一二次融合成套柱上开关设备的技术特点与应用
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摘 要：配电自动化作为电力系统中的末端环节，其可靠性直接关系到终端用户的用电质量。近些年，随着我国电力设备不断的升级改造，配电自动化技术的快速更新，智能化产品也逐渐得到普及，但同时也暴露出各种各样的问题。介绍了我国10kV线路配网自动化应用现状，阐述了一二次融合成套设备的发展背景和建设目标，对一二次融合成套柱上开关的系列关键技术问题进行了详细分析，同时说明了一二次融合成套柱上开关设备的应用趋势，肯定了其作用成效，并给出了发展方向。
关键词：一二次融合;柱上开关;电流;零序电压;馈线终端
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.152
0 引言
近些年，國内各电网公司纷纷在多个城市开展了配网自动化建设，如国家电网、南方电网、地方电力、油田、兵团等等，并且出现了繁荣式的发展。控制设备由早期的就地式故障处理，发展到现在的基于网络式的远方故障隔离。在运行监控、故障处理、信息交互、通讯网络等方面取得了很大的发展，为配电系统调度和运维提供了极大的帮助。我国配电线路在倒闸操作时间、非故障区恢复供电时间以及故障处理时间得到了极大的缩短，保障了供电要求。但随着大规模的配电自动化终端的使用，对我国电网的调度和运维管理提出了很高的挑战。为此，一次设备和二次设备如何有效的管理和运用成为今后配电网发展的一个重要趋势。
1 一二次融合发展背景
以西门子、ABB、施耐德、日本东芝等为代表的电气巨头公司，早在二三十年前就将一二次设备进行融合，并应用于不同的配电开关。例如，施耐德利用最新的传感器和物联网技术，对配电设备进行全新设计，开发出了新一代的智能配电开关。其它国外的一些电气设备制造厂商有的沿用传统的一二次设备分别设计和制造的方式，在后期需要升级的时候，将传统的互感器、测控装置集成到柱上开关箱体内，实现一二次设备的简单物理上的融合。早些年，我国经济和技术水平相比国外较为落后，导致生产出的电力设备性能和配置较低。近些年，随着一带一路的牵动、工业不断扩张、城镇和社会主义新农村的不断改造建设，用电负荷也随之快速增长，电能质量也要求越来越高，我国配电线路也暴露出了很多问题。例如，（1）配电设备标准规范不统一，出现了很多五花八门的设备，导致互换性较差，资源得不到合理的利用;（2）系统结构设计缺乏全方面的考虑，在一些陈旧的线路上装配先进的馈线终端，从而出现一次设备与二次设备不兼容、主站与馈线终端功能不匹配以及通讯容量不足等问题;（3）供电质量差。前些年建设的配电线路，一次线路导电线截面参差不齐，并且缺乏很好的维护，线损损耗较大。据统计，我国有些地区电网损耗在15%～20%，严重的地区达到30%左右，存在着大量的能源浪费[1]。
2 一二次融合建设目标
2.1 成套阶段
该阶段主要工作为将一次柱上开关、二次馈线终端、常规取电PT通过电缆相互连接组合而成，电缆两头采用标准航空插接件。柱上开关与馈线终端通过电缆连接，并将测量、计量、控制信号进行交互，完成一二次设备的初步融合。其主要目标是实现一二次设备连接接口标化准统一以及成套设备的采购和联调检测，并实现线损采集、就地FA、单相接地故障处理。实现一次和二次设备采用一体化的设计理念，满足不同设备厂家之间相互更换以及即插即用的使用原则。
2.2 融合阶段
该阶段的总体工作是与一二次设备一体化设计同步开展，将一次开关设备、电子式传感器、二次馈线终端、取电PT进行深度融合，实现“一体化、小型化、通用化、智能化、经济性”。该阶段目标为实现设备高度融合，实现分段线损检测、就地FA、单相接地故障处理、装置通用、就地互换、即插即用，解决成套设备间绝缘配合、电磁干扰、精度匹配等问题。
3 一二次融合关键技术
3.1 标准航空插接件
3.1.1 柱上开关侧
开关本体采用1个26芯航空插头将电流、零序电压、控制和状态等信号引出，并接入馈线终端的航空插头，26芯航空插头的规格大小以及各针脚定义采用标准化设计。
3.1.2 馈线终端
馈线终端的航空插接件包括14芯和6芯航插以及6芯防开路航插各1只，并配以太网接口1个。14芯航插用于传输控制信号、开关状态信号以及零序电压信号;6芯防开路航插用于传输三相电流和零序电流信号;6芯电源航插用于传输电压互感器提供的电源和测量电压信号，航空插头的规格大小以及各针脚定义采用标准化化设计。
3.2 电流信号
通常，通过电磁式电流互感和电子式电流传感器两种方式来获取电流信号。电子式传感器实现方式主要有空心线圈和LPCT线圈两种，输出信号为模拟电压信号或数字信号，而不是传统的电流信号。空心线圈式的电流互感器无铁芯、不存在铁芯饱和，无二次开路危险、过电流能力强，但制造工艺较难，小电流线性度较差，需二次补偿。带铁芯的LPCT线圈存在铁芯饱和现象，精度可以做到10P20，但它存在非线性变换，工艺实现简单，但开口电压高，有开路等危险，频带范围不如空心线圈宽，它们要求负载阻抗都不小于20kΩ。而电磁式电流互感器一次匝数少，二次匝数多，内阻较大，二次带载能力不强且不能开路。正常工作时负荷电流较小，磁通密度低，而短路故障时电流较大铁芯磁通存在饱和现象[2]。
3.3 零序电压
零序电压的获取方式一般有两种，三相五柱式电压互感器和电子式电压传感器。三相五柱式互感器存在很多弊端：（1）生产成本较高，价格昂贵;（2）不能通过检测线路的绝缘电阻实现线路的绝缘诊断和故障点查找;（3）系统杂散电流较多，当出现单相接地故障时，会引起馈线终端的误动作或者不动作。电子式电压传感器常见有电阻分压型和电容分压型两种。电阻分压型也有其缺陷：（1）会在系统中产生杂散电流;（2）与柱上开关成套组合时，会降低对地绝缘阻抗;（3）电阻元件工作时容易热积累，产生时漂和温漂，长期使用可能造成外绝缘层裂化;（4）精度受外界环境影响较大。 由于日本陶瓷电容技术相对成熟，故障率较低，日本电网公司更青睐使用电容式传感器，且它本身与对地的容性特性一致，不影响单相接地的判断，即使出现故障，对系统及设备的影响程度相对较低。国网公司经过以下几点考虑最终采用电容分压式传感器：（1）日本很早就制定了电容式电压传感器的国家标准;（2）可以将高压侧和低压侧进行隔离，避免高压进入馈线终端，造成终端烧毁和人身事故;（3）电容分压传感器带载能力和抗干擾能力强;（4）国内外已经有很多成熟的应用案例，例如国外日本和韩国，国内许继和平高等等。
3.4 馈线终端
馈线终端较早期的方案做了功能性和配置方面的提升，并增加了线损采集功能，线损模块内置于馈线终端中，支持热插拔，并采集电源电压、相电流、频率、零序电流以及零序电压，实现正反方向有功电量计量和四象限无功电量计量，功率因数计算。故障录波支持数据循环至少64组，录波内容包含故障发生时刻前不少于4个周波和故障发生时刻后不少于8个周波的波形数据，录波点数为128点/周波[3]。
支持软件的硬加密和软加密功能，基于内嵌安全芯片实现信息安全防护功能，支持SM1加密和解密，算法的签名和验签功能，与配电主站实行双向身份认证[4]。除具备常规二遥功能外，还满足就地FA功能（电压时间型、电压电流时间型、自适应综合型），具备不同中性点接地方式下的接地故障的定位与隔离功能。
3.5 柱上开关
柱上开关可分为柱上断路器和柱上负荷开关，按线路实际应用功能可分为分段、联络和分界开关。目前常用的开关主要采用真空灭弧和SF6气体灭弧两种方式。真空灭弧具有结构简单、开断能力强、电弧不外露、无爆炸危险、寿命高等优点。目前一二次融合成套断路器设备采用的是LW3-12型六氟化硫断路器，它具有断口距离大、燃弧时间短、开断容性和感性电流无重燃等优点，并且过电压低，无截流值。但SF6气体在空气中难以分解，具有不环保和断路器易爆炸的风险。因此，国网旗下各公司正在联手开发其它类型开关。
4 结语
随着一二次融合的不断推进，也克服了不少问题，例如电压传感器的绝缘电阻、电流互感器的二次功率和电阻、开关整体的局放、二次信号的屏蔽以及成套设备的联调试验等等，但目前还有很多新的方向有待研究：（1）三相共箱式真空断路器采用内置隔离断口，隔离断口与真空断口联动，这样可以避免感应电压的问题，此方案可以在FZW28A-12型负荷开关上进行改进，采用弹簧操动机构，并进行型式试验验证;（2）三相支柱式真空断路器内置电子式电流互感器和电子式电压传感器，此方案以ZW32-12型断路器为模型，将真空灭弧室、电流互感器、电压传感器整体浇筑在一起，实现小型化，免维护等特点;（3）电容取电替代电磁式电压互感器，满足各种馈线终端的供电和开关驱动的要求。相信随着技术的发展和各行各业齐心的努力，将最终实现一二次成套设备的理想融合。
参考文献：
[1]张平.我国配电网的现状及发展趋势[J].山东工业技术，2017（23）.
[2]王振岳.陈伟，鹿海成，孙虎云，电阻式与电磁式互感器的比较及在智能电网中的应用[J].华电技术，2012（02）.
[3]梁洪浩.供电企业计量自动化一体化平台的设计与建设[D].上海交通大学硕士论文，2007.
[4]邓吉祥.配电一二次融合成套设备FTU设计方案[J].通讯电源技术，2018（11）.
作者简介：漆志平（1985-），男，湖北人，硕士，中级，主要研究方向：10-35kV断路器以及智能控制技术。
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