10KV 环网柜故障下配电网设备检修系统研究
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摘 要：随着智能配网建设步伐的加快，配电自动化覆盖率的提高，原有配网故障隔离模式单一的情况发生了转变。配电网是电力系统的基础，承担着为用户提供高质量电能的任务，是配电网稳定运行的关键环节，其安全性与可靠性具有至关重要的意义。配电网设备长期在户外作业，会受到大气腐蚀、化学作用以及天气环境的影响，设备状态也会逐渐变坏，直接影响配电网的稳定运行。如何实时检测、检修配电网设备状态成为电力行业重点研究课题之一。
关键词：10KV环网柜；故障；配电网；设备检修系统引言
随着我国智能电网建设的不断推进，传统的放射式、树干式配电网已经无法满足电网建设以及社会大众的需求，环式配电网应运而生。环式配电网指的是供电干线可以构成一个闭合的环形，由供电电源向环形干线供电，在干线上一路通过高压开关向外配电。环式配电网形式中最为关键的设备为环网柜。环网柜指的是一组输配电气设备，主要安装在金属或者非金属绝缘柜内，核心部件为熔断器、负荷开关，具有体积小、结构简单、价格低廉、性能好等优势。环网柜实质上是一种高压开关设备，直接决定着环式配电网能否正常作业。
1 环网柜机械特性在线监测系统总体设计
环网柜机械特性在线监测系统由传感器、下位机、通信、人机交互及上位机等多个模块组成，系统监测到的信号最终反馈到物联网平台对环网柜进行智能操作与控制。先由前端的传感器采集系统信号经过调理完成数/模转换，然后将信号传输到下位机并经过信号处理分析，检测到的信号若发现异常则系统将对环网柜进行反馈使其动作（跳闸或发出预警信号）。同时会将故障信号进行存储记录，便于对环网柜进行更好的检测与控制，再将信号经过 4G/5G 通信模块上传到上位机实现物联共享。传感器型号是根据环网柜的机械特性进行分析及研究后选用的。环网柜行程及时间的检测装置选用迈恩公司生产的 KTM 拉杆式直线位移传感器和采用增量式光电旋转的 ZSP3806 编码器。环网柜分/合闸线圈中电流的监测采用中旭公司的 NC-15LTSR 型霍尔电流传感器。
分/合闸的时间检测是以分/合闸线圈中有电流流过为开始进行计时，以线圈失电为分/合闸的结束点，从开始计时到结束点的时间即为分/合闸时间。
2 配电网设备检修系统硬件单元
2.1 无线测温传感器硬件单元
无线测温传感器由数字式测温芯片、CPU、无线通信芯片以及供电电池构成。依据设计系统需求，数字式测温芯片选取TMP102 芯片；为了保障测温传感器的安装便利性，采用电池供电方式。测温传感器供电电池选用 2 节 1000mAh 锂电池，其使用寿命可以长达 5 年；测温传感器 CPU 选用 Microchip 公司生产的PIC16F690 芯片，该芯片中自带存储器，功能为存储测温传感器的唯一地址编号，利用通信线路获取数字式测温芯片测量数据。
2.2 环网柜数据采集单元
环网柜数据采集单元任务是接收温度、开关震动位移数据等信息。总体结构由传感器模块、下位机、通信模块、以及上位机组成。首先由传感器从现场采集信号，做初步的信号调理和 A/D转换后，实现数据传输，将信号传输到下位机完成信号处理等功能，如果系统出现异常则会动作于跳闸或发出报警信号，并将与事故相关的信息存储起来，实现对设备监控保护的目的，同时将信号通过 CAN 总线系统上传，实现与上位机的通信。此外所设计的监测系统还具有较强的抗干扰能力。
3 配电网设备检修系统软件模块
3.1 振动检测分析模块
现有研究成果表明，运行状态良好的环网柜状态具备极大的相似性，以此为依据，构建一种相对的判断标准。以已知的环网柜正常状态为参考，计算环网柜待检状态与参考状态的相似程度，若该数值在一定范围内，判定环网柜状态正常；若该数值超出给定范围，判定环网柜出现故障。环网柜作业过程中，分、合闸振动强烈，其形成的振动波形属性为非线性非平稳信号，频率分布较为随机，具有极强的不确定性。故利用小波包分析法处理由振动传感器获取的振动位移波形。采用小波包分析法对振动信号进行分解，依据其高频重构系数计算全电流瞬时值，若数值超过给定阈值，则认为环网柜处于故障状态。
3.2 信息化辅助下环网柜规划过程
环网柜选址力求定位精确，通过数据库和 EPGIS 相配合，借助算法进行分析。首先，确定一处地域较为开阔但兼顾少占用居住、商业用地原则，且平坦易于安装环网柜的地点。其次，要保证设备运输方便，并且为应对日后电力起火预留好消防通道，满足防火、通风、避免进水、防潮、规避沙尘、抗噪音和降低起火后爆炸的可能性的各项要求。
3.3 精确计算提高经济效益
环网柜被广泛应用在城市的各个地方，这就要求电力企业做到保障其安全平稳运行并且供给足够合适的电缆。因此，电力企业在安装环网柜之时必须经过仔细精密的计算，要对地理环境和所在地区的自然气候环境进行深入的了解与分析，信息化在这一过程中便能够有效地帮助电力企业对于环网柜的选址进行定位和分析，减少了需要专业人员实地考察地理环境和后期工作人员对气候环境预设不到位的失误，同时满足了人力成本的降低，还能够准确计算接入和输出所需电缆的精确长度，能够减少电缆的浪费，这样一来进一步降低了成本。在中期开始施工之时，信息化后，合理的工程安排帮助电力企业合理安排人力，选择合理的工期，协调了施工各方的合作，同时监控各个步骤的进行，同步提升了工程效率降低工程成本。基于前期的数据分析核算工作到位，在后期每一个环网柜投入使用以后，环网柜出现故障的情况也会极大地降低，需要紧急抢修的几率也会降低，适量的电缆也能够极大地发挥用处，进一步降低了后期的维护成本。综上，信息化从环网柜的前期准备再到中期施工环节到最后的维护工作，每一环节都做到了精确细化，每一环节都对成本详细把控，在最大程度上帮助电力企业实现了经济效益最大化，促进了电力企业的发展。
3.4 环网柜电缆接头温度远程在线监测系统设计
环网柜是实现环网供电的关键设备，柜内电缆仓采用“T 型”
电缆接头进行连接，随着设备长时间运行，电缆接头存在一定老化情况。在运行过程中，环网柜供电区域负荷较高，电缆接头出现温度过高情况，长时间运行容易引发电缆接头烧毁、损坏，严重时会引起环网柜爆炸等严重情况。日常工作中，电力系统运维人员通过定期到场巡检户外环网柜电缆接头温度值、接头老化情况、工作量较大、且工作效率较低，无法实现实时温度监测需求，也不能及时发现问题，解决问题。电缆接头运行温度监测方法较多，常用方法有柜外红外热成像法、接触式传感测温法、柜内红外测温法等，以上方法均需要运维人员到达环网柜现场，进行人工操作检测、记录、分析，且检测周期长、误差大等问题。设计一套直接接触式安装于“T 型”电缆接头后堵头位置的温度传感器，接触式获取电缆接头线芯运行温度，通过电流感应模式随着电缆接头运行而持续监测温度变化，实现温度实时远程在线监测。
结语
10KV 环网柜作为研究对象，设计了配电网设备检修系统，仿真实验结果表明，设计系统环网柜故障检测成功率达到 78.451%以上，最高达 84.125%，极大地提升了环网柜故障检测成功率，可以为环式配电网的发展与应用提供更加有效的支撑，适合大力推广与使用。
参考文献
[1]仝子靖.环网柜 T 型连接头温度实时测量方法研究[D].北京：华北电力大学，2018.
[2]袁义军.10kV 环网柜在线监测系统方案研究[D].淄博：山东理工大学，2013.
