智能化中置柜在察哈素选煤厂的设计及应用_刘建.pdf

智能化中置柜在察哈素选煤厂的设计及应用刘建，于大伟，宋俊(国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017200)摘要:介绍了采用智能测温触臂实现了对断路器触头测温，采用无线测温传感器实现了对母排搭接面测温，采用霍尔式微型传感器实现了对断路器机械特性全面监测，采用永磁电动机驱动断路器手车和接地开关实现了状态自动切换的方法;研究以智能监控装置为核心，构建基于智能化中置柜的 10 kV 配电监控系统和配电设备健康管理系统的实现方式;应用结果表明，改造后的智能型中置柜运行可靠、智能、高效，有效解决了常规中置柜运行中存在的断路器触点发热与操作机构故障无法预先感知、断路器手车和地刀需人工频繁操作等问题。关键词:选煤厂;开关柜;中置柜;智能化;断路器;应用中图分类号:TD948.9文献标识码:A文章编号:1005-8397(2023)02-0009-04Design and implementation of intelligent midset switchgear cabinetin Chahasu Coal Preparation PlantLIU Jian，YU Dawei，SONG Jun(Guodian Construction Investment Inner Mongolia Energy Co.，Ltd，Ordos，Inner Mongolia017200，China)Abstract:Introduced the intelligent temperature measuring arm is used to measure the temperature of the circuit breaker contact，the wireless temperature sensor is used to measure the temperature at the busbar connection，Hall micro sensor is adopted to realizethe comprehensive monitoring of the circuit breaker mechanical characteristics，permanent magnet motor is used to drive circuitbreaker handcart chassis and earthing switch to realize automatic state switching;the realization of 10 kV power distributionmonitoring system and health management system of power distribution equipment based on intelligent midset switchgear cabinet arestudied;the application results show that the modified intelligent mid set switchgear cabinet runs reliably，intelligently andefficiently，and effectively solves the problems existing in the conventional midset switchgear cabinet operation，such as the heat ofthe circuit breaker contact and the failure of the operating mechanism can not be perceived in advance，and the manual frequencyoperation of the circuit breaker handcart chassis and earthing switchKeywords:coal preparation plant;switchgear;midset switchgear cabinet;intelligent;circuit breaker收稿日期:2022-10-10DOI:10.16200/ki.112627/td.2023.02.003作者简介:刘建(1981)，男，内蒙古鄂尔多斯人，2005 年毕业于河北科技大学电气自动化专业，工学学士，国电建投内蒙古能源有限公司电气工程师。引用格式:刘建，于大伟，宋俊 智能化中置柜在察哈素选煤厂的设计及应用 J 煤炭加工与综合利用，2023(2):912选煤厂大型带式输送机多采用 10 kV 电源直接供电，馈线柜基本上选用常规 KYN2812 型中置式开关柜。由于带式输送机需经常重载启车和停电检修，导致断路器手车被频繁人工抽出与推入，增大了日常工作量和操作风险;此外，断路器高频次分合闸容易导致操作机构卡涩，机构行程变化，从而引发触头接触不良、触头发热、分合闸线圈烧毁等故障。因此，有必要对断路器触头发热状况和机械特性状态进行实时监测与状态预判，对断路器手车和接地开关状态变位实现自动程序化操作。目前，断路器触头和母排搭接面测温方式主要采用捆扎式、贴片式结构，该结构存在测温精度低，表带易脱落，捆绑或卡扣方式不合理引发局部放电和绝缘效果变差等问题，文献 1 中介绍了 ABB 公司提出的“一体化智能测温触臂”9煤炭加工与综合利用No.2，2023COAL POCESSING COMPEHENSIVE UTILIZATION技术，该技术将传感器嵌入断路器触壁中，使得测温更精确，且不影响绝缘和局放效果;断路器机械特性主要通过角位移传感器、霍尔电流传感器等元件采集断路器相关参数后分析得出。文献 2 中介绍了采用角位移传感器、光电式旋转编码器等方式实现对位移曲线和触头开距等关键数据的测量方法，并在此基础上分析断路器机械磨损与疲劳状况;文献 3 中简要介绍了通过分析储能电机电流、分合闸线圈电流的变化趋势判断断路器机械特性状态的方法;文献 4 和文献 5 中介绍了断路器手车、接地开关电动化改造的实现方式。对上述文献中介绍的相关技术进行了集成与优化，摸索出以传统 10 kV 中置柜为基础，通过智能监控单元 MDC4 把各类传感器、永磁电动机等元件集成至中置柜内形成智能中置柜，基于智能中置柜搭建配电监控和配电设备健康管理平台的实现方法，并通过实际应用验证了上述方法的适用性，达到了传统中置柜智能化改造的目的，对提升选煤厂 10 kV 配电系统的安全运行和作业效率具有较大的意义。110 kV 智能化中置柜结构10 kV 智能化中置柜是在传统 KYN2812 型中置柜的基础上，通过在柜内安装无线测温传感器、电动底盘车、电动地刀、断路器机械特性监测传感器、智能监控单元等模块而实现的。在柜内安装电动底盘车和电动地刀，用于实现断路器自动摇入与摇出、接地开关自动分合、停送电作业一键顺序控制等功能;在断路器触指与触臂结合面、母线搭接面、电缆连接处安装无线测温传感器，用于对主要发热触点温升进行实时监测;在断路器传动主轴上安装角位移传感器，用于对动触头行程进行测量并计算其分合闸速度;在断路器分闸脱扣器、合闸脱扣器、储能电动机回路安装霍尔电流传感器采集回路电流信息，结合触头行程和分合闸速度综合分析断路器操作机构机械特性，实现对断路器健康状况的全面实时监测。2中置柜各功能模块实现方式2.1触头与母线搭接面测温断路器触头测温采用一体化智能测温触臂技术，智能触臂由触臂本体、温度传感器、感应取电模块、无线测温模块等组成。温度传感器选用SHT21 微型传感器，将其嵌入安装于触臂本体内，用于测量梅花触头温度。温度传感器内存储有惟一电子识别码，MDC4 根据每个温度测点的惟一识别码自动匹配对应触头的温度，从而实现触头温度值的无线传输6，7。感应取电模块主要包括电流互感器(current transformer，CT)和电源保护电路两部分，CT 环套于触臂上，用于获取感应电流，进而实现自取电，负责给测温传感器和无线测温模块供电。无线测温模块主要由数据处理单元与无线通信单元组成，采集的温度值经过数据处理单元处理后，再通过支持 Zigbee 通信协议的无线通信单元发射至 MDC4 的无线接收单元中，从而实现高压侧温度传感器与低压侧数据接收单元之间的完全物理上隔离，有效提升了安全性8。母排搭接面测温选用 ATE100 无线温度传感器，采用螺栓式安装方式;电缆连接处选用ATE200 无线温度传感器，采用绑扎式安装方式;柜内安装 ATM 无线测温装置，该装置把采集的无线温度数据通过 S485 方式传入 MDC4 中。2.2断路器机械特性监测在断路器操作机构内安装 3 台 CSM010 微型磁平衡式霍尔电流传感器用于测量储能电动机和分/合闸电磁铁线圈回路电流。回路线缆穿过传感器的磁环，回路被测电流在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场自动进行极速平衡，从而通过测量副边补偿电流可以获得回路电流，其信号可直接接入 MDC4 中。在操作机构主轴上安装 FD4000 霍尔式角位移传感器用于测量动触头的位移信号，传感器磁块安装在传动主轴上，跟着主轴转动，传感单元固定在储能电动机旁的空隙内，传动轴转动造成了磁场方向的变化，通过感知磁块磁场方向的变化实现了对主触头行程的测量，行程信号通过模拟量输入模块 DAM8082 接入 MDC4 中。操作机构是断路器的重要组成部分，是决定断路器开断性能的关键部件，当其出现潜在故障时，会造成断路器拒合、拒分、误动作等情况的发生9。通过采集储能电动机、分/合闸电磁铁线圈的回路电流，对电流的波形特征进行提取，与电气设备健康管理系统中预先建立好的断路器01煤炭加工与综合利用2023 年第 2 期数学模型参考值进行比对分析，可以初步识别出储能弹簧变形疲劳、传动机构卡滞、分合闸铁心卡滞等潜在的故障。通过采集动触头行程，可以得到主触头“行程时间”曲线、触头开距、分合闸速度等关键参数，与数学模型参考值进行深度比对分析，可以大致判断出断路器操作机构的故障类型，并预测潜在故障的发展趋势。2.3电动底盘车与电动地刀的驱动与控制在断路器机构箱内垂直安装 ZYJ55 型永磁直流减速电动机用于驱动断路器手车底盘，电动机经过减速齿轮箱减速后，驱动传动链条带动丝杠旋转以实现底盘车的电动化遥进和遥出操作;在中置柜电缆室内侧壁上安装 ZYJ531601 型永磁直流减速电动机用于驱动接地开关，电动机经过减速齿轮后驱动主轴带动拐臂实现接地开关分闸与合闸操作;在此基础上，可以实现开关设备的“一键式”倒闸操作或“全站式”程序化操作。MDC4 会根据配电监控系统发出的操作指令控制电动机的正反转，从而实现电动底盘车和电动地刀的位置状态自动切换;电动机的电流信号通过霍尔电流传感器接入 MDC4 中，当底盘车或地刀出现堵转等现象时，MDC4 立即发出保护指令对电动机进行制动，并逆向驱动电动机解除卡阻状态。底盘车驱动断路器时机械惯量较大，若输出全电压驱动电动机很容易引起堵转，所以在 MDC4中集成了基于金属氧化物的半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)的直流电压双向变换电路，采用脉冲宽度调制技术调节 MOSFET 的通断时间，从而控制电动机两端直流电压的大小和方向。若采用斜坡升压和斜坡降压的调制方法，可以实现底盘车的软启动和软停止8，从而有效降低堵转现象的发生，断路器电动底盘车控制原理如图 1 所示。2.4智能监控单元 MDC4MDC4 是中置柜实现智能化的核心单元，负责完成柜内触点温度的无线采集，断路器机械特性参数的实时监测，底盘车和地刀驱动电动机的控制与保护。该实例中 MDC4 控制原理如图 2 所示10。3基于智能化中置柜的配电管理系统在该实例中，10 kV 配电管理系统由配电监图 1断路器电动底盘车控制原理图 2MDC4 控制原理控平台 ESD3000 和部署在就地的配电设备健康管理平台 MyemoteCare 组成。ESD3000 作为上位机监控平台，实现配电系统的实时监测、程序化控制等功能;MyemoteCare 作为配电设备健康管理平台，实现开关设备运行参数的集中显示、设备健康状况分析与诊断等功能。2 个系统之间可以实现无缝连接，在 ESD3000 平台中可以集中显112023 年第 2 期刘建，等:智能化中置柜在察哈素选煤厂的设计及应用示智能开关设备的运行参数、健康诊断、告警和专家建议等内容11。采用数字式传感器对电压和电流进行测量，在断路器静触头盒内环嵌安装 KECA80C104 电流传感器对一次回路电流进行非接触式测量，在母线室三相分支母排上安装 KEVA17.5B20 电压传感器对电压进行测量;二次侧小电压和小电流信号接入保护测控装置 EF620 中。EF620 通过支持 IEC61850 协议的以太网交换机连接至 ESD3000监控 平 台 中，MDC4 通 过 MC 网 关 连 接 至MyemoteCare 设备健康管理平台。基于智能化中置柜的 10 kV 配电管理系统结构如图 3 所示。图 3基于智能化中置柜的 10kV 配电管理系统结构4应用效果分析智能化中置柜及基于其搭建的 10 kV 配电监控系统和配电设备健康管理系统应用后，预期效果如下:(1)带式输送机的 10 kV 电源开关每日停送电作业由人工手动操作转变为系统自动操作，如发出停电检修指令后，系统自动启动“一键顺控”功能，依次完成断路器自动分闸、断路器手车自动摇出、接地开关自动合闸等操作，实现开关从“工作”位置切换至“检修”位置的全流程自动程序化操作，不仅杜绝了电气倒闸操作风险，而且停送电作业效率至少提升了 3 倍以上。(2)促进了 10 kV 开关柜由“计划性”检修转变为“状态性”检修，通过系统采集的断路器主触头“行程时间”曲线、触头开距、分合闸速度、触头温升、母排搭接面与电缆连接处温升等关键参数，决定开关柜检修、断路器检修、断路器预防性试验的周期，避免了无效的检修与试验工作，显著降低了检修工作量，提升了检修针对性。(3)系统通过对采集的关键参数进行分析，可以预判出触头发热、储能弹簧变形疲劳、传动机构卡滞、分合闸铁心卡滞等潜在故障，保障了10 kV 配电系统的安全运行。6结语智能化中置柜系统现场使用性能稳定，断路器程序化自动操作大幅提升了工作效率，避免了操作安全风险;设备健康状况在线监测与诊断功能可以前瞻性预判设备运行状况，降低了设备故障率;智能化中置柜的实现方法具有一定的参考价值。参考文献 1李娟 中压开关柜的智能化方案分析 J 甘肃冶金，2020，42(3):6668 2程显，袁晓东，葛国伟，等 真空开关高动作稳定性的永磁操动机构控制系统 J 电工技术学报，2021，36(21):46174626 3白明，张悦 智能变电站智能化中压开关柜应用研究与分析 J 电气传动自动化，2019，41(4):3840 4姜万东，周海涛，沈克明，等 中压智能断路器控制系统研发与应用 J 电气技术，2019(1):101105 5田晓越，顾建姝 智能化开关柜的实现 J 电气制造，2015(1):3740 6厦门 ABB 开关有限公司 一种断路器智能测温测电流触臂及其分析系统:中国，202066606 P 20110506 7郭国太 10 kV 智能开关站技术应用 J 电气技术，2016(12):148151 8陈本彬，陈明华，庄志坚，等 开关柜动态预警无线温度监测系统设计 J 自动化仪表，2019，40(5):3943 9刘增环，李真真 智能开关柜在线监控的研究与应用 J 自动化仪表，2014，39(6):2830 10逯静，郭世峥 智能化开关柜在燃机电厂中的应用及设计 J 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