜的设计过程中, 必须总结经验, 依靠科学的设计手段, 重视开关柜结构设计以及各电气元件的选型, 特别要注意元件载流量以及绝缘距离的校核, 只有这样才能设计制造出优质的高压开关柜产品。

参考文献

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[2]李小松.浅谈10kV高压开关柜设计的几点体会[J].电气开关, 2003, 5:11-13.

[3]李萍.KYN28高压开关柜设计问题探讨[J].电气制造, 2010, 8:31-33.

[4]朱国谦.浅谈高压开关柜的设计[J].电气传动自动化, 2009, 5:31-34.

高压开关柜设计 篇2

一、概述

本期进行凉州公司光伏电站一二期高压开关柜预防性试验，试验项目包括开关特性试验、回路电阻测试、绝缘电阻测试、介质损耗测试。试验要求在光伏电站无负荷送出时隔离高压开关柜进行，试验数据要清楚、准确记录，并与安装调试时的交接试验进行对比进行数据分析，试验数据与分析情况、实验报告存档。并做好安全措施及技术措施，保证试验的安全、可靠与正确。

二、安全措施

1、安全目标

（1）在试验工作中不发生触电、高空坠落等人身伤亡事故。（2）不发生因试验工作失误造成电网运行事故和设备损坏事故。（3）在工作中控制未遂事故和异常现象，不发生轻伤事故和障碍。

（4）试验完成后不给设备留下隐患。

2、安全责任

（1）工作负责人对现场工作安全负主要责任，负责检查现场工作的安全技术措施是否落实，负责对现场工作人员进行安全教育，对发现的不安全因素及时纠正，必要时向有关部门或上级部门汇报。

（2）各试验人员应服从工作负责人的安排，严格遵守《电业安全工作规程》规定，确保试验工作的安全。

3、安全措施和反事故措施（1）必须严格执行DL409-1991《国家电网公司电力安全工作规程》及公司相关安全规定。

（2）试验要求有相关电气设备预防性试验作业指导书。（3）试验人员进行试验前培训，保证安全、可靠进行准确的试验。

（4）试验作业有专门负责人负责试验作业的安全措施与技术措施。且负责测试方案的制定及现场工作协调联络和监督。

（5）严格执行《电业安全工作规程》，坚持两票制度，做好设备停电的安全技术措施。

（6）试验前由试验负责人召集全体试验人员，说明本次试验工作的内容和被试设备名称，交待停电范围和安全注意事项，并作书面记录。

（7）试验现场应装设围栏和安全警示，必要时派专人监护。（8）在现场不完全停电的条件下试验时，做好防感应电击伤的措施，如戴绝缘手套、穿绝缘鞋、在停电设备上挂临时接地线等。

（9）进入工作现场应戴安全帽，高空作业应使用安全带，严禁高空抛掷工具。

（10）试验设备外壳应良好接地。接地线应使用有足够电气强度和机械强度的裸铜软线。在拆除电源线前，严禁断开接地线。

（11）试验人员应熟悉所使用设备和仪器的性能和操作方法，严禁违章操作。

（12）在现场试验工作中需要拆开一、二次接线时，拆前应做好标记。试验结束后及时恢复接线。特别要注意互感器二次回路是否与运行中的二次回路有连接，避免造成保护误动等事故。

（13）在不拆开设备连线进行试验时，应防止试验电压经过设备连线引到其它设备上，造成其它人员触电。升压前应检查同一连线上的非被试设备上是否有人工作，并有人进行监护。

（14）实行互检制度。即两人做试验，由一个人接线后，另一个人要进行检查确认无误。

（15）试验工作中途停止且工作人员离开现场时，在离开前应断开试验电源，防止他人合闸时试验设备带电。

（16）坚持工作移交、终结、和汇报制度。每次试验完成后，由工作负责人召集所有试验人员汇报试验中发现的问题，并提交书面报告。

（17）对试验设备、安全工、器具定期检查。对损坏、失效的设备和工具及时修理和更换。

（18）对安全事故坚持“四不放过”的原则（即事故原因不清楚不放过、事故责任人没有受到严肃处罚不放过、整改措施不落实不放过、有关责任人和群众没有受到教育不放过）。对事故原因要调查清楚，吸取教训，制定相应的防范措施。

二、技术措施

1、试验接线

（1）现场接线需要拆开被试设备的连线时，拆前要做好标记，试验完成后要及时恢复。（2）在现场接电源线时，应在检修电源箱上接线，并采取必要的措施防止电源短路。

（3）试验电路接好后，工作负责人应认真检查和核对，对涉及设备安全的接线，如PT（电磁式电压互感器）、CVT(电容型电压互感器)、CT（电流互感器）二次侧接线，尤应慎重。

2、试验过程控制

（1）试验过程中，如发现问题，应提出相应的处理措施。（2）如果由于试验设备自身问题，导致试验结果出错，在排除试验设备的问题后，重新试验。

（3）如果试验数据不合格或异常，应采取更改试验接线、更换试验仪器等方法进行复测和确认。

（4）如在试验过程中，被试设备出现异常，应立即暂停试验。待待查明原因后，方可重新开始试验。

3、数据记录

（1）应采用统一规定的记录本，按照规定的格式进行记录。（2）试验记录应包含以下内容。

a）电站（变电站）名称；

b）被试设备的名称、编号和型号；

c）试验人员名单；

d）试验日期；

e）试验时的环境温度、相对湿度、气象条件；

f）某些设备需要记录设备本体温度（如变压器）；

g）试验仪器、设备的名称、型号和唯一性编号；

h）试验项目名称、试验接线和方法；

i）试验数据；

j）初步分析结果。

（3）试验记录不得随意涂改，数据记录有错误时应采取杠改的形式，并在旁边写上正确的数据。

（4）记录本应妥善保管，随时备查。3.9 试验报告

3.9.1 试验完成后，工作负责人应及时提交试验报告。3.9.2 试验报告除了包括3.8.2条的全部内容，还应有试验依据和明确的试验结论。对不合格的数据应有说明，对有疑点的数据或需要复测的数据，应有明确的说明和处理意见。

高压开关柜设计 篇3

关键词：6～10 kV配电系统；高压开关柜；运转车结构；改进对策

中图分类号：TM591 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0023-02

随着我国电力系统的不断发展，6～10 kV配电系统高压开关柜的需求越来越高，对其结构进行改进成为当务之急。高压开关在电力系统的运行中起着通断、控制和保护的作用，主要有高压负荷开关、高压断路器、接地开关等种类，不同的开关柜有不同的功能，所以，有关技术人员需要根据相关的国家标准对高压开关柜进行结构设计。

1 目前主流运转车的结构特点及性能

1.1 主要结构

目前，我国的6～10 kV配电系统高压开关柜主要有螺旋式结构和挂钩式结构两种， 6～10 kV配电系统高压开关柜的组成，见表1。螺旋式中置柜运转车的运作原理：使用螺杆将运转车与柜体连接，运用螺杆传动将断路器手车推进与拉出，用螺杆装置来实现断路器手车的升降。挂钩式中置柜运转车的运行原理：运用挂钩和导向杆将运转车与柜体的连接起来，运用调节手轮将运转车和柜体导轨面相接调节为同一水平，然后，技术人员将断路器手车推进开关柜中，继而实现断路器在开关柜试验位置或工作位置的就位的进出。6～10 kV配电系统高压开关柜的结构，如图1所示。

1.2 优点与缺点

经过实践证明，螺旋式运转车的功能比挂钩式运转车更强，但是由于螺旋式运转车的结构复杂、成本较高和维修成本较高等特点，目前我国生产厂家主要选择挂钩式运转车。挂钩式运转车具有结构简单、价格便宜和易于维修等特点，被大多数厂家所使用，但是由于挂钩式运转车的也有缺陷（看下面结构分析），难免会增加维修成本和对断路器造成损伤从而减少其使用寿命，因此对挂钩式运转车进行结构设计改进是非常可行必要的。

2 常规挂钩式运转车的结构分析

2.1 挂钩式运转车的常规结构

挂钩式运转车被大多数的国内生产厂家所选择，本文主要针对由铝锌板加工成的中置柜，可安装真空断路器手车，该运转车存在很多缺点是：

首先，这种挂钩式运转车的导向杆没有起到纵向受力作用，这样运转车和开关柜之间的连接不稳定；

接着，为了使挂钩能顺利的与柜体相接，在设计上保留力一定缝隙，因此在实际运作中，运转车导轨与开关柜导轨之间存在较大缝隙，给高压开关柜和将要推进的断路器车造成机械性冲击威胁；

最后，开关柜经过长时间的使用后，柜体与挂钩相连的构件会因撞击和磨损的作用下变形，这种变形会使导轨之间的空隙越来越大，影响了开关柜的安全使用和减少了开关柜的使用寿命。

2.2 运转车在实际使用中的效果

经过多年的科学考察发现，运转车对高压开关柜和断路器手车的影响颇大，尤其在表现在操作性和使用安全性等方面：高压开关柜：

运转车与柜体有间隙的结构，断路器手车推进拉出时越过间隙的冲击直接决定开关柜的使用安全和寿命，操作更无捷性可言。

在断路器使用方面：在实际使用过程中，有两成的断路器手车的存在不同程度的车轮变形，这是由于高压开关柜在正常推进拉出中会对车轮进行撞击，使车轮变形，对断路器手车使用次数越多，变形越明显，严重增加了维修成本，减少了断路器手车的使用寿命。

3 6～10 kV配电系统高压开关柜结构的改进对策

随着高压开关柜的使用的推广，对其结构进行设计改进变得非常重要。针对6～10 kV配电系统高压开关柜存在的问题，本文提出了下列几个改进对策：

①保证运转车导轨与开关柜导轨可靠相连，消除之间的空隙，这样可以有效的减小导轨之间的撞击力，保证了运转车的安全运行。

②安装一个凸轮装置，利用摩擦自锁原理将运转车锁定。其运行原理为：在锁定装置触发之前，使用弹簧将挂钩与开关柜的隔开一定间隙，这样可以方便挂钩顺利的与开关柜相连。利用凸轮机构逆时针旋转，使运转车继续向前紧贴柜体并锁紧，这就形成运转车与柜体之间的连锁纵向力，极大地消除运转车与柜体之间的间隙，这时断路器进行推拉进出，因越过间隙带来的冲击将大大减少，提高了开关柜的可操作性与安全性及便捷性。另外，将挂钩转轴出增加腰形孔，减少转轴因外力作用而变形的可能性。

③增加调整垫，减小挂钩与凸轮之间的间隙。由于摩擦作用，开关柜经过长时间的使用，其挂钩与凸轮之间的间隙会增大，从未降低了锁定作用，针对上述问题，在高压开关柜设计时，增加调整垫。可以有效的减小挂钩与凸轮之间的间隙，保证了高压开关柜的安全使用。

④设计合理的安全净距。高压开关柜结构设计中涉及到裸露的电子元件，技术人员应在电子元件之间设置合理的安全净距，防止电力系统中短路现象的发生，保障电力系统的正常运行。另外，设计人员应根据相关技术标准规定，对于海拔1 000 m以上的高压开关柜，电子元件的安全净距应保证在125 mm以上，如果配电室的空间有限，可以考虑将高压开关柜的尺寸进行适当的缩小，保证各电子元件之间的绝缘性，技术人员还应该定时对高压开关柜进行检查，保证高压开关柜的正常使用。

⑤运用五防连锁装置。五防连锁装置主要有机械连锁和机械程序连锁方式，由防止断路器失效、防止人员误入带电隔离室、防止操合开关直接接地、防止有临时接地线等方面组成。机械连锁模式是按照相应的操作流程来实现高压开关柜的正常工作，具有可靠和稳定的特点。机械程序模式的结构形式简单，但容易出现人员操作失误的情况，因此，设计人员应根据6～ 10 kV配电系统高压开关柜的实际需求，选择合理的五防连锁装置，对其结构进行优化设计。

4 结 语

本文明确的提出了目前我国6～10 kV配电系统高压开关柜存在的问题，并对其结构进行设计改进，经实践证明，这些改进可以提高高压开关柜的可操作性和安全性，在断路器手车的保护等方面，较原开关柜有很大的改善。另外，由于改造前后没有增加太多零件，没有在成本方面各生产厂家造成额外的压力，这些改进很多生产厂家所采用。

保护电力系统的安全是重中之重，工作人员应对电力系统安全进行有效的防范，6～ 10 kV配电系统高压开关柜是维护电力系统安全的重要设备，对其进行结构设计改进是当务之急，只有质量过关的开关柜才能更好的保障电力系统的安全。

参考文献：

[1] 刘小刚，潘寅.论6～10 kV配电系统高压开关柜的结构设计[J].企业科 技与发展，2011，（1）.

[2] 黄晓波.浅谈10 kV高压开关柜结构设计问题探究[J].科技创新导报，

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[3] 梁汉泉，曾永浩，周永耀.浅谈智能化开关柜的应用与发展[J].中国科技 投资，2012，（27）.

[4] 全光荣.基于高压开关柜常见故障和改进对策的分析[J].通讯世界，

浅谈高压开关柜的设计 篇4

系统正常运行需要安全、经济、可靠的保障,随着技术的进步和对供用电质量要求的日益提高,开关柜技术的使用范围在扩大,品种在不断增多,自动化、智能化的程度愈来愈高,所以开关柜设计的系统化、智能化、模块化,会对开关柜的发展起到一定的推动作用。

2 系统概述

2.1 电力系统

电力系统是由发电厂、变电站、输配电线路及用户,在电气上相互连接而成的整体。一般把输配电线路以及由它所联系起来的各类变电站称为电力网络。电力系统的结线方式与电力系统运行的基本要求以及负荷的性质有关,主要有以下几个方面:满足系统可靠性运行要求、能够适应各种可能的运行方式、力求节约,使电网的建设和运行都比较经济。

2.2 电力系统结线方式

电力系统结线方式有以下几种:①单电源方式,如图1所示一段母线只有一个电源进线,如果电源侧出现故障,系统不能及时恢复供电,对于该系统而言,一方面要求电源进线有很高的可靠性,另一方面,该系统属于不是很重要的系统,即使电源侧出现故障,也不会对负载侧造成多大损失;②双电源方式1,一段母线有两个电源进线、一个工作电源、一个备用电源,两电源之间通过电气闭锁,可实现自动和手动投切,如果工作电源出现故障,备用电源会马上投入,可实现连续供电。③双电源方式2,两段母线各有一个电源进线,两段母线之间的连接以分段、联络柜来实现,进线、分段之间可通过电气闭锁,通过“三取二”供电方式,即三个间隔中只能有两个间隔同时投入,如图2所示;④旁路母线方式,一台负载由一个出线送电,如果该出线发生故障,则通过“倒旁”,利用旁路母线的出线给该负载送电,以提高运行的可靠性。(5)双母线方式,双母线方式类似于旁路母线方式,都是给同一个负载送电,不同的是主母线和备用母线都有各自的电源进线。

3 开关柜结构

结构方面,现在的开关柜大多为组装式结构,如图3所示。组装式更容易实现结构、方案的变化,只要更换很少的几个零部件,就是一个不同的方案,35k V以下的开关柜一般有5个小室,即断路器室、母线室、电缆室、仪表室、小母线室,各个小室之间既相互独立又紧密联系。一次元件在结构中的布置,既要安全合理,又要讲求经济效益。

3.1 一次方案在结构上的实现

一次方案在结构上是否能实现,做工程设计时,首先要考虑一次元件在结构中的布置与安装,这里主要包括断路器、电流互感器、电压互感器、零序互感器、接地开关、避雷器、熔断器、电容器、变压器、接触器等,既要考虑一次元件安装时的结构强度,又要考虑其所能承受的动、热稳定值,同时满足绝缘距离及工频耐压的要求,如6k V开关柜的空气绝缘距离是100mm、工频耐压为32k V,10k V开关柜的空气绝缘距离是125mm、工频耐压为42k V,35k V开关柜的空气绝缘距离是300mm、工频耐压为95k V。

3.2 开关柜的结构布置

下面介绍开关柜的5个小室。

断路器室,在断路器室内,断路器的安装有固定式和手车式,固定式安装是将柜内分支母线直接固定在断路器的上、下出线座上,手车式安装是通过一次隔离插头将手车与柜内母线连接起来,手车与开关柜有三个位置,即试验位置、运行位置、移开位置。

母线室,母线室是许多间隔的主母线需要贯通的小室,母线的大小和支撑强度须满足母线动、热稳定值的要求。

小母线室,小母线室内安装有控制、合闸、电压、低电压、照明等小母线,一般也是贯穿于整列开关柜的。

电缆室,电缆室内一般有电流互感器、零序互感器、接地开关、避雷器,有时也有电压互感器、熔断器、变压器等。

仪表室,仪表室内全都是二次元件,通过二次线将所有元件联系起来,来实现开关柜的控制、保护、计量、测量、信号的传输等功能。

3.3 开关柜的连锁装置

开关柜的连锁装置直接关系到设备和在场人员的安全,开关柜的“五防”技术,使产品的安全可靠性大大迈进了一步,①防止误分、误合断路器;②防止带负荷分、合隔离开关或带负荷推入、拉出金属封闭式开关柜的手车隔离插头;③防止带电挂接地线或合接点开关;④防止带接地线或接点开关合断路器;⑤防止误入带电间隔。防止误分、误合断路器主要是防止操作人员认错柜号,除这一条可采用提示性的措施外,其余四防均采用强制性闭锁。

4 一次元器件

4.1 开关柜主母线

主母线规格的选择必须满足母线额定电流的要求,在设计院提供的一次接线图中,有时直接给出了主母线规格,有时给出了母线所要满足的额定电流值,在与用户签定的技术协议中也会体现主母线规格或母线所要满足的额定电流值,不管主母线规格以何种方式体现,都要认真复核母线规格与所要求的额定电流值相吻合,并且留有一定的余量。

4.2 开关柜分支母线

馈线柜分支母线的选择除与断路器的额定电流有关外,同时与本柜电流互感器的变比有关,而进线柜、分段柜、联络柜分支母线的选择,一般情况下都要求与主母线规格相一致,特殊情况下可改变其母线规格,但必须满足本柜额定电流的要求,如主母线规格为TMY-8×100,而断路器的触头盒的接口尺寸只有14×85时,该进线柜的分支母线只能选用TMY-(6×80)×2的规格。

4.3 中压开关柜

户内高压开关柜是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用,电压等级在3.6k V~35k V的电器产品,主要包括高压断路器、高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关、高压自动重合与分段器、电流互感器、电压互感器。高压开关柜的运行必须安全,满足“五防”闭锁要求。

柜体排列的平面布置图中,要注意排列顺序、进线的相序,以及柜体外形尺寸的要求,如:KYN28A-12的柜体外形尺寸(宽×深×高)为800×1500×2365以及1000×1500×2365两种,而KYN28A-12的F-C组合电器柜为650×1500×2365,如果有母线桥的话,是跨桥还是进线桥,以及进线桥的相序是正相序还是反相序。开关柜的一次方案在结构上是否能实现,开关柜的额定电流,35k V及以下开关柜的额定电流有630A、800A、1000A、1250A、1600A、2000A、2500A、3150A、4000A、6300A。开关柜的额定电压有7.2k V、12k V、15k V、24k V、40.5k V。

4.4 高压真空断路器

真空断路器是正常情况下接通和断开高压电路中的空载及负荷电流,在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相配合,迅速切断故障电流,防止事故扩大,从而保证系统安全运行。断路器的二次回路中加入防跳继电器,使其具有“防跳”功能,现在的大多数真空断路器都是弹簧操作机构,合闸时间一般在60ms左右,跳闸时间一般在40ms左右。断路器的一个重要参数是短路开断能力和系统故障时的接通能力。

4.5 电流互感器

对于高压电流互感器,其二次绕组应有一点接地。这样,当一、二次绕组间因绝缘破坏而被高压击穿时,则可将高压引入大地,使二次绕组保持低电位,从而确保人身和二次设备的安全。应当注意的是,电流互感器的二次回路只允许一点接地而不能再有接地点,电流互感器二次回路的接地点应在端子K2处。

电流互感器二次绕组不允许开路,运行中的电流互感器其二次侧所接的负荷均为仪表或继电器的电流线圈等,阻抗非常小,基本上运行于短路状态。这样,由于二次电流所产生的磁通和一次电流产生的磁通方向相反,故能使铁心中的磁通密度维持在一个较低的水平,此时,电流互感器的二次电压也很低。当运行中电流互感器的二次绕组开路、一次电流仍然维持不变,而二次电流等于零,则二次电流产生的去磁磁通也消失了,这样,一次电流就会全部变成励磁电流,使电流互感器的铁心骤然饱和,导致的后果是,电流互感器的二次侧将产生数千伏高压,铁心严重发热,甚至烧毁铁心。电流互感器的形式有母线式、支柱式、贯穿式,母线连接以及元件布置时,应先选择以便合理的运用。

4.6 电压互感器

电压互感器的二次回路必须接地,其目的是为了保护人身和设备的安全。因为电压互感器在运行中,一次绕组处于高压,而二次绕组则为固定的低电压。如果电压互感器的一、二次绕组之间的绝缘被击穿,一次侧的高压将直接加到二次绕组上,而二次绕组所接的仪表和继电保护装置的绝缘水平很低,工作人员经常要与其接触,这样不但损坏了二次设备,而且直接威胁到工作人员的安全。

电压互感器在运行中不允许二次短路,电压互感器在正常运行中,由于二次负载主要是仪表和继电器的电压线圈,其阻抗均很大,基本上相当于变压器的空载状态,即电压互感器本身所通过的电流很小,因此,一般的电压互感器的容量均不大,绕组的导线很细,漏抗也很小。如果二次侧发生短路,短路电流很大,极易烧坏电压互感器,为此,应在电压互感器的二次回路装设熔断器进行短路保护。电压互感器的接线方式有“一”字形接法、V/V接法、Y/Y接法、Y/Y及开口三角形接法。

4.7 零序电流互感器

零序互感器,在正常状态时,通过零序互感器三相电流的相量之和等于零,铁心中不会产生磁通,故二次绕组内也不会产生感应电流。当被保护线路发生单相接地故障时,三相电流之和不再等于零,它等于每相零序电流的三倍,此时,电流互感器的铁心中便产生感应磁通,二次绕组内将有感应电流,从而带动继电器使保护装置动作。一次电缆须能穿过零序互感器,多根时,应计算零序互感器孔径的大小。

4.8 过电压保护器(避雷器)

通常进线柜、馈线柜、母线PT、进线PT、分段柜中都安装避雷器。系统中一旦出现过电压、或雷击电压,且危及被保护设备绝缘时,避雷器立即动作,将高电压冲击电流导向大地,从而限制电压幅值,保护电气设备绝缘。现在,大多数工程的避雷器采用三相组合式,个别工程也有三相均为单只的,原理上是一致的。

4.9 开关柜接地开关

接地开关,用于电路接地部分的机械式开关,它能在一定时间内承载非正常条件下的电流(例如短路电流),但不要求它承载正常电路条件下的电流。接地开关根据断路器的开断电流有25 k A、31.5 k A、40 k A、50 k A。

5 二次元器件布置及接线

5.1 开关柜仪表室面板布置

仪表室面板布置总的原则是:监视、观察、操作和调试方便,运行安全可靠;外观整齐、美观。面板上设备之间的距离应满足设备安装及接线的要求,确定各设备之间的距离,一定要了解设备与导线之间的连接方法、装配工艺及设备运行状态。

面板布置应在满足试验、检修、运行、监视、方便的前提下,适当紧凑,以节约二次导线且用屏较少。设计面板开孔与元件布置时,还应考虑布置在面板上的元件是否与继电器室的端子排或相关元件发生碰撞,并进行必要的干涉检查。开关柜仪表室面板布置同时要符合产品工艺要求,一般来说将测量仪表、调节、检查工作较少的元件布置在面板的上部,而将信号继电器、指示灯等信号系统的元件及综合保护装置等调试工作量较大的元件布置在面板的中部,操作设备则布置在它们的下方,仪表元件靠上布置,是为了显示直观,如电流表、电压表、综合保护装置、带电显示装置、以及多功能电度表等;操作元件靠下布置,是为了便于操作,如远方/就地切换开关、合分闸开关、储能开关以及智能操控装置等。每个间隔的面板布置要求保持一致,或尽可能保持一致,这样做的目的是为了整齐、美观,给人以视觉上的享受。

5.2 开关柜内二次端子排

二次端子排的排列顺序:首先是电流回路,电流回路中有计量回路、测量回路、保护回路,备用保护回路和外引预留回路,电流回路的端子必须采用试验端子;其次是电压回路,电压回路是将小母线上的电压A、B、C、N、L中的部分或全部引入综合保护装置、多功能电度表、测量表计、接线盒以及变送器等的回路;第三是控制回路,控制回路应该从正电源开始,中间是远方就地、合分闸、断路器的合分闸指示等,最后以负电源结束;第四是信号回路,信号回路则是电度表的脉冲信号、综合保护的开关量信号、及变送器的输出信号等全都引至端子排上,用来传输到后台的回路;第五是辅助回路,辅助回路是将断路器的辅助接点、接地开关的辅助接点、以及继电器的开点、闭点引至端子排,用来以后扩展或备用;最后是照明回路,为了安全起见,每个回路之间都要有空端子隔开。端子排上的接线是根据设计院提供的二次原理图以及开关柜上元件的布置做出来的,除了满足本柜需要外,还应根据设计院的二次原理图,预留外引接线的端子。

5.3 开关柜内控制回路

开关柜内控制回路一般有三个回路:储能回路、合闸回路、跳闸回路,其余的回路都是围绕这三个回路展开的。储能回路,弹簧机构的断路器都有储能回路,通过储能电机来实现储存能量,以满足断路器合闸时所需的能量要求,在开关柜面板上可以通过指示灯来显示储能状态,储能及未储能指示则是储能回路的辅助回路。合闸回路,通过合闸线圈的通电动作,在储能簧的作用下,使得储能保持掣子脱扣而完成断路器合闸的过程。有就地试验位置合闸、远方运行位置合闸、DCS合闸、保护合闸,即可手动合闸,也可电动合闸,合闸指示灯,以及跳位继电器是合闸回路的辅助回路。跳闸回路,通过跳闸线圈的通电动作,在分闸簧的作用下,使得合闸保持掣子脱扣而完成断路器跳闸的过程。有就地试验位置跳闸、远方运行位置跳闸、DCS跳闸、保护跳闸,即可手动分闸,也可电动分闸,跳闸指示灯,以及合位继电器是分闸回路的辅助回路。

防跳回路,防跳回路是断路器在故障状态下防止再次合闸的回路,有三种方式可以实现,采用综合保护装置的防跳,采用断路器的防跳,或者采用防跳继电器,三种方式只能选用一种。

6 结束语

高压开关柜设计 篇5

近年来，国外已经研发出一些弧光监测与保护系统，典型产品包括德国 Moelle 公司的 ARCON 故障电弧保护系统，ABB 公司的 ARC Guard System 保护系统和芬兰 Vaasa 公司的 VAMP 保护系统等。这些系统是基于监测电弧故障时发出的弧光以及过流双判据，以提供快速而安全的母线保护，为限制电弧故障损坏提供了有效的解决方案[9]。但这些系统往往比较复杂，实现起来难度较大，价格高昂，因而限制了其的推广使用。

相对于国外在这一领域的研究，国内在电弧诊断与保护方面仍处于起步实验研究阶段。西安交通大学开发了基于光纤传感器和弧光信号监测单元的弧光单判据监测系统，这是国内首次开发成功的开关柜内部电弧在线监测和保护装置。此外国内也有基于电弧光谱中紫外线来分析故障电弧的装置[10-11]以及基于电弧电磁能量[12]和压力特性[13]等的故障电弧监测保护装置，但上述一般均采用单判据监测方法，可靠性仍有待论证，暂时还无法推广到工程实践中去。因此在现有研究成果的基础上，针对矿用开关柜的特殊要求，提出一套可靠性高，抗干扰性强，动作快速，使用简便，成本低廉的故障电弧监测和保护装置是非常有必要的。基于此背景，本文提出了一种基于故障电流和故障电弧弧光双判据的监测方法以实现故障电弧定位监测和保护的双重功能，结构简单，具有较强的稳定性和可靠性。

系统总体方案

本系统由故障电流监测模块、弧光监测模块、柜内温湿度监测模块以及中央控制单元构成。其中，故障电流监测模块用于监测开关柜的进线侧电流;故障电弧监测模块用于监测开关柜的弧光信号;温湿度监测模块对开关柜母线室和电缆室温湿度实时监测。中央控制单元搜集上述 3 个模块的监测信息，运用专家系统进行综合判断，识别并定位故障电弧，输出保护控制信号及故障信息数据。系统的结构框图如图 1 所示。如何通过搜集得到的电流、弧光和柜内温湿度信号，准确预测并识别电弧故障，是系统研究的关键点。故障电弧产生的时候，进线侧电流会瞬间变大，因此，同时监测到弧光信号与电流瞬间增强，可准确判断电弧故障的>文秘站－中国最强免费！<发生，避免单一监测可能带来的误判。当同时检测到故障电流和弧光信号时，发出跳闸指令;当仅检测到两者之一时，发出报警信号。故障电弧保护原理如图 2=“” 所示。另外，柜内温湿度过大是造成电弧故障的一个重要因素，因此，当柜内温湿度过大时，自动启动风扇实现降温除湿;如果温湿度依然过高，启动报警。

系统硬件设计

1.故障电流监测模块:故障电流监测模块完成故障电流的采集和辨识，为开关设备的动作提供依据。电流互感器对开关设备每相进线上的电流进行监测，实时动态地输出所监测到的电流信号，依次经过整流分压电路单元、信号转换单元、电平判断单元、积分单元、输出单元，产生开关设备的故障电弧信号，送入中央控制模块进行分析和存储。

2.故障电弧监测模块:故障电弧采集模块完成对弧光信号的调理和采集功能，包含安装于开关设备母线室内用于采集弧光信号的凸透镜，以及依次串联的弧光感测电路、比较电路、锁存电路、多路选择开关。凸透镜按照像距和物距的位置放置于开关设备母线室需要监测的位置。本系统根据母线室和电缆室内的位置布局和易于发生故障电弧的`所在地，将 8 个不同焦距的透镜分别安装在母线室和电缆室内，以全面监测可能产生的电弧光信号。经过透镜后的电弧成像光路如图 3 所示。弧光感测元件为光敏三极管阵列，本设计中将其组成 8×8 的阵列，将从凸透镜聚焦的光信号转换为电信号。图 4 为利用虚拟仪器技术模拟的电弧成像分布图。图中圆圈代表感光元件，阴影部分为故障电弧的成像，根据凸透镜、弧光故障位置和光敏三极管之间的位置关系即可换算出设备中发生电弧故障的位置，因而可以很好地反映电弧的发生、发展过程，为后续的弧光故障分析提供很好的依据。如图 4 所示，每个凸透镜后面有 64 个光敏三极管阵列，而每个光敏三极管都对应着独自的信号处理电路。如图 5 所示，先经过信号放大，再通过比较电路与设定的基准电平比较，确定电弧成像有没有到达后方相应的弧光感测电路光敏元件所在区域，从而形成电弧图像信号;锁存电路锁存电弧图像信号，并通过多路开关与中央控制单元进行数据传输，而后送入监控后台进行模拟电弧成像处理。本系统中 8 路弧光信号通过或门或多路选择器循环采样，任何一路发生弧光即可产生故障信号。

3.温湿度监测模块:本系统采用温湿度传感器 SHT71 实现对母线室和电缆室的温湿度监测。SHT71 是一款基于两线数字输出的集成温湿度传感器，能同时测量温度和相对湿度，具有露点值计算输出功能。传感器中还集成了 14 位的 A/D 转换器、标定数据存储器和稳压电路，输出数字信号可以直接送到微控制器，无需外围元件，测量精度高，抗干扰性好。

4.中央控制模块:中央控制模块完成对故障电流监测模块，故障电弧采集模块和温湿度监测模块输入信号的分析，准确判断故障电弧是否产生，并利用故障电弧图像反向定位电弧发生位置。同时，通过 CAN 总线实现与上位机通信，发出故障信息与动作指令(包括启动风扇)。本设计中 STM32 系列 ARM 处理器作为主控芯片，共采集 3 路进线电流信号，8 路弧光信号，2 路温湿度信号。主控板的整体硬件结构如图 6 所示。

系统软件设计

中央控制模块完成的主要任务包括电流信号，弧光信号，温湿度信号的采集分析并与监控后台的CAN 总线通信。主程序流程图如图 7 所示。系统启动后，首先进行初始化，然后运行主程序。主程序是一个无限循环的采集、判断与通信过程。通过对弧光、电流、柜内温湿度信号的采集并与设定值简单比较，如果超过设定值即启动专家系统进行智能化分析。如果发现异常，则根据异常情况启动风扇、报警及跳闸。每一次监测与判断完成后，都通过 CAN 总线将监测结果及故障分析与处理结果上传给后台 PC 机。本系统建立了故障电弧监测专家系统，用于对监测信息进行智能化分析和处理，其原理框图如图8 所示。电弧故障发生时，进线电流的突变与电弧之间的相互关系可以通过仿真与实验来得到，这将作为专家知识写到系统中。另外，设备使用过程中的老化，比如传感器本身感测能力的下降，以及对温湿度敏感程度的增加，在系统中都加以考察，从而使故障判断阈值柔性化，更能准确的识别、定位电弧故障并实现保护功能。系统采用 CAN总线实现与后台机的信息交互。CAN 总线的仲裁模式，可以保障信息按优先级别实现主动上传，及时反映故障信息。发送与接收程序流程图如图 9 所示。发送时，将待发送信息按特定格式组合成一帧报文，送入发送缓冲区中，启动发送位，即可发送报文。当监测到接收缓冲器中存在有效报文后，接收子程序将缓冲器中的内容读入CPU 的数据存储区，完成接收后检查总线状态及溢出情况等并做相应处理。

结论

高压开关柜绝缘防范对策 篇6

高压开关柜因其在电力系统中的重要作用而使其变得更加不可或缺。高压开关柜负责保护和控制整个发电系统中的电能分配系统与转换系统。因此，整个电力系统的运转全在于高压开关柜能否正常且可靠的运行，所以其在输电网路中具有重要地位已经不言而喻。鉴于此，为确保高压开关柜的正常工作，并对其绝缘防范问题加紧研究和解决已成为今后电力工作人员的工作重点。

高压开关柜绝缘事故的原因

环境的负面影响。高压开关柜的绝缘情况会因为其所处环境不同而有较大差异。例如，绝缘体的外表面会由于其所处环境的湿度和干净度而有所影响。如果在干燥环境中有灰尘附着于绝缘体表面，将不会对绝缘电阻的工作情况有所影响。反之，如有绝缘电阻处于受潮环境中，没有灰尘等杂物附着于表面，也不会影响绝缘电阻的绝缘强度。但是一旦兼具上述两种因素，即绝缘体长时间处于潮湿且灰尘比较大的场所，极易引起绝缘电阻的阻值下降，同时增大泄露电流，进而引发相应安全事故和故障。

绝缘爬距和空气间隙不足。空气间隙与绝缘爬距低于相应标准要求也是造成高压开关柜重要绝缘事故中比较突出的一个因素，而且通常表现为相间电弧的事故形式。在分析实际相关故障档案后发现，如果高压开关柜的绝缘强度处于较低的水平，绝缘等级较差，以及相关设备和材料的质量达不到相关的要求，便有极大概率引发生绝缘事故。与此同时，高压开关柜的共性问题便是其相关电气设备的绝缘性不达标，而且相应电气设备绝缘泄露比距值偏低。因此，如果输电系统中的输电电压有波动或当电压值偏低时，便有较大概率发生绝缘闪络等故障事故。

设备制造质量和工艺缺陷。高压开关柜的装配工艺和制造质量将会极大的影响其整体性和耐压性。例如，即便在耐压试验中高压开关柜中的部分电气元件可以满足试验要求，但是往往在将各电气元件进行组装后，其整体耐压性上却达不到标准。因此，高压开关柜的工艺落后和生产质量不达标是发生该问题的最主要原因。比如较差的装配质量可以从紧固螺丝是否符合操作规则中看出，螺栓在拧紧之后螺杆伸出长度超过螺母的尺寸规定要求。如果在支撑瓷柱处其紧固地板没有经过绝缘处理，不仅集中了电场局部场强，而且影响彼此的绝缘距离。与此同时，相关防范措施没有在高压开关柜设备中设置到位，例如，设计缺陷存在与开关电气装置中联锁位置，从而难以区分分闸与合闸的位置，从而影响电力工作人员的操作，增加了绝缘事故的发生概率和事故的严重程度。

高压开关柜绝缘防范对策

严格执行规程。电力企业为做好防范技术措施，防止电气装置出现过电压故障，相关管理人员务必严格执行《电力设备过电压保护设计技术规程》以及《电业安全规程》的规定。此外，为避免操作人员出现误操作，严格在管理过程中坚持“两票三制”的原则，同时根据实际情况来调整预防性试验的时间，以保障各电气设备处于良好工作状态。

加大绝缘爬距。注意控制保持合理的绝缘爬距，例如，环氧绝缘材料的爬距最小应为200mm，外绝缘爬距的最小距离为190mm。如绝缘子的绝缘性较低，应使用复合材料或瓷瓶绝缘子来替代。如高压开关柜所处外界环境有较多灰尘，可以将其中绝缘子更换为防污型。此外，在防止作业人员因带电装置暴露在外而造成伤害的同时，也为避免导电铝排铜排因有害气体或盐雾污闪而出现腐蚀，应对外绝缘爬距进行定期检验，其中应注意所用高压开关柜和其中电气装置满足该作业环境下的防污等级。

选择合适的防护等级。常用的防护等级如下所述：IP2X能阻挡手指或直径大于12mm、长度不超过80mm的物体进入：IP3X能阻挡直径或厚度大于2.5mm的工具、金属丝等物体进入：IP4X能阻挡直径大于1.0mm的金属丝或厚度大于1.0mm的窄条等物体进入；IP5X能防止影响设备安全运行的大量尘埃进入，但不能完全防止一般灰尘进入。

加强维护监控管理工作。根据相关技术规范来设置高压开关柜中金属结构以及其中其它电气装置的金属部件的接地，牢固连接于专用接地导体处。任何与主回路分开的部件均可以采用隔离开关与接地开关以彼此切换的方式来实现接地。使用专用端子把各高压开关柜的接地导体进行连接并固定。使用与柜体机械强度相一致的金属来制作高压开关柜内用来分开各电气装置的隔板，并做好接地处理。在支架上必须牢固安装各种装置，例如，断路器、负荷开关和操作机构等，避免有外力作用致使其发生形变。继电器与仪表的设备不应在负荷开关、断路器以及接触器出现操作振动时而受到影响。与此同时，为方便维护、检修和定期开展预防性实验，应将互感器设计并安装在合适的位置。

净化环境，封堵孔洞，严防潮。应加装滤网和网栅等装置在抽风机或百叶窗结构中，以防止尘埃或小动物的进入，并起到通风和净化空气的作用。如环境中有较高湿度，应及时添加除湿装置。封堵利于潮气进入的柜体缝隙或孔洞，并用阻燃材料封堵电缆孔。此外，注意定期对设备进行维护，确保绝缘的状态符合正常工作的要求，以保障其各项参数符合运行的要求。

高压开关柜无线温度传感器设计 篇7

因此, 急需一种能实时监测高压开关柜内各类设备、触头和节点的温度预警系统, 在高温事故发生前能发出预警信号, 通知变电站运维人员采取紧急措施, 避免电气火灾的发生。 温度预警系统中温度传感器又是重中之重, 本文设计了一款低功耗的无线温度传感器, 能将采集到的温度通过2.4G无线网络发送给无线接收模块。

1 硬件设计

1.1 常用的开关柜节点测温方法

(1) 柜内红外线离线测温: 红外测温为非接触式测温, 但极易受环境灰尘影响, 因为高压设备一般积灰较多, 当红外测温探头被灰尘遮盖后, 温度测量值急剧变化, 常常正常的温度突然显示几百度, 从而误报警。

(2) 红外热像仪测温:无法监测到柜内的关键节点温度, 只能测量露在柜子外面的节点温度。

(3) 光纤测温:采用光纤传输温度信号, 具有优异的绝缘性能, 能够隔离开关柜内的高压, 可直接安装到开关柜内的高压触点上, 准确测量高压触点的运行温度。 然而, 光纤表面可能受到污染, 将导致光纤沿面放电, 这使得光纤测温系统用于室外开关设备测温时受到限制。

1.2 无线测温的优点

无线测温采用无线信号传输, 传感器直接安装在设备上, 温度测量准确, 解决了电气绝缘的问题, 且不受环境影响, 可以测量室内外任何高压带电设备的温度。

1.3 无线温度传感器电路设计

传感器电路组成框图如图1 所示。

(1) 单片机选用microchip低功耗单片机pic16f913, 该处理器内部采用高精度振荡器、宽工作电压范围 (2.0~5.5V) 、工业级的温度范围、高耐用性闪存。 使用纳瓦技术, 待机电流小于100m A (当电压为2.0V时) , 看门狗定时器电流为1u A (当电压为2.0V时) 。

(2) 温度传感器采用美国AD公司的新产品TMP36, 是一款工作电压低、精度高的温度传感器, 其测量温度范围为-40~125℃, 在0℃时输出0.5V, 25℃时输出750m V;静态电流小于50u A, 关闭状态时功耗仅0.5u A;在整个测温范围内, 其精度为±1℃, 线性度±0.5℃。

(3) 2.4G无线通信模块选用微型NRF24L01+无线模块。该模块选用NORDIC公司的NRF24L01+芯片, 有如下特点:低工作电压1.9~3.6V;具有125 个频点, 可实现跳频通信;可工作在发送、接收、停机、待机、掉电等5 种模式。 模块的工作参考数据如表1 所示。

数据包有2 种处理方式:Shock Busrt和增强型Shock Burst模式。 Shock Busrt模式下, MCU通过SPI接口与NRF24L01+通信, 当接收到数据包时, NRF24L01+拉低IRQ引脚, MCU通过中断或查询该引脚从RX FIFO中读出数据, 发送数据结束后拉低IRQ通知MCU。 增强型Shock Burst模式下数据发送方要求接收方接收到数据后发一个应答信号, 以便发送方检查接收方是否收到数据, 如查到接收方没有收到数据, 则重新发送数据包。 此种重发机制完全由芯片自行完成, 不需MCU参与。

(4) 参考电压。 电路中采用TI公司的TL431 产生2.5V参考电压, 来作为AD采样的基准电压。 TL431 是一款具有良好热稳定性能的可控精密稳压源, 工作温度范围为-40~85℃, 误差为±0.4% (25℃) 。

(5) 低功耗控制。 在MCU处于休眠状态时, 关断NRF24L01+模块及TMP36 的电源, 由PIC16F913 的RC6引脚输出高电平, 使Q1 (AO3401) 的G极为高电平, VDD失电。 正常的温度采集状态时RC6 输出低电平, Q1 导通, VDD得电。

1.4 无线温度传感器

无线温度传感器尺寸为22mm×14mm×17mm (长×宽×高) , 感温铜片紧帖传感器TMP36。

1.5 电池

选用锂亚高能量电池ER17335, 标称容量为1900m Ah, 开路电压为3.6V, 工作温度为-55℃~85℃ , 尺寸为:￠17mm×33.5mm。

2 软件设计

软件系统依靠8 位单片机PIC16F913 来实现温度采集与无线发送功能, 具体有以下3 个方面的功能:

2.1 写码

为每一个无线温度传感器分配5 个字节的无线通信网络地址以及1 字节的自身地址, 只有具有相同网络地址的NRF24L01+芯片之间才能通信。 写码时将PCB板上的写码跳线与GND网络短接, 重新给传感器上电, 使程序进入到写码流程, 这时上位机通过串口对传感器写入地址码。 写码通信规约如表2 所示, 表2 中校验和为从包头到自身地址的所有字节之和。

2.2 温度采集与无线传输

使用PIC16F913 的第0 通道AD转换器来采集TMP36 的输出电压, 具体算法是:连续采样10 次, 去掉最大和最小值, 再求和后求平均值, 再通过公式 (1) 换算成实际的温度值t。

t为小数, 为了数据发送方便, 将t乘以10 得到整数, 即t的精度为0.1, 在后续的仪表中再换算过来。

无线发送策略:模块每次上电初始时都传输温度值, 以后每次定时休眠被唤醒后, 都采集温度值, 并与上次的温度值作比较, 如差值的绝对值大于3℃, 将温度值立即无线发射出去, 供无线接收模块接收, 否则正常状态下每5 次采集发送一次温度数据。无线温度数据传输通信规约如表3 所示, 其中校验和为数据包前5 字节之和。

2.3 低功耗控制

除了使用前面介绍的使用无线传输决策来控制无线发送次数外, 系统还采用定时休眠来降低功耗。PIC16F913 的休眠模式可以提供一种电流消耗很低的工作方式, 休眠中的单片机可通过中断或看门狗定时器唤醒。 WDT以标称的16ms作为其工作时基, 通过设置看门狗定时器控制寄存器WDTCON来实现不同的定时时间, 本软件系统中将看门狗定时器定时时间设置为8.118s, 程序如下:

3 结束语

浅谈金属封闭高压智能开关柜设计 篇8

智能开关柜的设计: (1) 柜体采用中置移开式结构、采用进口敷铝锌钢板经数控冲床加工, 采用多重折边工艺, 用拉铆和高强度的螺栓联接拼装而成, 精度高, 具有抗腐蚀性和氧化性, 机械强度高, 外型美观。 (2) 开关柜分为母线室、仪表室、断路器室、电缆室四个独立隔室。柜体防护等级为IP4X。 (3) 断路器是在柜门关闭的情况下才能操作, 无电情况下才能合接地开关, 操作人员安全感强。 (4) 智能开关柜具有先进的机械联锁装置, 完全满足“五防”要求。 (5) 智能开关柜选用具有电动底盘功能的智能型断路器和具备电动操作的接地开关。 (6) 智能开关柜设计紧急分闸按钮, 可以满足紧急情况下的分闸操作。 (7) 智能开关柜可就地或远方操作断路器手车遥进和退出、可就地或远方分、合接地开关, 能进行远方合分闸的断路器。 (8) 选用电子式互感器、智能操控装置、电弧光保护、红外测温窗口等装置。 (9) 构建信息化网络结构。

以下本文将从智能型断路器、智能化的测量控制保护装置、智能操控装置、开关柜温升在线监测装置、电弧保护装置等五个方面来介绍智能开关柜的设计和应用。

1 智能断路器和电动地刀

智能断路器配有集成化微电子设备、数字通信接口、传感器和执行器, 集智能化控制功能、状态监测与诊断功能、智能化操作功能为一体。具有分合闸和在线监测和诊断功能, 能及时了解开关设备全面的运行状态, 掌握并智能分析处理其变化趋势。

智能断路器具有完善的在线机械特性检测, 分合闸电磁铁和储能电机电流波形测量, 温升测量, 并据此进行机构状态检测、诊断、报警。同时具有通信和数据记录以及底盘车电动进出功能, 显著提高了断路器系统的智能化和可靠性。具有以下特点:

(1) 友好的人机界面。智能化断路器面板上具有可触摸的人机界面, 可分页浏览断路器详细的运行参数。 (2) 机械特性在线检测、在机构上安装有特制的位移传感器和专有的信号处理单元, 通过断路器面板上的显示器可显示每次分合闸后的分合闸位移波形, 分合闸速度, 分合闸时间, 超程, 开距, 不同期等机械参数。 (3) 分合闸、储能电机电流波形检测。采用高精度的霍尔传感器对分合闸电磁铁, 储能电机的电流进行测量, 并能将电流波形显示出来。 (4) 断路器状态检测, 诊断及维护导则等专家系统。根据检测到的分合闸机械波形, 分合闸电磁铁、储能电机电流波形和在线温度情况, 对断路器的状态进行诊断, 得出断路器各个环节是否正常, 对出现异常情况进行报警和分析处理。 (5) 具备通讯和数据储存功能。智能化断路器采用标准的现场总线通讯接口, 支持多种标准通信协议, 可将监测数据、曲线和诊断结论显示到综合监测装置上, 并通过数据传输到后台中。具备强大的数据储存功能, 能将断路器每次操作的机械特性和各电流波形进行储存, 便于调用查看。 (6) 电动进出控制。电动底盘车可现实断路器的远程进出控制, 具备手动优先功能和进出软启动和软停止, 具有堵转保护, 可手动和电动自由切换。 (7) 智能断路器具有电磁兼容功能和满足机械特性和温升的要求, 可靠性和安全性高。 (8) 电动底盘车和电动接地开关。电动底盘车和接线模块布置于底盘车车架内, 与底盘车构成一个整体。同时适用于手动、电动操作。接地开关采用一体化模块结构, 可电动合闸、电动分闸、手动、电动切换

2 智能化的测量控制保护装置

智能化的测量控制保护装置主要器件为可编程的高速微处理器和单片机, 软件和硬件上采用模块化结构, 运用数字技术以及计算机技术, 在强干扰和恶劣环境下也能够实现保护、测量、控制、监视、通信等各种功能。

2.1 保护功能。

三段式电流保护 (方向或低压闭锁) , 反时限过流保护, 低周减载保护, 三相重合闸的保护功能, 小电流接地选线、低电压、过电压以及零序电压、过负荷的保护功能, 断路器失效时的保护功能。

2.2 控制功能。

可以实现就地、远方控制, 对断路器底盘车进、退的控制, 断路器分、合闸的控制, 还有接地开关的分合登各项操作, 以及实现保护合闸、保护跳闸;对信号进行控制以及将控制对象的情况显示、打印等, 使控制操作更加便捷和安全。

2.3 测量电量。能够测量电流、电压、频率、功率因数、电能、电度、平均功率等进行测量等。

2.4 通信功能。

装置可以选择双网通讯配置, 能够与管理计算机实现通信或者借助变电站的通信体系进行远程通信。其装置支持Modbus通讯协议以及IEC870-5-101 (103) 等标准通信规约;其串行的标准接口为RS232和RS485, 现场总线为CANBus等;通信介质可采用电话线、光纤、无线、载波等。

2.5 监视功能。

能够对断路器运行状况及跳闸、合闸回路进行监视;能够对本机的运行状态进行自检和报警;具有故障录波和报警追忆功能, 能够对故障的类型、产生的时间以及故障的波形如实加以记录、分析和报警和打印等。

3 智能操控装置

智能操控装置是集中指示一次回路模拟状态、手车位置、接地刀位置、开关状态、操作机构储能状态;高压带电指示、带电闭锁控制器、自动加热除湿、实时数字显示温湿度值及加热器故障监测、超高温报警并强制停止加热、智能语音防误提示、红外人体感应、柜内电气接点温度在线监测、有无功功率、电能、功率因数、电压电流等多种电力参数的在线测量、RS485通信接口、4~20MA变送口等多种功能。

4 开关设备温升在线检测系统

开关设备温升在线监测系统由温度监测单元、智能型无线测温装置构成。温度监测单元包括断路器温度监测单元和母排温度监测单元。

测量装置可在线监测梅花触头温度和母排温度并将采集到的温度数据通过RS-485将数据传输到后台监测平台, 进行数据保存、超高温报警、断线故障报警等功能。

开关设备温升在线监测系统可与温升在线监测软件配套使用, 实现变电站内开关设备温升集中远程在线监测。具有在线采集、监测、分析现场温度的功能。并能作出超温报警、对比历史记录等处理, 保障在设备发生事故之前作出处理。

5 弧光保护

弧光保护控制装置集成保护、监视、控制和通讯功能于一体, 具有可靠性的保护、监控能力。

★闪络保护:具有光纤闪络检测输入以及保护元件。

★可选保护特性电压输入选项:可实现过/低频率、频率变化率、过/低电压、同期监测、直流电源监视、闪络保护以及需求量表计测量。

★可编程的保护逻辑设定。

★测量和监视功能。通过分析顺序事件记录 (SER) 报告和录波报告, 实现快速验收、试验和故障后分析。主动上送的SER规约可用于全站的二进制顺序事件记录SER采集。

★星型和三角形电压输入可设定。

浅谈高压开关柜二次回路设计 篇9

高压开关柜广泛应用在变电站、工矿企业、居民小区配电室等场所, 其二次回路的设计是否正确合理, 安装是否可靠, 对开关柜的安全运行有着十分密切的关系。通过对高压开关柜二次回路工程验收及运行中发现的问题进行分析, 发现一些二次回路的缺陷, 在安装调试阶段要花费很大的精力去整改, 甚至会遗留先天性缺陷, 而这些问题可以在制造阶段通过优化设计而避免。

电流回路常见问题及解决措施

电流互感器二次绕组不得开路, 二次绕组必须一点接地, 其变比、极性应符合相关要求, 二次回路连接可靠, 易于进行相关检查、调整, 利于后期运行维护。

电流互感器二次回路反措执行存在问题及解决措施

常见问题

电流互感器二次绕组不得开路, 二次绕组必须一点接地。常见的问题是由于配件、材料选型及接线问题造成二次回路开路, 部分绕组失去接地点等问题。

解决措施

在防止电流互感器二次绕组开路方面, 一是电流回路一般采用试验端子, 检修时需要打开连片, 接线端子必须使用质量较好的试验端子;二是所有电流互感器二次绕组都接到开关柜端子排, 便于带负荷进行回路相量测试, 备用绕组不宜在互感器接线盒端子处短接;三是由于开关柜内配线一般采用多股软铜线, 接线压接线鼻子, 互感器侧及保护装置背板接线端子采用圆形端子, 不采用叉形端子, 防止螺丝松动时二次线脱落。

在二次绕组一点接地方面, 一是每个开关柜设置专用的接地铜排, 确保接地点良好;二是每一组二次绕组用4平方毫米黄绿接地线单独接到开关柜专用的接地铜排上, 不得将多个接地点短接后用一根接地线接到接地铜排上, 防止短接线接触不良, 造成部分二次绕组失去接地点。

电流互感器极性调整引发的问题及解决措施

常见问题

电流互感器的极性一般要求为从母线到出线为正方向, 由于一次接线不同, 二次不能简单的从K1或K2引出, 要根据电流互感器一次接线确定。

调整极性需要改变二次接线, 由于二次回路编号一般采用相对编号法, 就是在每个接线端子处标明它所连结对象的编号, 以表明二者之间相互连接关系。改变极性需要调整端子接线, 接线调整后回路编号发生变化, 相应的标号头就不正确了。如果更换标号头需要将原先压接的线鼻子剪掉, 更换标号头后重新压接线鼻子, 而如果手工涂改标号头不仅影响美观, 而且容易时间久了字迹不容易辨认, 以上两种解决方式给现场带来很大的工作量。同时由于调整接线需要改变短接线, 可能会出现二次回路编号混乱、相序不正确等问题。

解决措施

电流互感器到端子排接线标号头采用“相别+接线端子标识”方法, 同一根二次线两头标号一致, 调整接线不需要修改标号, 而且标号比较直观。

接线方面, 电流互感器二次绕组头尾全部引到端子排, 便于进行接线调整, 同时可以采用彩色线, 以明确区分相序, 避免接线错误。

电流互感器变比调整存在的问题及解决措施

常见问题

继电保护对电流互感器的要求为故障情况下不饱和, 能正确反应一次电流的大小;而计量对电流互感器的要求为故障情况下饱和, 正常情况二次电流不能太小, 以保证计量精度要求。

解决措施

为兼顾保护和计量需求, 电流互感器计量绕组一般带中间抽头, 有两个变比。在设计时因注意将电流互感器绕组所有端子都接到端子排, 改变电流互感器变比只需调整端子排接线, 而不需要打开开关柜后柜门, 在电流互感器本体二次接线端子处调整接线。

电压互感器常见问题及解决措施

电压互感器相关反措执行

常见问题

电压互感器二次绕组不得短路, 二次绕组必须一点接地。

为防止电压二次回路短路时损坏电压互感器, 一般在电压二次回路装设空开, 常见的问题是空开不满足级差配合关系, 空开和保险混用。

对于变电站而言, 高低压侧电压互感器二次回路接地点一般设置在控制室公用屏, 常见的问题是开关柜和主控室同时接地, 造成电压回路两点接地。

解决措施

电压互感器二次回路装设空开, 且PT柜空开和出线开关柜空开必须满足级差配合关系。一般PT柜二次空开使用单相6A的空开, 且配置OFF接点, 将接点接入综自系统, 在PT柜空开跳开后发告警信号;出线间隔保护电压回路可使用三相1A的空开, 计量电压回路不再安装空开。

电压二次回路接地点应根据开关柜的应用场合确定, 变电站开关柜一般接地点设置在控制室, 开关柜不设置接地点, 而单独安装在配电室的开关柜, 则需要在开关柜设置电压回路接地点。

电压切换回路

常见问题

为保证一、二次电压同步, 电压二次回路中串入PT隔离开关位置节点, 由于PT隔离开关位置节点数量不够, 一般采用重动继电器, 有些开关柜在设计时选用交流继电器, 一旦站用电源失电, 将造成电压二次回路断电。

解决措施

重动继电器一般采用直流继电器, 直流电源取自PT柜控制电源。

控制、信号回路常见问题及解决措施

控制回路常见问题及解决措施

常见问题

开关柜控制回路常见的问题是断路器防跳回路及闭锁回路设置不合理。

断路器防跳就是防止断路器在合闸过程中, 发生连续跳闸、合闸的跳跃现象。部分断路器无防跳回路, 远控操作时可以用保护装置防跳回路, 而在就地操作时无防跳功能, 或者断路器防跳和保护装置防跳回路同时存在, 相互影响。

开关小车在进车时进行合闸, 相当于用开关触头去接通电气回路, 此时将产生电弧, 严重时会烧伤设备, 部分开关柜没有设置闭锁回路, 仅靠操作人员判断设备是否操作到位, 存在一定的安全隐患。

解决措施

开关柜断路器应选用带防跳功能得产品, 保护装置跳位监视TWJ-单独接断路器常闭接点, 优先选用断路器防跳回路, 现场对防跳回路进行试验, 确保断路器防跳回路正常、可靠。

开关柜应合理设置电气闭锁回路, 在设备操作不到位或操作错误时闭锁相关回路, 从技术上减少设备隐患, 提高反措能力。

信号回路常见问题及解决措施

常见问题

开关柜信号回路常见问题主要有信号设置不全, 给运行维护带来一定的困难, 信号接入错误, 使保护装置频繁告警。

遥信设置不全, 如保护装置失电和交换机故障都会报装置通信异常, 无法快速分析判断设备异常原因;就地信号不全, 给操作带来一定的困难, 如断路器小车的工作位置没有设置就地指示灯, 无法判断操作后的位置, 如果操作不到位, 断路器无法合闸, 造成运行人员误判断。

保护装置预定义遥信接入普通信号, 造成装置运行时告警, 如闭锁重合闸、弹簧未储能、远方位置等厂家预定义的遥信, 一旦接入开关位置等

普通遥信, 装置正常运行时产生告警信息。

解决措施

信号回路的设置应满足实际运行操作需求, 设备操作后的位置判断必须设置就地信号, 装置断电告警信息必须接入公用测控, 防止装置失电或交换机故障时通信中断。

设计遥信回路时要对保护装置说明书进行认真学习, 厂家预定义遥信必须接入专用信号, 不得接入普通信号。

结语

高压开关柜设计 篇10

高压开关柜是目前企事业单位不可缺少的用电设备,这种设备又常因电网的过载及短路很容易被破坏,并出现温度异常现象。为了提高设备的利用率,人们设法检测开关柜内不同时刻的温度,然后从温度变化中判断用电线路的故障,及早做出开关柜各路开关的预警处理,从而提高开关柜的使用寿命[1]。对于开关柜温升异常作出预警,目前采用的措施有:在分支母线的可见部分贴变色卡,通过人工巡检发现温升异常;采用无接触温度测量装置,通过人工巡检发现温升异常;采用光纤在线测温装置,采集检测点的温度信息,再通过计算机处理所采集到的数据,实现温升异常预警。这些方法尽管可以起到预警作用,但都有不足。人工巡检方法存在着工作量大、不可避免的遗漏等缺陷;对不可见或不可直接测量的部位无法获得需要的数据,而且巡检得到的数据需人工记录,不容易对数据进行分析和判断;光纤在线测温的方法需要布置大量的传感器,设备造价的增加幅度会很大,传感器的信号还要通过光纤与供电回路有接触的连接,人为地增加了出现绝缘故障的可能性。特别是当某一传感器出现故障时,很难进行设备在线状态下的维护和修复。同时这种方法对大量温度数据难以处理,主要是故障点在过载或短路时温度的异常需要延时,且温度异常的延时没有定量的公式作推理或判断[2]。

基于此,本设计系统在第二种措施的基础上作了改进,采用光敏传感器减少回路的接触与连接,对开关柜变化的温度异常采用神经网络作动态自适应判断。整个系统的底层是各检测点传感器,直接在开关柜插头及开关柜母线室和电缆室后盖板等检测点处采集现场数据,通过变送器转化数据并上传可编程控制器PLC(Programmable Logic Controller),PLC对开关柜各路运行状态进行判别及产生输出控制信号。信号通过网络传输给系统上位机(工控机),并将数据进行模糊归一化处理,传入工控机组态软件模块。工控机利用组态软件Kingview 7.0为平台实现开关柜控制参数的显示及报警操作。当系统运行语音报警时,系统利用已采集的历史报警数据为样本通过事先建立好的神经网络故障诊断模块即时训练,并以当前报警数据为样本进行仿真。当本次报警故障样本不属于以前存在的故障分类时,通过改进的神经网络模型程序自动添加新故障类型并完善开关柜故障分类表。系统以PentiumⅢ为工控机,下位机信号采集与处理采用基于以太网的紧凑集成型SIMATIC S7-200PLC来实现,系统全部采用标准的PLC模块完成对所有电流量、电压量、电阻量、电偶量、继电器量及脉冲量的采集,CPU模块完成整个信号处理工作。系统设计提高了高压开关柜运行管理的自动化水平。

2 系统的总体设计及组态监控通讯原理

2.1 系统总体设计

高压开关柜内最需要监视的发热故障点是手车式开关柜的隔离插头,故需在隔离插头处设置多个不同的光敏测温计,以测其隔离插头处的温度。又因为高压开关柜内部主回路导体的发热状况会在对应的壳体外表面产生相应的反映,在一定的环境温度条件下,一定的主回路电流会对应一定的主回路发热量,而一定的主回路发热量将对应着壳体外表面对应部位一定的温升值。当高压开关柜内部出现发热异常情况时,壳体外表面对应部位的温升值也将出现“异常”。因此需要在开关柜母线室和电缆室后盖板的外表面处设置不同的温度传感器以测其表面的温度值。又由于环境温度的不同也对母线室及电缆室后盖板以及各个插头的温度有一定的影响,尤其在不同季节环境温度变化的情况下,因此也需要测量环境温度值。由于开关柜间隔内与之对应触头的温度与触头的发热有关,而该触头的发热与该相回路中的电流值有关,因此需要测量触头的电流量、电压量及对应的电阻量。基于此,在开关柜内不同位置安装不同的传感器,让其采集来自开关柜不同位置的温度数值,将该数值经过电缆连接到各仪表室的PLC,PLC再对开关柜内不同位置的温度信息进行分析和归纳,并将数据通过主从式以太网与工控机通讯,从而传递开关柜各路状态参数。系统采用工控机PentiumⅢ和PLC S7-400组成上下两级计算机监控体系[3]。系统总体设计如图1所示。其中,主控室PC为系统上级,其主要作用是与下层的PLC通讯,获得开关柜状态检测数据,并对数据进行模糊归一化处理,同时显示开关柜现场布局。N台PLC为系统下级,测量开关柜内不同位置的温度、电流及电压等数据。

2.2 组态监控通讯原理及功能模块

工控机以组态王Kingview 7.0为软件平台,它将每一台下位机看作是外部设备,在运行期间,组态王通过常用的DDE通讯机制和这些外部设备交换数据(包括采集数据和发送数据/指令)。其通讯功能模块设计采用专用的通讯参数规程。在通信参数规程中,首先定义通信参数的数据构成。系统规定通讯参数内功能块控件类型码和每一功能块控件对应的输入、输出及其特征参数值的组成,其次要定义每一数据包的报文格式[4],每一数据包由报文码(1Byte)、节点地址(1Byte)、命令码(1Byte)、包库码(1Byte)、组态参数数据(40Byte)、校验码(1Byte)6部分组成。其中报文码表示该包是上位下装包还是下位响应包;命令码表示组态参数包还是命令运行包。而S7-200PLC系列的CPU集成的编程口同时就是PPI通讯联网接口,其物理特性为RS-485,因此在不增加任何硬件的情况下,可以很方便地将PLC与报警系统设备连接起来[5]。其通讯原理如图2所示。

上位机工控组态监视平台的功能模块主要有:监视动画绘制模块、数据采集管理模块、状态数据显示模块、趋势曲线模块、历史数据记录模块、实时报警模块和神经网络故障诊断模块。分述如下。

(1)可视化的监视画面绘制模块

该模块内含一个控制系统图元控件库,包括常用的现场控制对象图形工具(如绘制开关柜的插头、母线室、电缆室、后盖板等)和基本的图形工具(如直线、曲线、椭圆、矩形等),并提供各种各样的图形编辑功能(如元件组合、折分、左对齐等),可在计算机屏幕上直观地再现高压开关柜工作现场以便能很好地了解现场运行状态。由于所提供的图元控件数量、类型都比较多,因此借助第三方图形编辑软件工具Visual Technical 5.10来开发。监视画面绘制完毕后虽然都是静态地显示,但用户还可以定义监视画面中需动态显示的实时数据。

(2)数据管理模块

将历史数据定期转到数据库,并可对历史数据进行分析。主要是采用Microsoft Active Data Object(ADO)面向对象的数据库访问技术。Visual C++中提供有ADO 2.10版本,该版本包括SQL Server、Oracle和Microsoft Jet等数据库。在程序项目中应首先引用ADO库,然后就可使用ADO的Connection对象建立数据库的连接,使用Recordset对象、Command对象等完成对数据库具体管理的各项工作。

(3)报表曲线模块

报表生成是指可对历史数据进行查询、统计后生成数据报表。曲线图包括实时动态曲线和历史趋势曲线。其编制采用ActiveX控件技术实现。

(4)报警处理模块

设置报警类型、上下限,并将通过报警画面及语音提醒操作人员。对重要的报警事件采用弹出式报警窗口。

3 高压开关柜的故障诊断模块

3.1 开关柜故障诊断原理

开关柜故障诊断系统主要包括学习(训练)与诊断(匹配)两个过程。其中每个过程都包括预处理和特征提取两部分。通常学习过程是在一定的标准模式样本基础上,依据某一分类规则来设计神经网络仿真分类器,并用标准模式训练;而诊断过程是将未知模式与已训练的神经网络分类器进行比较来诊断未知模式的类别[6]。整个故障诊断系统的过程如图3所示。

从获得的数据来看诊断的对象,一般可看作一组时间序列。通过对该时间序列的分段采样,可以将输入数据映射成样本空间的点。这些数据可能包含故障的类型、程度和位置等信息。但是,从整个样本空间来看,这些特征信息的分布是变化的。对于各种故障诊断方法来说,一般不能直接用于分类,需经过合适的变换提取有效的故障特征,而且所提取的这些特征对于设备的参数应该是不变的。因此,首先要对映射到样本空间的输入数据进行预处理,通过删除原始数据中的无用信息得到另一类故障模式,由样本空间映射成数据空间。在数据空间基础上,通过某种变换,提取数据中的不变特征,形成不变故障模式空间。在提取了故障模式的不变特征之后,根据诊断的需要和问题的特性,往往还需要对所选择的模式特征矢量进行压缩变换,在尽可能保持信息量基本不变的前提下,在降维空间内,选择有用的特征,以利于故障诊断。并且由所得的降维模式空间提取模式样本的特征信息,从而形成特征空间。

根据故障诊断原理和高压开关柜运行系统的实际情况,要对PLC检测的数据进行模糊归一化处理,将各种开关量统一成数字量,并根据各PLC监控的设备设计专一的数据归一化标准,有利于该设备故障诊断模型的输入。

3.2 模糊预处理的聚类神经网络模型结构及工作流程

现有的一些人工神经网络都不具备很好的模拟记忆特性,它们均会由于新值代替旧值而冲淡了以前的记忆模式,这样会给神经网络的应用带来诸多不便,为了让网络具有可塑性和稳定性。由Carpenter等人提出了自适应共振理论(Adaptive Resonance Theory—ART)[7],即让输入模式通过网络双向连接权的识别与比较,最后达到共振来完成自身的记忆,并用同样的方式实现网络的回想。

由于ART网没有隐含层,记忆能力差[8]。为此可以通过竞争选择出优胜者并计算该样本对各类别的隶属度值μk,并判断竞争获胜节点隶属于第p类(p为获胜节点号)的隶属度值μp是否足够大,如果大于某一警戒值σ则表示通过,否则将此隶属度值作为BP网络的期望输出,利用BP网络的强大记忆能力找出最大的节点号,并强行作为竞争获胜者。将ART网络及BP网络有机结合在一起,并发挥它们各自的长处,同时对输入样本或信息进行初级模糊预处理,从而构成新的网络模型结构,其结构如图4所示。

该网络模型具体工作流程为:

(1)初始化;

(2)输入新样本,并对样本进行归一化处理;

(3)对有关联的特征量进行模糊预处理;

(4)进入ART自下而上运算,竞争选择出优胜者(即ART的识别阶段)。

具体实现方法是:计算该样本x′对各类的隶属度值μk,其中:

而‖·‖为n维向量的范数[9],Wk为输入节点对输出节点k的前馈连接权向量;然后将μk送到BP子网,作为该样本X在BP子网中的期望输出,并对获胜节点作初级警戒比较,判断μk>σ是否成立(σ事先设定),若不成立则利用BP网络的记忆信息,强行将BP网络中的最大输出的节点号作为ART的获胜者。

(5)警戒性检验(即ART自上而下的比较阶段)

计算R=NH(W,T)=1-MH(W,T)的Hamming贴近度,若R>ρ(ρ为事先设定的贴近度警戒值)成立,即通过警戒检验,转(6);若获胜节点没有通过警戒测试,则屏蔽该获胜节点(即此节点不参加下一轮识别),返回(4)寻找新的获胜节点i,假如在所有的输出节点中找不到通过警戒测试的获胜节点时,则累计这种要求(开辟新类的样本数加一)转(7)。

(6)修改权值

取,其中c为常数,一般取0.5;Xk′=[x1k′,x2k′,x3k′,…,xnk′]T为输入模式;Tj=[tj1,tj2,…,tjn]T(j=1,2,3,…n)为学习过的输入模式存储的反馈连接权矢量。即前馈连接权矢量Wg=[w1 g,w2 g,…,wn g]T和反馈连接权矢量Tg=[tg 1,tg 2,…,tg n]T向着与Xk′更接近的方向调整。

(7)判断本次训练所提供的所有样本是否学习一遍。如果未完成样本学习转第(2)步,输入下一个样本;如果完成,检查是否开辟新类,若要求开辟新类的样本数k>r=5(为了避免落入新类的样本太少,可事先规定落入新类的样本数不小于r),此时n=n+1,并增加一个输出节点,同时BP网络的输出节点和隐节点也相应增加,并初始化新节点的权值,从而完成创建一个新类的工作;否则不开辟新类,转入下一轮样本学习。

该流程在增加新类时,首先将未通过识别的样本模糊度μk用数组分别存储,在判断是否增加新节点时,先分类统计μk,将相近值的μk作为一类,并统计属此类的数组元素个数p,并判别p>r是否成立。对成立的增加此节点,然后清除本类的所有数组元素值。对不满足p>r的仍保存数组元素值,为下一次样本训练时作为累加基数。这样能累计以往的训练样本,同时本网络模型可以在不同时期内对其进行训练,而且下次训练时能统计以前训练时与已有样本不匹配的样本,从而决定是否增加新类,以至不浪费以前的样本信息,这样使网络更具有健壮性。

由上述网络模型结构可知,每一PLC监控的开关柜要事先设计好该开关柜结构设置的专一数据归一化方法,并确定网络层数及各层神经元个数。当组态监控启动某一报警模块时,该系统立即调用本模块的历史数据记录,对神经网络诊断模块实施快速训练,并以当前报警的数据以本模块数据模糊归一化原则实施数据处理并作为仿真样本,从而快速诊断该组开关柜的故障部位,以便及时处理。

4 系统工作流程

本系统工作流程为:

(1)高压开关柜各个传感器测量数据;

(2)对传感器检测的数据由变送器通过模数转化为数字信号;

(3)PLC采集和管理现场数据,通过以太网上传给工控机;

(4)工控上位机PC利用组态王Kingview7.0实施模块管理;

(5)通过组态王软件设置设备报警极限值,并适时采集报警数据记录;

(6)启动设备故障诊断模块,并对数据进行模糊归一化处理;

(7)以历史报警数据记录作为样本进行实时训练学习;

(8)以本次报警数据记录作为仿真样本,对照故障诊断表找出故障,如果此故障不属于任何历史类,可添加本故障类,完善高压开关柜故障诊断表。

5 结论

对高压开关柜温度预警系统的设计,实现了开关柜自动化诊断过程,运用组态王与PLC进行通讯,由PLC采集数据,工控机设置报警,对报警的数据进行神经网络故障诊断,能添加新的样本故障类。整个系统具有实时性好、速度快、可靠性高、运行稳定、调节灵活等优点。

摘要：利用下位机PLC控制的传感器采集数据,所采集的数据经网络传入工控机,由组态监控软件实现各种监控功能。当组态监控语音报警模块启动时,系统采集报警数据进行模糊归一化处理并启动神经网络故障诊断模块快速训练和仿真,及时诊断报警故障。给出了系统的总体设计方案、组态监控通讯原理、神经网络故障诊断模型、该模型的工作流程及整个温度预警系统的工作流程。该系统设计经现场试验效果良好,对其它设备运行系统的设计也有很好的借鉴作用。

关键词：高压开关柜,温度预警系统,实时监控,模糊处理,神经网络,故障诊断

参考文献

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[2]Francisco Maturana,Raymond Staron,Ken Hall,et al.Agent Virtual Machine for Automation Controllers:Example Appli-cation:Shipboard Automation[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2008,24(5):616-624.

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[4]白凤娥,樊振国.S7-300 PLC分布式系统在锅炉监控中的应用[J].电气传动自动化,2008,30(4):45-47.

[5]李瑞先.组态王软件在监控系统中的应用[J].电气传动自动化,2006,28(5):49-51.

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高压开关柜设计 篇11

【关键词】智能；高压开关柜；硬件电路

【Abstract】It will be the first to achieve the distribution network control and played an important role in the protection of the Intelligent Switchgear.The main task of this design is to10kV high voltage switch cabinet intelligent study， the intelligent monitoring protection unit hardware circuit research and design， and software part puts forward reference design.

【Key words】Intelligent；Switchgear；Hardware；Circuit

高压开关柜是配电网络中不可缺少的重要环节，随着变电站综合自动化程度和供电可靠性的日益提高，对高压开关柜性能的要求也愈来愈高。尤其是变（配）电所在逐步实现无人值班时，对高压开关及高压开关柜运行状态的监视提出了更高的要求。近年来，传感技术、微电子技术、计算机技术、数字处理技术、网络通信技术的蓬勃发展及其在各工业领域的成功应用，使智能高压开关柜的开发和应用成为可能。智能高压开关柜，即是在传统高压开关柜上配置智能型保护、控制和监测单元，具有自检，自控，自我诊断，自我恢复、数字显示、高压开关状态显示、对外双向数据通信等功能。

1. 智能高压开关柜监测保护单元的设计方案

（1）实现高压开关柜的智能化，关键在于智能高压开关柜监控保护单元的设计。智能监控保护单元不仅要实现高压开关柜在系统中各项监测控制保护功能的智能化，而且还要重点实现对高压开关柜本体的各项性能的在线监测控制保护。另外为了满足用户和变电站整个智能监控系统的需要设置了数据通信功能。

（2）智能监控保护单元主要由电源模块、CPU模块、光电隔离交流采样模块、光电隔离开关采样模块、控制模块组成。其核心部分是Intel公司生产的16位单片机80C196KB，系统时钟由专用的时钟芯片提供。网络接口采用RS-485组成的串行接口网络。硬件系统结构图如图1所示。

2. 智能监控保护单元硬件电路设计

（1）智能高压开关柜的智能监控保护单元的按结构功能可以分为输入模块、中央控制模块、开关量输出模块、通信模块、人机交互模块。这些模块在功能上和电路结构上都相对独立，以便针对智能高压开关柜的具体要求，进行灵活的配置。下面就按功能模块的划分为主线，进行智能监控保护单元的硬件设计。

（2）中央控制模块设计：根据需要，选择多CPU结构，即选用三主要CPU结构来设计中央控制模块。CPU选用美国Intel公司生产的MCS系列单片机80C196KB。此系列单片机特别适用于各类自控系统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电极控制系统等。还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器等要求实时处理、实时控制的系统中。MCS系列单片机属于CHMOS工艺的第二代产品，数据/地址线均为16位。CHMOS芯片耗电少，除正常工作外还可处于2种节电方式：待机方式和掉电方式，进一步减少芯片的功耗。80C196KB系列CPU具备的外围设备除了8X86已包括的一些设备（如时钟发生器、内部A/D转换器、高速输入/输出、PWM等）外，还集成了先进的外设事务服务器PTS和事件处理器阵列。PTS是一种微代码硬件处理器，可以代替CPU高速实现诸如启动A/D转换并读取结果、读取HSI的FIFO、装载HS0、串行口的发送和接受等中断服务，从而大大减少系统响应中断的开销。鉴于80C196KB系列单片机的上述优点，选用它来处理本系统的数据采集、键盘和液晶显示、微机保护、电网监控等重要功能，以提高系统的实时性。通信任务用AT89C51这种常见的单片机来完成就可以了，既不影响系统的可靠性，也节省了投资。所以，本系统采用多CPU结构，大大提高了系统的实时性和可靠性。多CPU结构框图如图2所示。

（3）多CPU中央控制模块的工作原理：测量CPU正常情况下用于监控 （所要测量的模拟量包括电压、电流、频率、功率因数、母线温度、开关位置、有功功率、无功功率、电能等），并按一定的时间与保护CPU交换信息，以便监测保护CPU的工作状态是否正常；而保护CPU则正常情况下用于监测测量CPU是否正常工作外，一旦被控设备发生故障时，能够准确无误地对设备进行保护，只有当其中的一个CPU被监测到有错误后，才会立即代替其工作，同时通过通讯接口向远控主机发信号报错，从而完成对整个系统的监控与保护任务。测量CPU与保护CPU之间每隔一段时间通过双口RAM进行交换信息来判断对方状态是否正常。通信CPU主要用来完成向接受测量CPU的数据并传给上位机和接受上位机发的信息并把信息传递给保护CPU，完成通信任务。

3. 开关柜智能监控保护软件设计

3.1 模块化设计及任务调度分配。

（1）软件模块化设计对与智能高压开关柜的软件系统来说有诸多优点，要实现软件的模块化设计就不得不提软件的结构设计。软件的总体结构分为硬件驱动层、管理调度层、基础功能层和应用层。在智能高压开关柜的设计中，管理调度层是实现软件模块化设计的基础。管理调度层是一个实时多任务调度系统，负责基础功能中不同任务的进程调度，它的好坏直接影响到系统的软件功能能否顺利实现、实现是否高效、硬件资源是否充分利用等。一个好的调度系统，应该既能保证不同的任务对实时性的要求，又能保证各个任务能够可靠、安全地运行。

（2）实时多任务调度系统的完成由于是面向配电网络的50Hz谐波，主要是定间隔采样和计算问题，本设计每周波采样12点，即1.667ms采样一次，因此把采样任务作为最高级的任务，在中断中执行，以保证采样时间的精确性。其余内部任务以采样作为基本执行周期，分时进行。进入采样中断后，先对11个模拟量通道和地电平通道依次采样，并计算出模拟量的平方和。然后判断当前是第几点采样，根据不同的采样点执行一些周期性任务，如全周富氏滤波每采样6个点调用一次，时钟管理每2个点执行一次。为了减轻CPU的负担，应将这些任务分散在不同的采样间隔中运行，从而尽可能保证每次中断执行时间一致，否则某次中断时间过长，有可能导致下一次不能准时中断，给采样带来误差。在采样出口以后，由于距下一个采样时刻到来还有一段时间，在这段时间内调度外部任务，完成保护、计算、通信等任务。任务调度的总体框图如图3所示。

（3）为了进行任务的调度，在程序中设置了的状态字节Task Code，如图4所示。每个任务在该字节中占有一位标志，每位标志对应不同的优先级，最低位对应优先级最低的任务，最高位对应优先级最高的任务。

要进行任务间的切换，必须保留任务切换处原有程序的执行环境，因此，需要在每个任务的入口保存程序指针和状态字，这些需要保存的数据设计为结构的形式存放。

（4）当任务的执行条件满足后，任务就转化成就绪状态，并同时在任务状态字节寄存器中置相应的标志位；当任务执行完毕后，任务状态字节中相应的标志位被清除。每次采样中断后开始执行任务调度程序，调度时首先检查具备执行条件的任务的优先级，从最高级的任务开始调用执行，执行完毕后返回中断出口处，若此时无就绪的任务，直接退出，当任务执行完毕，清除任务状态位。

3.2 智能监控保护单元的软件设计。

软件上的模块化设计保证了智能监控保护单元保护任务的优先可靠执行，并能够在此基础上扩展许多监控及人机界面的软件，成为积木式的软件模式。智能监控保护单元的软件采用了模块化结构，每个模块完成不同的功能，整体结构较为清晰，添加功能也很方便。软件采用C语言和汇编语言混和编程方式编写。C语言结合了高级语言的基本结构和低级语言的高效性，很适合单片机的开发，可移植性很好：汇编语言具有高效性、直接面向硬件操作的优点。本装置中任务调度模块和部分与硬件关系密切的模块采用汇编语言开发，其他与用户关系密切的模块采用C语言编程。在软件的编制过程中，始终注意软件设计的基本要求：（1）易理解性、易维护性；（2）实时性；（3）可测试性；（4）准确性；（5）可靠性。主程序通过调用各子程序模块来实现.其中子程序包括：运算子程序、测量CPU交流采样子程序、保护子程序、液晶显示子程序、通信CPU串行口中断子程序、外部中断服务程序、三CPU通信程序等。

4. 总结与展望

在设计中，结合高压开关柜的现状和发展趋势，确定了设计方案和思路。中央控制模块采用三CPU结构，大大提高了测量、控制和保护的准确性、可靠性和实时性。在其他模块的设计上，充分利用这个优势，并考虑到社会经济条件，在选型方面侧重于性能的提升。利用现代传感技术，智能高压开关柜实现了合闸弹簧状态监测等重要监测功能。软件设计在实时多任务调度系统的基础上，实施模块化设计，对整体功能和局部功能的实现和扩展具备了可操作性。

参考文献

[1] 尤龙.智能化电器和智能化开关柜现状与发展[J]，西北电力技术，2003.4.

[2] 黄绍平等.智能化电器的设计[J]，电力系统自动化[J]，2002.12，第26卷23期.

[3] 金立军等.高压开关设备智能化发展综述[J]，电网技术，2002.1，26卷1期.

[4] 黄绍平等.智能型高压开关柜硬件系统设计[J]，湖南工程学院学报，2002.6，第12卷第2期.

[5] 闫钿等.高压开关柜微机测控系统[J]，电力自动化设备，2001.10，第21卷第10期.

[6] 黄绍平等.智能化电器测量与保护算法的研究[J]，湖南工程学院学报，2003.3，第13卷第1期.

[7] 冷旭东.新型10kV开关柜智能化在线监测装置[J]，电气时代，2002.9.

[8] 陈振生等.智能化高压电器温升的在线监测[J]，电工技术杂志，2002.5.

[9] 杨伟.智能开关电器中的多功能控制模块设计[J]，低压电器，2002.5.

高压开关柜设计 篇12

随着国家电网的快速发展和高压开关柜的广泛使用,高压开关柜事故也屡见不鲜。事故主要表现在绝缘事故、载流故障、机械事故、误动事故和拒动事故等[1,2,3,4],其中绝缘事故尤为突出。由于气体绝缘开关柜采用金属封闭结构,断路器、开关等元器件均密封在SF6气室内,因为SF6气体绝缘性能对电场均匀性的敏感性要远大于空气,所以,在开关柜设计时,必须充分考虑电场的均匀性,使极间及整个场域的电场分布尽可能均匀。本文采用比较简便实用的有限元分析软件Ansoft - Maxwell自带的参数化和目标优化设计功能。Ansoft公司的Maxwell是一个功能强大、结果精确、易于使用的电磁场有限元分析软件[5]。运用其强大的电场分析功能,对绝缘子的高低压端的口径、穿墙套管绝缘管体中部径向安装面板以及内六角螺丝沉头直径进行定性分析,进而实现对开关柜内部结构的优化设计,旨在使其内部电场分布尽可能均匀[6]。

1 高压开关柜电场计算理论基础

高压开关柜的电场计算是以有限元为理论基础的。所谓的有限单元法( Finite - Element Method) ,简称有限元法,是求解数值边值问题以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法[7,8]。在电磁场问题中,由于微分方程已知并且其微分方程可以通过对某个泛函的变分而得到。对于有多个自变量的函数φ( x,y,z) 的泛函T( φ) 来说,具有如下一般形式:

其数学依据是电场的拉普拉斯方程:

则在泛函极小的条件下,令δF = 0,可得如下尤拉方程。

将由静电场电位 φ( x,y,z) 构成的函数F及G,即:

带入式( 2) 式( 3) 可得:

上述三个式子分别是电磁场的泊松公式及第一类边界条件和第二类边界条件。可见它们与下面式( 10) 的泛函极值等价,即求电磁场的微分方程问题可化为求下述泛函求极小值的问题:

式中: φ为求解区域的电位。

用有限元技术,将式( 10) 由整体坐标转换到局部坐标,从而得到有限元方程:

求解式( 10) ,即可得到区域中的电位分布。

2 基于 Maxwell 高压开关柜的优化

2. 1 高压开关柜电场仿真及优化设计步骤

a) Ansoft - Maxwell 3D的电场仿真操作流程如图1。

b) Ansoft - Maxwell 3D的参数化和目标优化

Ansoft - Maxwell的优化设计由参数化分析( Paramet-ric Analysis) 和优化分析( Optimization) 两部分构成。使用优化器Optimetrics,用户可以从众多可行方案中找出一个最优解。

1) 参数化分析 ( Parametric Analysis) : 定义一个或多个扫描变量,并给每个扫描变量定义取值范围。优化器会在所有变量取值点进行计算,得到一系列的计算结果,这样用户就可以对结果进行比较,从而确定每个设计变量对最终设计性能的影响。流程如图2所示。

2) 目标优化 ( Target Optimization) : 先确定优化目标和成本函数,优化器通过优化设计参数值来满足优化目标要求。采用连续非线性规划的方法来进行优化。流程如图3所示。

2. 2 绝缘子电场仿真及优化设计结果

绝缘子作为断路器重要的支撑绝缘件,若沿面电场过大很容易发生沿面闪络[9]。由于均匀电场作用主要通过外表面来实现,故可简化其内部结构,将其简化为近似圆柱状,这样不会对周围装置的电场强度造成影响,对其自身外表面的电场强度影响也很小,适合作为电场分析模型,绝缘子实际结构如图4所示,简化模型如图5所示。高压端和低压端的直径范围均为30 mm ~ 80 mm,材料属性如表1所示,电场仿真结果如图6所示。

绝缘子经参数化分析在低压端为40 mm时,电场值E随高压端直径变化图中获得最优结果,如图7所示。

分析: 经参数化分析,绝缘子在低压端直径为40 mm时,当高压端 直径为60mm,获得最小 的电场值1 569. 619 V/m。

绝缘子目标优化的最优结果如图8所示,在迭代至第30代得到最优值。

分析: 在非线性规划迭代第30代,绝缘子的低压端直径为40. 01 mm、高压端直径为63. 44 mm时,获得最小的电场值1 549. 6 V/m。对比参数化结果和优化设计结果,两者优化数据相近。

2. 3 穿墙套管电场仿真及优化设计结果

穿墙套管也是非常重要的支撑绝缘件,其结构如图9所示,内部需要穿过高压铜导体,外边缘的电位为0。因此其电场分布情况比较恶劣,穿墙套管具有近似轴对称结构,工作条件也近似轴对称。忽略螺丝孔和导体弧度,将模型简化为4个圆柱嵌套,上下两端是长方体,外围为正六面体,简化如图10所示。穿墙套管中部径向导体的安装直径范围130 mm ~ 180 mm。电场仿真结果如图11所示,材料属性如表2所示。

参数化分析的最优结果如图12所示。

分析: 经参数化分析,在穿墙套管的中部径向直径为175 mm时,取得最优值,此时最小电场值5 585. 343 V / m。

目标优化的最优结果如图13所示,在第42代得到最优值。

分析: 在非线性规划迭代第30代,穿墙套管的中部径向直径为177. 41 mm时,取得最优值,此时最小电场值5 533. 4V / m。对比参数化结果和优化设计结果,两者优化数据相近。

2. 4 螺丝电场仿真及优化设计结果

螺丝的分布非常广泛,绝缘子附近所使用的内六角螺丝圆角较小,本节将对其电场强度进行分析。绝缘子附近的螺丝结构如图14所示。因屏蔽作用,故螺丝内部将不再进行分析,主要分析表面电场强度。螺丝的材料为铜合金,根据内六角螺丝的规格表,将螺丝型号M3 - M6简化为模型1如15图所示。内六角直径范围为2. 5 mm ~5. 2 mm,将螺丝型号M8 - M30简化为模型2如图16所示,内六角直径范围为6 mm ~ 23 mm。电场仿真模型如图17和图18所示。

螺丝型号M3 - M6的简化模型1经参数化分析的最优结果如图19所示:

分析: 经参数化分析,对于简化模型1来说,在螺丝内部直径为3.75 mm时取得最优值,此时最小的电场值3. 11 e - 9V / m。

螺丝型号M3 - M6的简化模型1目标优化的最优结果如图20所示,在第20代得到最优值。

分析: 在非线性规划迭代第20代,对于简化模型1来说,螺丝内部直径为3. 04 mm时,取得最优值,此时最小电场值1. 72e - 9 V/m。对比参数化结果和优化设计结果,两者优化数据相近。

螺丝型号M8 - M36的简化模型2经参数化分析的最优结果如图21所示:

分析: 经参数化分析,对于简化模型2来说,在螺丝内部直径为22. 5 mm时取得最优值,此时最小的电场值3. 13e - 10 V / m。

螺丝型号M8 - M36的简化模型2目标优化的最优结果如图22所示,在第6代得到最优值。

分析: 在非线性规划迭代第6代,对于简化模型2来说,螺丝内部直径为22. 79 mm时,取得最优值,此时最小电场值2. 31e - 10 V/m。对比参数化结果和优化设计结果,两者优化数据相近。

3 结语

通过分析高压开关柜内部结构的电场分布,利用An-soft - Maxwel自带的两种优化方法对其结构进行优化旨在得其使电场分布最均匀,经过分析,得出以下结论: