智能环网柜基础知识讲解

一、智能配电概述

1.1智能电网配电规划

2010年2月，国家电网公司起草了《坚强智能电网关键设备(系统)研制规划》，根据该研制规划，在配电环节，拟设立智能配电设备、配电自动化与配网规划、分布式电源和微网控制保护及接入三个研究领域。研制和开发配电开关、节能配电变压器、控制保护一体化终端等关键设备;通过系统设计完善自动化系统和消除信息屏障，满足智能化的发展目标。

研制分布式电源和微网标准化换流装置、电能质量治理装置、保护计量及监测装置、大容量、高可靠快速切换固态开关，最终研制技术领先、切实可行、认识一致的智能配电网系统及设备，保障试点工程，为全面建设智能电网奠定坚实基础。

图(配电环节智能化规划)技术标准和关键设备规划

1.2智能电网智能配电设备发展趋势

通用性、免维护、智能化、小型化、操作方便、外观精美、低成本金属封闭开关将向着高可靠性的方向发展。开发新一代全工况、免维护、高可靠性、小型化的负荷开关以及环网柜，可实现配电自动化，是环网柜发展的重要方向。

配电网测控保护技术将向广域信息、自适应、可逻辑重组、支持动态在整定的方向发展，以适应多元化电源和灵活供、配电的要求。各种保护、控制技术将进一步与配电一次设备相互渗透、融合，发展为一体化智能设备。

二、智能开关设备

智能开关设备是整合所有智能组件的高压开关设备，实现对开关设备状态进行就地实时监测和评估，依据评估结果进行控制或以智能电网相关系统可识别的语言广播设备的状态。

智能化开关设备除满足常规设备的原有功能外，还应具备以下功能：

n灵敏准确地获取信息的感知功能;

n对获取信息的处理能力;

n对处理结果的思维判断能力;

n对判断结果进行有效操作的能力。

智能电网对电力开关设备要求：

n可观测：全面反映系统宏观和微观信息

n可控制：对观测到的状态可进行调节和控制

n分布式：集中与分散相结合，大范围统一监测和控制

n智能分析状态评估和主动预警：

自诊断、专家系统、数据挖掘、模糊推理、神经网络模型

开关设备智能化功能的界定：

智能化的开关设备至少应当具备有:

a)多个参数的在线监测、诊断和调节功能;

b)具备标准的数据通信接口，支持远程功能调用和数据召唤。

智能开关设备的特征：

1)全面的状态监测;

2)嵌入式自诊断，主动式状态检修;

3)标准的分布式通信结构(兼容);

4)设备的自我描述能力(通信);

5)设备的自我管理能力(运行数据、历史档案管理);

6)可配置(模块化结构、界面、功能、通信等可配置);

7)设备的自我调节(如：温湿度调节，断路器进/出，分合控制，地刀控制等);

8)维修和维护操作指导;

9)高可靠性(坚强、自愈);

10)良好的兼容性和可扩展性。

智能开关设备主要应用技术：

智能开关设备的发展趋势

1)集成化多种单一的状态监测功能装置被取代;

2)网络化开关设备具有符合现场总线标准的状态监测和诊断接口，支持远程功能调用

3)模块化智能开关设备状态监测、诊断和控制所需要的各个功能逐渐模块化，标准化，具有高度的可互换性和可配置性

4)智能诊断开关设备将具有一定程度的嵌入式诊断和报警能力

5)将能够实现设备全生命周期数据的管理

6)将发展出更多状态监测功能，例如局放、电弧光、SF6泄漏、避雷器监测、CT开路监测等。。。

7)将发展出一系列的辅助功能，如设备物料管理、设备文档管理、SOE等

8)本地和远程接口更加丰富：USB,蓝牙,串口，网口。。。

9)支持本地视频显示和网络视频(图像)服务器功能

10)与开关设备一次、二次更紧密结合，共同通过系列化测试，保证设备的绝缘、精度和可靠性。

三、智能环网柜

智能交流金属封闭开关设备和控制设备

具有较高性能的金属封闭开关设备和控制设备，配装有电子设备、变送器和执行器，不仅具有金属封闭开关设备和控制设备的基本功能，还具有附加功能，尤其在监测和诊断方面。(NB/T 42044-2014 3.6kV~40.5kV智能交流金属封闭开关设备和控制设备)

有关标准

nGB/T 28811-2012《高压开关设备和控制设备基于IEC 61850的数字接口》

nGB/T 28810-2012

《高压开关设备和控制设备电子及其相关技术在开关设备和控制设备的辅助设备中的应用》

nGB/T 11022-2011

《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》

nGB/T 17626-2002系列《电磁兼容试验和测量技术》

nNB/T 42044-2014《3.6kV～40.5kV智能交流金属封闭开关设备和控制设备》;

nDL/T 860-2006《变电站通信网络和系统》

将开关柜常见的故障类型

Ø拒分、拒合和误动故障：其原因：一类是因操动机构及传动系统的机械故障造成;另一类是因电气控制和辅助回路造成。

Ø绝缘故障：表现为外绝缘对地闪络击穿，相间绝缘闪络击穿，雷电过电压闪络击穿，瓷瓶套管、电容套管闪络、污闪、击穿、爆炸，提升杆闪络，CT闪络、击穿、爆炸、瓷瓶断裂等。

Ø开断与关合故障：灭弧室绝缘强度下降，电磨损超限等。

Ø载流故障：隔离插头接触不良导致触头烧融等。

Ø外力及其他故障：包括异物撞击，自然灾害，小动物短路等。

技术研究现状—绝缘状态监测

Ø介质损耗

ü介质的功率损耗与介质损失角正切成正比，能反映电介质内单位体积中能量的损耗;

ü测量介质损耗角的方法有平衡电桥法、不平衡电桥法、全数字测量法等。

Ø局部放电

ü电气测量法：无线电干扰测量、介损测量、脉冲电流测量法等;

ü非电检测法：超声波法、光检测法和绝缘油的气相色谱分析法等。

Ø泄漏电流

ü在设备接地线串入取样电阻或微安表、在接地线上加套小电流零磁通传感器等。

技术研究现状—温湿度监测、凝露监测

ü温、湿度监测：柜内、母线连接处等工作状态监测。

ü凝露监测：凝露传感器，或利用温度、湿度传感器可以测量显示相对湿度;自动加热除湿控制器防止凝露。

Ø灭弧室真空度：真空压力值检测

ü在线监测：电光变换法、耦合电容法等。

ü离线检测：磁控发电法测试、工频耐压法、火花计法、高频预击穿电流法、分子吸附时间法等;

Ø灭弧室触头电磨损情况

ü开断电流的有效值监测(由高压电流互感器和二次电流传感器测量)：基于电寿命曲线的开断电流加权累积法。

ØC-GIS高压开关柜SF6气体监测

ü主要是对SF6气体在不同温度、湿度、压力下密度的监测、预测SF6气体泄漏趋势;

ü其原理是根据绘制压力、温度和密度的状态参数曲线的经验公式根据测量的参数求解方程式得出其实时密度。

Ø隔离开关触头接触部位温升监测

ü电子式、光纤光栅式等温升传感器;

ü利用红外光的辐射强度或将感温元件装在导体上，转换成信号传到低电位再换原成温度信号。

技术研究现状—机械监测

Ø线圈是否接通、铁芯是否卡涩、脱扣是否有障碍、传动机构运行和连接状态

ü分/合线圈电流、电压波形监测(补偿式霍尔电流传感器、小电流零磁通传感器)：分析波形中特征点的时间参数并进行前后对照。

Ø开关的机械部分磨损、疲劳老化等故障

ü行程、分合速度和时间监测(直线、旋转和直线加旋转位移传感器、振动传感器)：操作过程中行程和速度随时间的变化关系;

ü计算动触头行程、分合闸同期性、平均速度、刚分后及刚合前10ms内速度平均值、速度最大值等;

Ø弹簧机构弹簧压缩状态、锁扣部分的工作状态

ü直接监测(压力传感器)：通过测量合闸弹簧压力值的大小，判断弹簧压缩状态，这种方法需要在机构上安装压力传感器。

ü间接监测(电流传感器)：通过测量储能电动机的工作电流变换及工作时间，监测合闸弹簧的状态，通过分析电流波形得到电流特征参数的变化，从而反应弹簧状态的变化。

Ø储能电机参数监测

ü油泵打压频度增加，弹簧储能不到位电机过负荷报警等来预告储能系统液压油不清洁、阀口密封破坏及系统异常、弹簧机构状态异常等故障。

技术研究现状—保护功能

Ø开关本体可对过电流、短路故障进行检测与判断，并发出指令使开关可靠分闸。

Ø高压开关柜的保护单元将控制、信号、保护、测量和监视等功能组合起来，使之具有连续自监视以及与变电站控制系统直接连接等功能。

真空断路器的分断操作：小负载时触头以较低的速度分断，接到短路信号时全速分断，以获得最佳的开断效果。

四、智能配电市场的前景

为实现建设统一坚强智能电网的总目标，国网公司将建设工作分为三阶段，其中第三阶段(2016-2020)的主要内容就是全面建成统一的坚强智能电网，管理、技术和装备全面达到国际先进水平。

目前我国配电网平均自动化率仅为10%左右，十分薄弱，设备相对落后，且配电网的网架结构基本上为放射状(部分县城电网已构成手拉手环网供电)，大部分通信调度手段落后，配电网没有处于最经济、可靠的运行状态。

由于配电网中的变电站数量甚为巨大，若采用光纤通讯，建设成本与现在的输电网光纤通讯的投资相比将呈几何级数的规律增长;相比而言，3G技术具有带宽高、传输速度快、可传输视频等优点，且可靠性高、成本低，因此可为配电网提供最佳的通信模式。

我国智能电网建设将在部分地区实行试点，然后在全国范围内逐步推广，最终到2020年建设完成。预计到2020年智能电网总投资或将超过1.2万亿元。在智能电网的投资构成上，智能配电网和智能变电站大约有20%的市场份额。