饋線自動化終端FTU電源管理裝置的研制

0引言

電網(wǎng)系統(tǒng)中,超過85%的故障停電是由配電網(wǎng)故障引起的^[1],根據(jù)2024年3月國家能源局發(fā)布的《關(guān)于新形勢下配電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源 (2024〕187號),配電網(wǎng)作為重要的公共基礎(chǔ)設(shè)施,其供電可靠性關(guān)乎電力可靠供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和服務(wù)改善民生。而配電自動化設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對配電網(wǎng)的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作^[2],對配電網(wǎng)供電可靠性的提升起到至關(guān)重要的作用。城區(qū)配電網(wǎng),特別是老城區(qū),10 kV線路多以架空線為主,更換、新裝含饋線自動化終端(FTU)的柱上開關(guān)是提升老城區(qū)配電自動化覆蓋率最直接有效的方案。

1 當(dāng)前FTU取電模式

目前,成套一二次融合配電自動化柱上開關(guān)進(jìn)行安裝時,其饋線自動化終端(FTU)通常采取的取電方法為安裝戶外型電壓互感器(PT),由電壓互感器的二次回路為FTU控制箱供電,如圖1和圖2所示。

當(dāng)前的FTU控制箱取電模式下,由于需要安裝 PT和配套的隔離跌落式熔斷器,柱開安裝時需要保證3 m左右的垂直空間,而老城區(qū)大量存在高低壓同桿架設(shè)的情況,桿上縱向空間不足,有的桿塔縱向空間甚至不足2 m。同時,桿塔下方通信線、公安監(jiān)控探頭、交通標(biāo)示牌等物侵占下方空間。經(jīng)過設(shè)計測算,常規(guī)柱開安裝方式,柱開、熔斷器、PT自上到下依次排列,整體所占縱向空間約2.85 m。這樣會造成老城區(qū)不滿足空間條件的電桿無法安裝一二次融合柱開,制約了老城區(qū)供電可靠性的提升,發(fā)生電力故障無法通過自動研判和遠(yuǎn)程投切迅速隔離故障點,造成額外的電量損失,無法滿足人民日益增長的用電需求。

根據(jù)實際要求,需要通過一種能不依賴PT取電的FTU控制箱,來降低一二次融合柱開的安裝門檻,提升線路的自動化水平。

表1為合肥市廬陽區(qū)10 kV線路實現(xiàn)配自全覆蓋所需新裝、更換配自柱開情況,因PT空間不足造成一二次融合柱開無法新增或者更換,占總數(shù)的71.12%;全量實現(xiàn)此類柱開安裝更換,可以使配自柱開覆蓋率超過80%,為實現(xiàn)配網(wǎng)線路配自全覆蓋,乃至全自愈打下堅實的基礎(chǔ)。

梳理配自柱開FTU繼電保護(hù)功能,目前常用動作類型及關(guān)聯(lián)的電氣值如表2所示?？梢?按照目前配網(wǎng)常用保護(hù)配置,PT的主要使用功能是作為各類自動化設(shè)備的電源,因此取消PT的核心對策即采用新電源進(jìn)行替換。

除了新裝配自柱開縱向空間不足,部分存量老舊柱開還存在PT故障消缺難的問題。根據(jù)Q/GDW 10799.8—2023《國家電網(wǎng)有限公司電力安全工作規(guī)程 第8部分:配電部分》第11.3.3條規(guī)定“帶電斷、接空載線路前,應(yīng)確認(rèn)后端所有斷路器(開關(guān))、隔離開關(guān)(刀閘)已斷開,變壓器、電壓互感器已退出運行”,未安裝跌落式熔斷器等開關(guān)的PT無法退出運行,不能通過帶電作業(yè)隔離PT,一旦此柱開PT故障,消缺工作難以開展,導(dǎo)致部分FTU長期失電掉線。故可嘗試取消PT及跌落式熔斷器,從而有效縮短配自柱開的垂直安裝距離,降低安裝門檻。

2 PT功能置換

結(jié)合空間受限的電桿均存在同桿220 V市電線路的情況,制定將PT功能置換的思路,即改造現(xiàn)用的配自柱開控制箱,加裝降壓模塊,將控制電源和操作電源改接至同桿的市電線路。

傳統(tǒng)配自柱開FTU取電如圖3所示,柱開PT提供兩路電壓,其中220 V作為控制器電源,100 V作為測量電壓,如果從下盤低壓線路取220V電源并加裝220 V轉(zhuǎn)100 V的變壓器取代柱開PT,僅安裝柱開本體部分,桿上縱向空間僅需1.35 m,可以節(jié)省桿上空間0.7 m,滿足老城區(qū)柱開安裝條件。因此,可以制作含變壓器的FTU電源管理裝置,從柱開兩側(cè)變壓器臺區(qū)低壓電源取電,經(jīng)空開、保險和變壓器后,向柱開控制器提供兩路220 V和兩路100 V電壓,實現(xiàn)雙 PT的功能。

FTU電源管理裝置的原理為將兩路低壓電源接入饋線測控終端FTU電源管理裝置,通過預(yù)留電源接入點,經(jīng)過開關(guān)和保險,通過變壓器變換輸出電壓等級,再通過輸出接口向柱開控制器提供兩路220 V和兩路100 V電壓,實現(xiàn)雙PT的功能,其原理示意圖如圖4所示。

3 FTU電源管理裝置的設(shè)計

FTU電源管理裝置主要包含變壓器、電源開關(guān)、保險、電源輸出接口及箱體外殼等,對比各項設(shè)備功能需求,最終選定使用自耦變壓器、空氣開關(guān)、熔斷型保險絲、航空插頭及不銹鋼殼體,具體如下。

3.1箱體材質(zhì)的選擇

箱體材質(zhì)應(yīng)滿足:1)裝置安裝在戶外桿塔,結(jié)實耐用;2)箱體尺寸合適,確保元器件安裝空間充裕;3)可以可靠接地,保證安全。對比不銹鋼和ABS工程塑料材質(zhì),不銹鋼制作箱體強度高、使用壽命長,可以可靠接地,成本相比ABS工程塑料只高約10%,故使用不銹鋼制作箱體。

3.2 電源開關(guān)的選擇

電源開關(guān)應(yīng)滿足:1)可以可靠斷開電源電路;2)使用壽命長。對比旋鈕開關(guān)和空氣開關(guān),因空氣開關(guān)可以可靠斷開電源電路、分合閘指示明顯、使用壽命長,故使用空氣開關(guān)作為開斷電源的開關(guān)。

3.3保險絲的選擇

保險絲在整個裝置出現(xiàn)短路等異常時能可靠切 斷電源,對比熔斷型保險絲和自恢復(fù)型保險絲,因熔斷型保險絲敏感性更高,響應(yīng)速度更快,安全性更高,故使用熔斷型保險絲作為隔離故障的保險絲。

3.4 變壓器的選擇

裝置中變壓器的作用是將220 V交流電轉(zhuǎn)化為100 V交流電用作測量電壓,對比直插式轉(zhuǎn)換器和自耦變壓器,因自耦變壓器成本較低、散熱能力強且接線簡單,更適合24 h不間斷運行的柱開FTU使用,故使用自耦變壓器作為電壓轉(zhuǎn)換的變壓器。

3.5 電壓輸出接口的選擇

電壓輸出接口要求安全可靠地實現(xiàn)電壓輸出,與 目前廣泛使用的FTU電源標(biāo)準(zhǔn)接口相匹配,安裝時不需要變更FTU接線。對比端子排直接接線輸出方式和航空插頭輸出方式,因使用統(tǒng)一規(guī)范的航空插頭連接可靠性高,密封性好且現(xiàn)場安裝簡單,不存在誤接線的風(fēng)險,且與 目前廣泛使用的FTU電源接口相匹配,故使用統(tǒng)一規(guī)范的航空插頭輸出。

組裝完成后的FTU電源管理裝置實物如圖5所示。

4 FTU電源管理裝置運行效果實測

以合肥市廬陽區(qū)一臺新裝柱開和一臺存量柱開為例,測試研制的FTU電源管理裝置的運行效果。

4.1 新裝#71柱開

#71柱開為2023年4月27日柱開改造項目更換的柱開,因桿上空間不足,僅安裝了柱開本體,導(dǎo)致 FTU長期離線,從附近配變?nèi)‰?安裝FTU電源管理裝置后,重新給#71柱開FTU供電,于2024年1月2日重新調(diào)試上線,圖6為查詢配自主站D5200系統(tǒng)驗證的截圖, 目前#71柱開運行正常,未發(fā)生退出現(xiàn)象。

4.2 存量#2505柱開

#2505柱開為2016年投運配自柱開,因PT故障導(dǎo)致FTU一直離線,且#2505柱開后端為單電源支線,停電消缺難度大。安裝FTU電源管理裝置后,從后端配變?nèi)‰娊尤腚娫聪?然后接入FTU,于2024年1月4日重新聯(lián)調(diào)上線,圖7為查詢配自主站D5200系統(tǒng)驗證的截圖, 目前#2505柱開運行正常,未發(fā)生退出現(xiàn)象。

5 結(jié)論

饋線自動化終端FTU電源管理裝置的研制,可以有效解決10 kV架空線桿上縱向空間不足及PT故障無法帶電消缺的問題,有效幫助增加老城區(qū)配自設(shè)備覆蓋率,減少老城區(qū)停電時間,并且填補了當(dāng)前行業(yè)內(nèi)無法在桿上縱向空間不足時安裝配自柱開的空白。同時該成果研究的技術(shù)不僅局限于柱開更換工作中,還可用于解決其他桿上柱開PT故障難以帶電消缺的問題,為存量老舊配自柱開消缺提供一種安全可靠的解決方案。經(jīng)長期實測觀察,此裝置能夠可靠運行,但可能存在以下幾點待提升的地方:

1)高壓功率采集不準(zhǔn)確。外加變壓器箱輸出的100 V測量電壓,受取電變壓器高低壓繞組相角差影響,會導(dǎo)致高壓功率采集不準(zhǔn)確。

2)電纜和架空線連接處的柱開,僅能取到架空線側(cè)的低壓電源,不能實現(xiàn)雙PT雙電源的功能。然而電纜和架空線連接處的柱開多為變電站或是開閉所環(huán)網(wǎng)柜的出口柱開, 目前其FTU繼電保護(hù)功能僅投告警信號,不投跳閘功能,FTU單電源供電不影響配電自動化功能。

3)柱開控制器常年運行,影響低壓臺區(qū)線損。經(jīng)測算,控制器普通運行情況下功率約為30 W,柱開彈簧儲能時功率較大,達(dá)到100 W以上,略微增加臺區(qū)線損,但與原安裝PT方案相比,因原PT功率較大,總體線損是降低的。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]滿博宇,李千葉.配電自動化技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].模具制造,2023,23(9):229-231.

2024年第18期第2篇