CN102510007A - 智能中压开关柜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中压开关柜。所要解决的技术问题是提供的开关柜应可实时监测开关柜运行状况,具有监测数据准确、巡检工作效率高的特点,以保证开关柜安全可靠运行。技术方案是:智能中压开关柜,包括柜体、安装在柜体内的铜母线、触头盒、断路器以及与网络连通的控制系统;其特征在于柜体内还分别安装有用于检测铜母线温度的测温组件、用于检测断路器机械特性的位移组件、用于检测绝缘件泄漏电流的引流组件;所述测温组件、位移组件以及引流组件分别通过数据线接入控制系统以将测得的数据上传,进而实现对开关柜运行状况的实时监测以及与有关系统的无缝对接。

Description

智能中压开关柜技术领域[0001] 本发明涉及一种输电系统中的金属封闭开关设备和控制设备,具体是中压开关柜。背景技术[0002] 中压开关柜是输电系统中的一种重要电气设备,外部电流经过导线先进入柜内主控开关,然后进入分控开关与各分路接通;各分路需要设置仪表、控制与保护组件、监测组件、各种交流断路器等控制元器件,对电路进行控制、保护、测量、计量、监测等。[0003] 随着使用时间的增长,开关柜的运行状态会逐渐恶化,各种故障苗头会逐步显现; 例如开关柜内部的导电连接处会因为电磨损、机械振动以及设备制造过程中的隐藏缺陷导致接触条件恶化,引起接触点温度升高,而温度升高会进一步加剧接触表面的氧化,形成恶性循环,直至绝缘损坏,最终形成电弧放电,导致设备事故。柜内绝缘件由于长期处于高电压、强电磁场环境,也会导致绝缘老化、表面积尘,最终使绝缘性能下降引发事故。断路器由于处在运行状态长期不动作,致使操动机构运动部件润滑功能下降,机械特性发生变化,对开断和关合正常电流或故障电流的能力产生影响,严重时将引发事故。[0004] 根据电力系统对事故的统计分析,中压开关柜的故障主要表现为机械故障、绝缘故障和发热故障。[0005] 通常预防事故的方式都建立在检修人员对设备的巡检基础上;不仅耗费大量人力,也不能及时发现故障;而且由于开关柜的数量巨大,实地巡检的工作效率太低,难以确保输电系统的安全正常运行。发明内容[0006] 本发明的目的是克服上述背景技术中的不足,提供一种开关柜的改进,该开关柜应可实时监测开关柜运行状况,具有监测数据准确、巡检工作效率高的特点,以保证开关柜安全可靠运行。[0007] 本发明采用的技术方案是:智能中压开关柜,包括柜体、安装在柜体内的铜母线、 触头盒、断路器以及与网络连通的控制系统;其特征在于柜体内还分别安装有用于检测铜母线温度的测温组件、用于检测断路器机械特性的位移组件、用于检测绝缘件泄漏电流的引流组件;所述测温组件、位移组件以及引流组件分别通过数据线接入控制系统以将测得的数据上传,进而实现对开关柜运行状况的实时监测以及与有关系统的无缝对接。[0008] 所述测温组件包括具有屏蔽作用的不锈钢金属外壳、固定在该金属外壳内的红外传感器以及连接该传感器的屏蔽引出线,所述金属外壳上还制有一汇聚该红外传感器红外光的开孔尼龙屏蔽筒。[0009] 所述测温组件分别设置在母线室内触头盒安装孔的上方、电缆室内触头盒安装孔的下方,并且每个红外传感器分别监测一个铜母线,红外传感器中的尼龙屏蔽筒的开孔对准铜母线的平面。[0010] 所述红外传感器与母线直线距离为130-180mm。[0011] 所述引流组件包括在触头盒绝缘套管上环绕制作一圈的凹槽、嵌入该凹槽内的引流环以及从引流环引出的屏蔽线。[0012] 所述凹槽深0. 5-1. 5讓,宽3-7mm。[0013] 所述位移组件包括角位移传感器、将该传感器固定在断路器主轴端面的连接器以及将传感器数据引出的屏蔽线。[0014] 所述连接器的一端制有固定角位移传感器的螺钉结构;另一端制成可与断路器主轴端面螺孔配合的螺杆,并配有固定螺母。[0015] 本发明的有益效果是:能够在不影响主回路原有功能、结构及正常检修维护的前提下;(1)能够在线监测开关柜中绝缘件泄漏电流;(2)能够在线监测开关柜中母线电连接处温度;(3)能够在线监测开关机械特性曲线和参数;(4)能够在线监测开关量(分合间状态、手车位置等);配置与网络连通的控制系统后,还具有智能诊断、历史数据存储、故障报警功能;整柜具备完善的保护、控制、测量、计量、状态监测、通讯功能、状态检修辅助决策功能。[0016] 另外,本发明的控制系统配有遵循IEC 61850标准的通信接口,使智能开关柜与后台监测系统之间形成统一的通讯协议,可实现输出数据与变电站综合自动化系统 IEC61850协议的无缝对接,以及与电力公司的输变电设备状态检修辅助决策系统无缝对接。附图说明[0017] 图1是本发明的主视结构示意图。[0018] 图2是本发明的左视结构示意图。[0019] 图3是本发明中的测温组件金属外壳的立体结构放大示意图之一。[0020] 图4是本发明中的测温组件金属外壳的立体结构放大示意图之二。[0021] 图5是本发明中的位移组件的安装结构放大示意图。[0022] 图6是本发明中的引流组件的安装结构放大示意图。具体实施方式[0023] 本发明所称的智能开关柜是指具有感知、判断、执行功能的开关柜; 感知:在线监测实现了实时监测功能即感知;判断:在线监测数据后,进行诊断,与预先设定的数值进行比对,判断是否正常,若异常则报警。报警后在后台或变电站综合自动化系统发出相关下一步执行的指令。[0024] 执行:采用微机来执行。[0025] 以上功能主要依靠两大部分完成;一是用于监测各类数据信号的监测部分(感知);二是对监测获得的数据信号进行判断、执行的控制系统。由于控制系统为常规技术,因而本发明主要是对监测部分进行研究攻关。[0026] 智能中压开关柜,包括柜体、安装在柜体1内的铜母线6、断路器、触头盒以及与网络连通的控制系统;柜体内还分别安装有用于检测铜母线温度的测温组件、用于检测断路器机械特性的位移组件、用于检测绝缘件泄漏电流的引流组件;所述测温组件、位移组件以及引流组件分别通过数据线接入控制系统,然后将测得的数据上传,进而实现对开关柜运行状况的实时测量监测以及与变电站综合自动化系统IEC61850协议的无缝对接,以及与电力公司的输变电设备状态检修辅助决策系统无缝对接。[0027] 本发明中的控制系统(包括微机及其配套的温度测量模块、泄漏电流测量模块、机械特性测量模块)可直接外购。而传感器组件(包括测温组件、位移组件以及引流组件)用于各类数据的取样,既要考虑各种传感器的安装不能影响开关柜原有的电气性能和机械性能,又要保证整个装置在监测开关柜各种运行状态包括故障情况下的准确性和可靠性。传感器组件包含很多的电子元件,最怕强电场和强磁场的干扰,而开关柜在实际运行中恰恰是高电压、大电流的环境,有很强的电场和磁场,所以各种传感器在开关柜中的安装方式和屏蔽措施是关键问题。[0028] 本发明针对上述问题采取了以下措施: 一、设置在线监测绝缘件泄漏电流的引流组件表征绝缘特性的有很多参量,比如介质损耗角正切、局部放电、泄漏电流等,但从经济性和实际实施的可行性考虑,目前在中压开关柜上有实际使用价值的是检测绝缘件的泄漏电流,该方法具有硬件成本低,数据准确可靠,现场施工简单等优点,既可以在老变电站设备上实施改造也可以在新设备上配置。[0029] 在监测绝缘件泄露电流的过程中,需要对绝缘件的底部安装引流环,引出泄露电流信号。在安装引流环的过程中,不能减小一次母线与接地柜架的电气间隙及绝缘件本身的爬电距离。为了方便泄漏电流的引出,还需在绝缘件的相应位置安装引线端子。智能开关柜中触头盒内有动静触头的连接,电场分布复杂,所以触头盒是关键的绝缘件,需要对触头盒5泄漏电流进行监测,为方便检测,母排室中的3个触头盒以及电缆室内的3个触头盒中,在每个触头盒的绝缘套管上,靠近不锈钢安装板1-1附近3-8mm (推荐5mm)位置处开了一圈深Imm宽5mm的凹槽,凹槽中嵌入一引流环11 (可用导电橡胶或金属条制成),并采用一固定螺钉12连接传输用的屏蔽线以引出信号(如图6所示)(该信号通常接入小电流互感器高低电位隔离放大后进入处理器的A/D);该方法具有较高的检测灵敏度和抗干扰能力。[0030] 通过实验室模拟现场污秽试验,在清洁状态下绝缘套管表面的泄漏电流非常小, 在潮湿和污秽情况下,绝缘套管表面的绝缘状况会明显劣化,泄漏电流大幅增加。在单相接地且套管上有严重污秽的情况下,绝缘套管泄漏电流约为40 μ A。根据这些试验结果,可以设定12 kV断路器在线监测系统的一级绝缘劣化阈值为50 μ A (此阈值考虑了大电流引起的电磁干扰,留有10 μ A裕量),超过这个阈值提供报警功能。如果泄漏电流值明显超过 50 μ Α,说明环氧绝缘套管绝缘性能有失效的危险,电器设备必须立即停电检修。可以设定二级绝缘劣化报警阈值为100 μΑ,既考虑了实验结果,也留有足够裕量以防止因电磁干扰导致系统误动作。[0031 ] 二、安装了在线监测母线发热温度的测温组件实时温度在线监测是预防这类事故发生的重要手段,但长期以来因为开关柜内空间狭小、运行电位高等原因安装普通温度传感器难以保证绝缘距离,同时传感器若使用电池供电存在定期停机更换的缺点,而采用外部供电则电源的绝缘处理困难。目前比较理想的测温方式是基于红外辐射的非接触式测温,该方式要克服两个技术难点,第一是测温探头的安装位置选择,必须对现有的绝缘结构不构成影响,第二是对红外测温结果的准确修正,以避免测试环境、距离系数、辐射率、工作波长、瞬时视场角对测量正确性的影响。[0032] 测温组件的安装位置选择可见图1 ;断路器手车的动静触头结合位置是热故障的多发位置,容易出现由于触头弹簧抱紧力减小、啮合尺寸偏差、及大电流运行氧化等原因导致的发热。因为该位置有绝缘触头盒包覆,无法直接测量,因此测温点选择了触头盒出口处的铜母线,该位置距离实际接触点较近,温差较小,易于通过软件补偿还原实际温度。[0033] 采用红外传感器测温时,既要保证测温探头与高压带电母线间保持足够的电气绝缘距离,使得一次回路离地之间> 125mm ;同时又要防止电磁干扰保证测量准确性和可靠性。经过计算和实验验证,红外传感器与铜母线直线距离为130-180mm (150mm左右为最佳),本方案在母线室A内触头盒5安装孔的上方、电缆室B内触头盒安装孔的下方分别设置3个测温组件7 (图1中,母线室中的3个触头盒以及3个测温组件分别重叠;电缆室内的3个触头盒以及3个测温组件也分别重叠),每个测温组件的红外传感器对准一个铜母排 6 ;为防电磁干扰,红外传感器封闭在一个不锈钢的外壳7-1内起到屏蔽作用,并采用一个开孔尼龙屏蔽筒7-2 (该屏蔽筒为定制加工)汇聚红外光(还可在孔口处卡嵌一红外玻璃进行隔离),以保证原有的防护等级,对原柜的绝缘也没有任何影响;引出线采用屏蔽电缆线 (图3、图4中,外壳上还制有导出屏蔽电缆线的开孔7-3 ;外壳底板7-5上的开孔用于螺钉固定)。此外,也可在电缆室内大弯板下方的G点位置分别安装3个测温组件,对准电缆室内的3个铜母排进行监测。[0034] 通过预埋热电偶并通以1250A电流模拟温升试验,该方式的测温精度在士 1K,完全满足状态监控的要求。[0035] 测温组件中的红外传感器选用MLX90614新型高精度测温传感器,其优点是: 1)非接触式的红外测温方法,可有效实现在线监测的高低电位有效隔离。[0036] 2)传感器的输出为数字信号,且自身集成了相应的数字滤波器和存储器,数字信号的传输具有很强的抗电磁干扰性能。[0037] 3)该温度传感器体积小,安装方便,抗干扰能力强。[0038] 4)在保证测温准确度的要求下,传感器前端探头离母线距离可达150mm,完全满足开关柜电气绝缘距离的要求。[0039] 5 )温度传感器寿命可达10年。[0040] 三、配置了在线监测开关机械特性的位移组件断路器最严重的机械故障是拒动和误动。引起此类故障的主要原因有两个:一是操动机构及传动系统的机械失效;另一个是电气控制和辅助回路的故障。针对这两方面的原因, 并结合目前的技术水平和产品成本等因素,对中压真空断路器的机械特性作以下两方面的检测:①断路器触头行程-时间特性曲线的检测,由该曲线计算出平均分合闸速度、最大分合闸速度、动触头行程、固有分合闸时间等参量;②分合闸脱扣线圈回路电流的检测,记录下整个分合闸过程中线圈电流波形,从分析线圈电流的变化可以诊断断路器机械故障的趋势,同时也可以得到固有分合闸时间等参数。触头行程-时间特性是断路器工作状态的重要表征,行程测量的基本要求是既不能影响机构原有的机械特性和绝缘性能,又要真实的反映触头行程随时间的变化。此外,传感器还要便于安装,即监测系统的适应性要强,这就要求选用的传感器体积不能太大,并且线性度和灵敏度要尽可能高。传统的直线位移传感器由于尺寸的限制均难以在实际中使用。同时,由于在线情况下动触头处于高电位,对监测系统的隔离措施要求很高,使得直接测量动触头的行程曲线非常困难。考虑到真空断路器在分合间过程中,动触头的行程与主轴转动角度之间有一定的对应关系,因此测得主轴的角位移曲线,即可间接得到动触头的直线位移曲线。断路器室D中,断路器9 (真空断路器)的主轴处于地电位,远离高压部分,不存在高电位隔离的问题,而且一般情况下主轴附近的可用空间很大,能够方便地安装角位移传感器,这种间接测量的方式对多种型号的真空断路器都适用。主轴的角位移与触头直线位移的关系通过大量的离线试验来确定,并制作出角位移-直线位移表格,供程序查表时使用。进一步计算即可得到各速度和分合闸时间等参量。本发明选用WDD35D系列精密导电塑料电位器作为角位移传感器,具有体积小、 便于安装;与断路器主轴同轴;角位移传感器本身阻尼很小,不影响断路器原有性能或结构等优点。[0041] 角位移传感器应紧固于断路器操动机构的某一合适位置,确保不影响操作机构的机械运动并便于维护。目前IOkV真空断路器普遍采用固封极柱式真空断路器,在断路器操动机构的主轴(图1中该主轴为轴向布置)两端有内螺纹孔,角位移传感器10可通过一个连接器15与断路器主轴20固定连接;该连接器15的一端是用于固定角位移传感器的螺钉结构(配有螺钉15-1的固定孔,角位移传感器的固定杆10-1插入固定孔后再用螺钉固定);另一端制成可与断路器主轴端面螺孔配合的螺杆15-1,并配有固定螺母15-2 (如图5所示)。[0042] 该结构的优点是:1、角位移传感器体积小,线性度好,便于安装;2、与断路器主轴同轴,刚性连接,真实反映主轴转动状态;3、角位移传感器本身阻尼很小,不影响断路器原有性能或结构。[0043] 通过采取以上措施,各种传感器的安装和屏蔽在本发明所述的智能开关柜得到很好的解决,还通过了国家电磁兼容性试验(EMC) 4级标准的验证。而且,所述的智能开关柜的控制系统具有遵循IEC 61850标准的通信接口,使智能开关柜与后台监测系统之间形成统一的通讯协议,可接入电力公司的输变电设备状态检修辅助决策系统,既可实现实时监测开关柜运行状况,又可基于开关柜运行监测量实现开关柜状态评估,对实现开关柜变“定期维修”为“状态维修”并及早发现故障苗头,防患于未然具有重要意义。

Claims (8)

1.智能中压开关柜,包括柜体(1)、安装在柜体内的铜母线(6)、触头盒(5)、断路器(9) 以及与网络连通的控制系统;其特征在于柜体内还分别安装有用于检测铜母线温度的测温组件、用于检测断路器机械特性的位移组件、用于检测绝缘件泄漏电流的引流组件;所述测温组件、位移组件以及引流组件分别通过数据线接入控制系统以将测得的数据上传,进而实现对开关柜运行状况的实时测量监测以及与有关系统的无缝对接。
2.根据权利要求1所述的智能中压开关柜,其特征在于所述测温组件包括具有屏蔽作用的不锈钢金属外壳(7-1)、固定在该金属外壳内的红外传感器以及连接该传感器的屏蔽引出线,所述金属外壳上还制有一汇聚该红外传感器红外光的开孔尼龙屏蔽筒(7-2)。
3.根据权利要求2所述的智能中压开关柜,其特征在于所述测温组件分别设置在母线室内触头盒安装孔的上方、电缆室内触头盒安装孔的下方,并且每个红外传感器分别监测一个铜母线,红外传感器中的尼龙屏蔽筒的开孔对准铜母线的平面。
4.根据权利要求3所述的智能中压开关柜,其特征在于所述红外传感器与母线直线距离为 130-180mm。
5.根据权利要求4所述的智能中压开关柜,其特征在于所述引流组件包括在触头盒绝缘套管上环绕制作一圈的凹槽、嵌入该凹槽内的引流环(11)以及从引流环引出的屏蔽线。
6.根据权利要求5所述的智能中压开关柜,其特征在于所述凹槽深0. 5-1. 5mm,宽 3_7mm0
7.根据权利要求6所述的智能中压开关柜,其特征在于所述位移组件包括角位移传感器(10)、将该传感器固定在断路器主轴端面的连接器(15)以及将传感器数据引出的屏蔽线。
8.根据权利要求7所述的智能中压开关柜,其特征在于所述连接器(15)的一端制有固定角位移传感器的螺钉结构;另一端制成可与断路器主轴端面螺孔配合的螺杆(15-1),并配有固定螺母(15-2)。
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