智能柱上开关一二次融合关键技术研究与应用.pdf

130 EPEM 2023.7 下电力创新Power Innovation智能柱上开关一二次融合关键技术研究与应用天津平高智能电气有限公司 郭自豪 汪 宁摘要：本文通过理论分析温度升高对柱上开关的不利影响，同时掌握了高频电磁干扰导致开关工作异常的具体过程，针对性地研究了避免异常工作的关键技术，通过仿真说明了该技术具有良好的应用效果。关键词：一 二次融合；柱上开关；电磁干扰；并联电容器1 一二次融合柱上开关的构成及异常工作的原因分析1.1 开关的构成智能柱上开关分为一次、二次设备两个组成部分，通过标准化的接口和外形设计。柱上开关将开关本体和电子传感器、保护设施等模块完美融合与集成，通过深度融合提高了一次设备与二次设备的智能化与协同化工作。为实现智能化工作，智能柱上开关通常包括电容、对温度敏感的半导体等元器件，当环境温度较高或者存在电磁干扰时，对这些元器件会产生一定的影响，甚至导致无法正常工作。图1 智能一二次融合柱上开关连接示意图1.2 温度引起的开关异常智能柱上开关主要应用于室外的配电网络，容易受到温度和电磁干扰的影响。智能柱上开关的传感器等模块包含了半导体元器件，对温度变化较为敏感，当温度较高时，会发生零点漂移，影响元器件的电阻率，轻则降低传感器的灵敏度，重则出现烧穿元器件等现象。温度与电阻存在如下关系：RT=R0（l+aT），式中：a 是电阻元器件受温度影响的变化率，其值取决于制造电阻的材料性质；电阻在温度等于 T 时为 RT，等于25时则为 R0。当温度为25时，输入精密测量电阻的电压为 ut=IsR0，则在温度等于 T 的条件下，精密测量电阻的输出电压也将与25的条件下不同，其相对误差为：在温度等于 T 的条件下，由精密测量电阻输出的电压为：u（t）=（l+aT）u（t）T=25，因此柱上开关的二次设备中温度的变化会导致精密测量电阻的性能发生变化，影响工作的稳定性。柱上开关通常还包含滤波等调制电路，滤波电路的输出信号为：其中，X 为随温度变化的传输函数，温度系数可以用如下公式计算：因此，在 R,C 为给定数值的情况下，可以得 到：，其 中 为 C2是 根 据R,C 计算出来的常数，通常在10-4数量级，因此温度对滤波的影响较小。柱上开关包含运放电路，输入、输出的电压存在如下关系：，假设2023.7 下 EPEM 131 电力创新Power Innovation温度变化的大小为 T，则运放增益 G 可以用下式计算其变化量：其中，为随温度变化的运放系数，G 和G”分别为运放和电阻的温度变化量，从式中可知，随着温度的逐渐增加，运放增益逐渐加大。若温度提高到一定程度，有可能导致融合开关出现误动或拒动，使配电网络无法正常运行。1.3 电磁干扰引起的开关异常柱上开关除了受到温度干扰外也可能会受到电磁干扰，电磁干扰的主要来源是雷电、设备故障或者配电网络正在运行的设备形成的谐波。由于雷电的电压较大，电磁干扰的程度极强，因此雷电等干扰可能造成非常不利的影响。容易受到电磁干扰的元器件为互感器，其二次侧输出电压可以用下式计算：（1）其中，UB为暂态电压，CT,C1N,C2N均为互感器的电容，分别是套管电容、一次侧、二次侧寄生电容。Z0和 ZL均为电阻，其分别用于二次回路和采样电阻，LG是引线电感，ZG是接地电阻。从式（1）中可知，当一二次融合柱上开关置于电磁干扰的环境中时，开关的线路能够通过互感器，产生高频干扰电压进而作用于二次设备，使其工作发生异常。若柱上开关处于严重的电磁干扰环境中，二次设备在干扰下也有可能出现误动或者拒动的现象。2 一二次融合柱上开关的关键技术及应用效果为使一二次融合柱上开关能够平稳地运行，须排除影响柱上开关运行异常的因素。温度和电磁干扰是影响柱上开关稳定工作的主要因素，然而由于柱上开关通常用于室外，无法通过空调降温或者采用电磁屏蔽组件来阻隔电磁干扰，因此只能增加或者更换部分元器件的思路，避免或者降低温度或者电磁干扰造成的不利影响。2.1 电阻元件的选用技术温度的升高会引起精密电阻的电阻率增加，从而使得输出电压发生改变，影响精密电阻工作的稳定性。一二次融合柱上开关含有滤波和运放单元，温度的增加对滤波单元的影响极小，但对运放单元的影响较大，严重时可以导致柱上开关发生误动或者拒动。温度之所以能够影响柱上开关的二次设备，是因为温度变化能够作用于电阻，改变其数值，导致输出电压被改变，进而影响整个二次设备的功能。为解决温度的影响，一是在二次设备的外壳涂抹吸收太阳光热量较差的物质，尽量减少太阳光的热量输入；二是合理地选择柱上开关的安放位置1，保持良好的通风条件，尽量远离或者避开烟囱等排热装置；三是减少温度对电阻的影响，即针对精密测量电阻以及运放电路中的电阻，选择对温度变化较小的电阻元器件。通常情况下，锰铜、镍铜合金材料的电阻对温度的影响较小，这两个位置的电阻可以考虑添加这两种材质。2.2 电磁干扰的屏蔽技术电路中暂态故障会导致高频电磁干扰，同时环境中的雷电也会产生能量较强的电磁干扰，干扰作用于互感器产生电压信号，通过线路传播到二次设备中，影响柱上开关二次设备的工作电压。由于电磁干扰通过互感器提供干扰电压，进而对二次设备造成不利影响，信号的强度可通过式（1）进行计算。因此，为保持柱上开关的平稳运行，避免电磁干扰，采取减少或者屏蔽高频干扰以及压制干扰影响两种途径，主要体现在以下四种关键技术。降低恢复电压。开关触头间隙通常存在一个固定的击穿电压，如果电路发生故障，当恢复电压较大时，会超过击穿电压，进而导致电弧重燃以及闭合断路器。触头间的电流减小时，电弧则会熄灭，而后再次产生过电压，如此反复循环形成高频干扰。因此，断路器分段的恢复电压是电弧重燃的关键参数，为了降低高频干扰，应该安装端口并联电阻或者氧化锌避雷器等设备；提高电缆屏蔽性能。电缆的屏蔽层位于外皮中，其主要屏蔽成分是缠绕的铜网，能够反射高频的电磁波，减小高频干扰的输入能量，从而降低干扰的不利影响。安装滤波器。电磁干扰通过互感器提供电压，进而作用于二次设备，影响其工作。因此，可对互感器的输出端进行处理，即加装低通滤波器降低高频干132 EPEM 2023.7 下电力创新Power Innovation扰的强度。如图2所示，设置低通滤波器，滤波器的右侧线路接收到互感器提供的信号后，将对信号进行低通滤波处理。图2所示的滤波器具有如下特征：，当输入滤波器的是低频信号，则，当 输 入 滤 波 器 的 是 高 频 信 号，则，因此通过低通滤波器，低频信号可顺利通过，而高频信号则受到一定程度的压制，因此二次设备接收到的信号，受到的干扰程度较小。此外，可安装涌浪吸收器等设备压制线路中的串扰能量，或在软件设计时选择滤波算法，实现数字滤波。图2 滤波器线路图安装对地电容。负载的持续增加，会使得电压不断加大，如果对智能柱上开关安装一个对地电容，则增加的对地电容可以和线路中的负载发生作用，降低高频分量的能量成分。高频干扰传播较快，当雷电等电磁干扰经过电容时，由于电容的电压上升较慢，电压在上升的过程中，柱上开关的恢复电压的峰值已经过去，因此安装的电容能够通过延迟电磁干扰产生的电压，对电压进行削峰处理，从而起到了降低高频电磁干扰的作用，有效保护了二次设备的工作电压。2.3 应用效果分析本文通过仿真实验，分析了如图2所示的滤波器和安装对地电容对高频干扰的抑制作用。正常运行条件下，柱上开关互感器二次输出的电压波形是一个正弦波，在雷电等强电磁干扰的输入下，波形会发生明显的畸变。通过在互感器的输出线路连接到图2所示的低通滤波器右侧线路中，能够降低高频干扰的影响。进行了三次测量，其结果见表1。可看出，安装低通滤波器后明显降低了比值误差和相角误差。因此，通过以上公式及表1的仿真实验，均证明安装低通滤波器能够有效降低高频电磁干扰，从而保证一二次融合柱上开关的稳定工作。通过仿真实验可测试接地电容对电压的削峰作用。如图3所示是安装接地电容前后电压值的比较情况，在10kV 的线路上，开关分段故障能导致柱上开关的电压迅速加大。安装接地电容之前，电压波形为图3中的粗线，可看出最高电压值达到了0.82p.u.，而且在高频电磁干扰的作用下暂态电压也展现出高频的特征，出现高频震荡；安装接地电容之后，电压波形是图3中的细线，可看出接地电容推迟了峰值时间，削弱高频干扰后，电压波形的频率也明显降低了。所以通过安装接地电容也能有效降低高频电磁干扰的作用，避免或者降低柱上开关误动或者拒动现象的出现。图3 安装接地电容前后的电压值综上，智能一二次融合柱上开关能够大幅提高配电网络的运行水平，柱上开关多用于高架线路上，容易受到温度和雷电等高频电磁干扰的影响，严重时会导致柱上开关产生拒动或者误动，影响配电网络的稳定运行。通过理论分析，阐述了温度和高频电磁干扰对柱上开关输出电压的具体影响过程。针对温度影响精密测量电阻和运放电路的电阻问题，对这两个位置的电阻材料进行了特殊要求，使电阻率受温度的变化较小。针对高频电磁干扰通过二次设备的互感器产生干扰电压的问题，首先采取降低恢复电压和使用屏蔽电缆的方法，减少输入的高频干扰能量。然后对进入二次设备的高频电磁干扰进行压制，降低其不利影响，压制方法为连接低通滤波器和接地电容，低通滤波器能抑制高频干扰的高频能量，有效降低比值误差和相角误差；接地电容不仅可以抑制电磁干扰的高频成分，而且其延迟作用对电压起到削峰的作用。通过仿真实验可知，低通滤波器和接地电容都可以减小二次设备受到高频电磁干扰的影响。参考文献1高艺文,罗凡波,等.穿越森林草原配电线路的一二次融合成套柱上开关优化布置研究 J.四川电力技术,2022,4.表1 低通滤波器安装前后的误差变化测量次数123比值误差（%）安装前0.991.150.93安装后0.560.770.44相角误差（）安装前11.5512.968.82安装后6.299.555.22