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                自动化、智能化配电开关
                来源:  作者:本站
                摘要:城乡配电自动ぷ化、智能化是城乡配电发展方向。文章介绍了城乡配电网一次接线、自动化控制模式,及国外智能化真空断路器、智能化GIS与智能化开关柜产品。还叙述了城乡配电自动化对配电开关的要求。关键词:配网自动化██:一次接线,控制模式;配电开关;智能化中图分〗类号:TM715文献标识码:B1概述从1949年至1996年,我国发电设备和高压输变电设备制造工业取得了巨大』成就,我国「累计生产发电设备203560MW,变压器210903万KVA;至1998年底为止,中国发电设备々装机容量为2.7亿kW,一举跃为世界第一位。现在,用电紧张已彻底缓解,开始出现电量供应大于需要。90年代以来,城乡电网的供电能力和质量安全进一步提高。目前全国各省会城市和沿海大城市先后建⌒ 立了220kV超高压外环网或双环网,进一步简化了输电电压等级,且有一批城市220kV或110kV高压变电所深入市区;城乡☆电网结构模式和变、配电所接主接线进一步合理;城市地下电缆进一步增加,装置■小型和综合自动化使电网可靠性提高。但是还存在如下问题。1.1城乡电网负荷增长随着经济发展,人们物质文化生活的不断提高,他们除对电能▽需求量成倍增长,也要求高的供电质量及高的供电可靠性。现代化工业、现代化服务设备也不允许连续停电。如1995~1996年,许多城市夏季持续高温,从而高峰负荷比上一年增长16%~25%。1.2城乡电网建设滞后由于我国电力建设〗长期以来的“重发、轻供、不管用”。电源与电网投入比例失调,从下表可看出这样致使配电网设施落后,城乡居民供电线路损耗高、电费高、电压跌落大,且供电极不可靠。例1994年夏季气温偏高,全国有许多城市发生配电网过负荷,甚至烧毁变♂压器。1.3城乡电网技术落后,一次、二次设备陈旧由于电网■技术落后、设备陈旧,因此供电可靠性差。例△如我国某电力工业局1990年配电网可靠∮性为:供电可靠性是99.75%,用户平均停电是22.11h/(户、年)。而发达国家用户供电可靠性是4个“9”以上,即平均每年每户仅停电几十分钟。这些引起党中央、国务院领导高度重视,决定于1998年~2000年三年时间投▂资近2600亿,(其中城网ㄨ建议对象为280个城市,总投资1200亿;农网建议对象为2400个县,总投资1400亿),对城乡电网进行大规模改造,尤其是改造配电网,逐步实现配电自动化,使电能合理分配。城网建设改造的技术指标是:全国平】均电压合格率≥95%;全国平均供电可靠性达到≥99.8%;全国线损率≤7.8%;全国110kV及以下的“无人值班”变电站々达到70%以上。自1998年8月国家投资城网建设与改造以来,中、低压配电网改造取得了显著成绩,但是在供电可靠性、自动化技术方面,与欧、日美等发达国家尚有很大差距;另外改造面尚未铺开,离实现配电自动化目标甚远。现在国家机◥械工业局规划发展司、国家电力公司上级领导及时提出了我国21世纪城市中ぷ、低压配电网发展方向,如营建“N—1”的供电网,建设数字化配电网,选用高可靠免维护的智█能化电器设备等,以满足城市现代化,乡镇现代化发展需求。2配网自动化2.1内容配电管理系统—DMS系统(即DistributionManagementSystem简称DMS)是变电、配电和用电过程的监视、控制和管理的综合自动化系统的统◥◥称,它即含有对整个配电系统进行实时监控的SCADA(SupervisaryControlAndDataAcquisition)系统,也包括—些其它控制和△管理系统,如负荷管理LM(LoadManagement)、自动绘图AM(Auto—matedMapping)、设备管理FM(FacilitiesManagement)和地理信息系统GIS(GeogrphicInformationSystem)等。配电自动化DA(DistributionAutomation)是配电管理系统DSM(DistributionManagement)最主要的内容。图1示出了配电自动化和管理自动化︻系统的内容。配电SCADA系统包括进线监视,开闭所、配电变电站自动化(SubstationAutomation—SA),馈电自动化(FeederAutomation—FA)及变压器巡检、无功补偿。概括地讲:配电自动化是在实时方式下,在当地或在远方对配电网进行数据采集、控制、调节和故障定位技术。2.2一次接线a.辐射供电∮模式(图2)图1配电自动化内容图2辐射供电■模式这种接线方式适用于城市架空、非重要用户、效区及√农村。b.双电源双“T”接线(图3)适用于市◣区负荷密度较大重要用户,每一个配电变压器可以从两回电缆取得电源,其中一回为备用。图3双电源双“T”接线模式c.单环型接线路(采用四单元环网开关柜)(图4)四单元环网开关柜配置四台具有远方操作和就地操作(由电动◢操作机构完成)的负︻荷开关。正常情况下,A、B、C、D处于闭合状态,E处于分断状¤态,L1,L2由S1供电,L3,L4由S2供电。一旦L1~L4中任何一段发生永久性故障,环网供电系统都能保证3/4的线╳路正常供电。图4采用四单元环网开关柜的一次结线为提高可靠性,电源来自两个变电所的母线;如没ξ有条件,可取自同一母线,这样可靠性减低。d.三电源环型接♂线(图5)三个电源(S1、S2、S3)电源回路中间及末端(4个联络开闭所)为环网联络开关柜;配电所内为一进一出环网开关柜。图5三电源环型接线2.3馈线自动化控制模式2.3.1全重合器(a)单电源辐射状全重合器控制(图6)C段发生故障时,重合器C保护动作,若C段是永久性故障,则C重合不◥成功,再分闸闭锁。重合器之间保护配合靠延时来实现。(b)双电源环网全重合器▓控制(图7)采用具有切断短路▲电流能力的重合器作为馈线分段开关。重合器的重合次数、保护动作时间经过整定,例如A、C分闸■电流为800A,分闸为一快二慢,失压3s后分闸闭锁;B、C分闸电流为500A,备用值240A,分闸为二慢,失压10s后电流切换到备用值,动作转↘为一慢(一次分闸闭锁);E分闸电流400A,分闸为◥一慢,失压15s后合闸。A、B、C、D控制器时刻监视着电源侧的电压,一旦失压,A、C在预先整定的延时后分闸并闭锁;而B、D在比A、C稍长的㊣延时后改变其最小脱扣电流值,及到合闸闭锁的动作次数。E的控制器监视其两侧的电压,无论∑哪一边失压,将比B、D的动作时间又稍长的延时后关合。A:断路器(或重合器);B、C、D、E:重合器图6单电▓源全重合器控制模式A、B、C、D、E:重合器;CB1、CB2:断路器(或重合器)图7若L2段发生永久性故障,A动作到分闸闭锁,B、E检测到失压,B随即脱离原来状态,自动改变其最小脱扣电流及动作次数,然后一次合闸不成功闭锁,将L2段故障隔离;而E在比B稍长的延时合闸成功,从而L3段内B侧电源供电。全重←合器控制模式特点:不≡需要通讯手段,利用重合器多次重合及保护动作时限配合来实现故障自动隔离、自动恢复供电;如果分段增多,会造成保护级差配合困难,且分段越●多,隔离故障、转移负荷时间越长,故自动化程序∮不高,其最大优点是投资省。它主要用在农网、城市效区电网〗及城市中自动化要求不高的电网。2.3.2就地智能控制(图8)馈线分段开关采用配电动操作机构及FTU馈线智能终端的负荷开关或环网柜,通过peertopeer通信,FTU把故障后开关状态及信息传送到邻近开关的FTU,识别出故障段并隔离故障,自动完成恢复∞供电。它的特◢点是:分段开关采用负荷开关,故一次设备投资少,为了实现故障自动隔离,必须配置FTU智能终端及@ 它们之间的通信。在技术上较采用重合器的方案要先进,它是集中远☆方控制的过渡阶段。2.3.3集中远方控制(图9)图中A、B、C、D、E是负荷开关,出线断路器在变电站S1和S2中。这是一种SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)控制方式。如L2段发生永久性故障→变电所CB1保护动作,且重合一次不成功→配调中心计算机查询故障线路上各◣个FTU的状态→配调中心识别故障发生在L2段→配调中心遥控发出命令使A、B开关分断,E开关投入,完成自动恢复供电。图8就地智能控制图∩9集中远方控制特点:电动控制的※负荷开关一次设备和FTU智能终端增加配ㄨ调中心站,配调中心与每个分段开关的通讯是主—从通讯方式,故障隔离操作由配调中心遥控方式一次完成,它是分布≡式FTU的集中智能控制,可以实时监控馈线运行工况,具有四遥功能↘,技术上是一种先进的馈线自动化。它主要用在市中心繁华区或高新∏技术开发区等。3配电自动化对配电开关的要求为了对配网进行运行监〇控和管理、运行计划模拟和优化、运行分析和管理、用户负荷监控和故障报警,主站需要获取现场一▽次设备提供的信息,同时也需要一次设备执行主站命令。3.1数据采集功能安装在变电所的断路器、变压器,安装在馈电线上的分断断路Ψ 器、重合器、分段开关、分支线路跌落式熔断器及功率补偿装置应具备数据采集功能,可以完成对运行中电流、电压、相移等数据的在线采集。3.2在线监测功能断路器、变压器、重合器、分段开关等一次设备应具备在线监测功能,对环境及设备本身状★态进行在线监测。3.3自投切功能馈线上的断路器、重合器,分段器及功∑率补偿装置所配备的自动投切机构及智能控制单元,一旦线路出现短路故障或过负荷等,可以就地完成分闸等操作,这些合、分操作也可以在主站命令下完成。3.4通讯功能必须具有强有力的通讯功能,完成远方运行中电流、电压、相移等采集数据上传,完成远方△设备在线监测数据上传,及完成控制中心对分散的众多一次设备〓远方操动。3.5一次接线简㊣ 易及一次设备先进在保证可靠性条件下,简易的一次接线及减少一次设备数量;并且应采用技术上先进的一次设备。例如采用配永磁操动机构的柱上真空断路器。这种柱上真空断路器具有如下特点:·应用真空开关,体积小,开断ζ 能力强;·由于永磁操动机构特性与真空开●关的要求非常接近,因此可以用一个部件与真空灭弧室直接相连,其零部件较弹簧机♀构减少了近60%,从而提高了机构系统可靠性,可实现免维护运行;·密封金属壳内充『入0.03μPa左右SF6气体,提高了真空断路器的外绝缘,也增强了抗凝露能力,使外绝缘不受外界环境影响。4智能化配电开关近几年微处理机◇技术、微电子∮技术、传感技术、光纤技术与通讯技术的发展,使传统的配电开关设备向智能化配电开关发展,以适应输、配电自动化技术要求及辅、配电高可靠性供电要求。4.1智能化真空断路器真空断路器和SF6断路器由于具有优异的灭弧▓特性,正在取代油断路器,例如12kV等级真空断路器已在中国市场占80%以上。自1989年英国曼彻斯特大学为GEC公司设计了第一台永磁操动机构模型开始,永磁操动∮机构已成为世界各国开发热点。配永磁操动机构的真空断路器是高可靠性的免维护产品,配永磁操动机构「的真空断器与微处理机控测、电力◥电子驱动结合,则成为智能型真空断路器。图10磁力驱动机构※的局部剖图ABBCalarEmag开关设备于1997年开№发了配永磁机构的VM1型智能型真空断路器,操动机构是永磁方形双线圈,仅7个零件,额定电压12kV,额定开断电流25~50kA,额定电流为2000~3150A。图10示出了操动机构的组成部分;联锁、信号、跳闸,合闸及▅装置自诊断等功能由电子模块完成;电解电容提供了合、分闸线圈所需的脉冲电能;先进的小型传感器(罗柯夫斯基线圈电流传感器及电阻分压式电压传感器)提供测量、保护信号,从而成为具有开断、保护、自诊断功能的全自动装置,这些╲先进功能使它还具有特殊应用:·电气化铁道电气化铁道电源频率是16.67Hz,为了防止发生短路故障时破∩坏架空线,要求断路器能在15ms内迅①速分闸,配永磁操动机构的真空断路器很容易满足这一功能。·两个单独馈电线的高速转换(图11)如果一条馈线(如A)故障,系统迅速断开此馈线,并由另—条馈线(如B)供电给重要负荷。由于重要负荷要求从故障发生到转换后供电这段时间→小于30ms,配永磁操动机构的真空断路器可以胜任这任务。·同步断路器采用三个单独的驱动机构(即每相都有一个驱动机构),单独的执行机构可确保更多同步方案实施。同步开断技术可以将感性和容性负荷产生的过电压』和涌流峰值降到最小。配永磁操动机构的真空断器可达到分闸、合闸的最大误差分别为±1.0ms、±0.5ms,因此完全可以胜任同步开断。图11馈线高速转换○系统4.2具有智能技术的气体绝缘全封闭组合电器ABB开发的智能GIS技术经历了如下三个阶段:a)传统技术的GIS。主要采用了↘电磁式电器技术,各种电器功能单一,为完成复杂的功能需要大量各种不同类型︾的电器,需要上千条硬导线及庞大的控制柜。(见图12a)b)现代技术的GIS。数字继电器取代了传统的继电器,使操作功能稍强;间隔之间及间隔与变电站控制计算方法之间的通信联络使用串行光纤,使器材数量大大减少,且∏极大的提高了电磁兼容水平;完成了控制、保护和测量等功能的设备直接装于控制柜中,缩小¤了体积。(见图12b)c)智能技术的GIS。一次回路与二次回路之间▲连接均采用串行光纤,淘汰了硬导线连接;一次互感器配备了PISA电子接口,它可完成A/D变换,信号处理,通过总线及串行总线执行控制和保护命令,PISA技术大大减小了信号传递时间。智能GIS使◤结构上进一步简化,而功能进一步提高,如果发生短路等故障【,可以更迅速作出判断,快速可靠地切除故障。(见图12c)图12GIS智能技术发展历程1—操作控制台:2—硬线连接:3—事件记录器;4—配电和测△量;5—间隔控制柜;6—人机接口;7—入口;8一串行数据连接;9—通向其它间隔线;10—传感器和执行器ω4.3智能化高压开关柜在智能※化高压开关柜的研制、开发方面,日立公司、ABB公司处于领先水平。ABB公司开发的智能化高压开关柜外形侧剖图示于图中,它的在线诊断功能:a在母线联结处安装了温度传感器,监测母线联结№处温升。由于下面接线与电缆终端离得很近,所以仅安装了9个温度传感器。b)机械特性监视·合、分闸速度;·合、分闸时间;·弹簧上紧时间;·操作次数;·上一次操作时间间隙。c)气体密度监【视安装了密度监视传感器d)触头的烧损按等级开断电流确定触头的烧损状况,一般触头烧损按下式近确定:∑NiIiα=K式中:Ii—第i次开断→电流值;Ni—在Ii电流时的开断次数;图13ABB公司智能化高压开关柜剖图指数α在1.5~2.0范围(与灭弧介质等因素有关);K相应于最大允许的常数。装入开关柜的控制/保护单元功能:a)具有限流、过电压和欠电压、过热及接↑地故障等多种保护功能;b)具有智能诊断能力,即能对监测的数据进行分析和处理,进行故障预测;c)电流、电压及相移等计量值测量。参考文献[1]刘健,倪健立,邓永辉.配电自动化⌒系统[M].中国水利电出版社,1999.1[2]E.Dullni,H.Fink,M.Heimbach等“AFamilyofvacuumcircuit—breakerswithworldwideapplicationusingcommoncomponents”CIRED2001,18—21June2001.[3]陈章潮,唐德光.城市电网规划与改造[M].中国电力出版〖社,1998.5[4]游一民.永磁机构介绍[D].第五届全国智能化电器及应用研讨会论文汇编『『2001.10


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