基于双判据的开关柜风冷系统研究_李新海.pdf

45电力安全技术第24卷(2022年第12期)基于双判据的开关柜风冷系统研究李新海，孟晨旭，卢泳茵，陈伟明，罗海鑫，范德和(广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400)Research on Air-cooling Control System for Switchgear Based on Dual-criteria DesignLI Xinhai,MENG Chenxu,LU Yongyin,CHEN Weiming,LUO Haixin,FAN Dehe(Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Zhongshan 528400)摘 要 针对 10 kV 大电流开关柜风机控制系统判据单一、设备故障率高、故障告警功能缺乏等问题，基于开关柜负荷电流、温度双判据设计，并集成微机控制技术，研发出新型开关柜微机风冷控制系统。该系统实现了风机启停控制、转速精准控制及异常状况的监测与告警，有效解决了风冷控制系统故障导致开关柜发热损坏设备的问题，提升了 10 kV 大电流开关柜运行的安全稳定性与风冷设备工作的可靠性，实际应用效果良好。关键词 10 kV 开关柜；风冷控制系统；双判据；可控硅调速Abstract:Aiming at the problems of single criterion,high equipment failure rate and lack of fault alarm function in the fan control system of 10 kV high current switchgear,a new type of microcomputer air cooling control system for switchgear is developed based on the design of double criteria for load current and temperature of the switchgear and integrated with microcomputer control technology,which realizes fan start and stop control,accurate speed control and abnormal condition monitoring and alarm,effectively solves the problem of switch cabinet heating and equipment damage caused by air cooling control system failure,and improves the safety and stability of 10 kV high current switch cabinet operation and the reliability of air cooling equipment,with sound practical application effects.Key words:10 kV switchgear;air cooling control system;dual criteria;silicon-controlled speed regulation中图分类号:TM591 文献标识码:A 文章编号:1008-6226(2022)12-0045-06导电部分紧固螺栓松动等因素，各连接部位接触电阻增大，从而导致开关柜发热3-8。随着电流的增加，10 kV 大电流开关柜的异常发热问题愈加严峻，若开关柜长期严重发热，将有可能导致连接部件烧蚀并引发短路故障，造成设备故障、线路停电、人身伤亡等事故，威胁电力系统的安全稳定运行及运维人员的人身安全9-12。因此，在运行过程中有必要将 10 kV 开关柜内的温升控制在合理范围。近年来，研究人员对开关柜的温度进行仿真计算及趋势分析13-15，为开关柜的散热分析提供了有力依据。针对 10 kV 开关柜的温度检测和控制，常采用示温蜡片监视16、手持0引言10 kV 配电网位于电力系统的末端1，直接与用户相连，是输配电的重要环节。为适应用电负荷的快速增长，变电站及配电网中的 10 kV 大电流开关柜均采用额定电流为 4 000 A 及以上的开关柜以提高线路的载流能力及供电水平，满足用户对供电可靠性的更高要求2。然而，在长期运行过程中，由于 10 kV 大电流开关柜中隔离刀闸触头、小车开关触头、母线排、电缆头等连接部位表面氧化腐蚀、基金项目：广东电网有限责任公司科技项目(GDKJXM20192848)。第24卷(2022年第12期)电力安全技术46红外测温17、有源传感器在线测温18-20及无源无线式测温技术21等，在开关柜温度异常过热或温升过高时安排检修，以实现有效监控。采用此类手段可对开关柜内温升进行定期或在线实时监控，从而更加清晰地了解柜内设备发热情况，并对开关柜散热风机启动提供一定的判断依据。目前，10 kV 大电流开关柜通常采用风机强制对流散热方式控制柜内温度。开关柜中风机的启停一般根据开关柜实际运行电流的大小或环境温度的高低进行控制，但该方式存在判据唯一、缺乏综合判断等问题，当唯一条件失效时，无法对 10 kV 大电流开关柜的降温需求进行综合判断，导致无法有效排出开关柜内的热量22，使开关柜主回路温度显著增加。当开关柜风机系统故障时，开关柜载流能力大幅下降，可能引起设备损坏，甚至发生短路爆炸、10 kV 母线失压、配电系统大面积停电的电力安全事件，带来重大经济损失和不良社会影响。据统计，近三年来中山市电网年均发生 27 项开关柜风冷控制系统缺陷，存在极大安全隐患。此外，现有的开关柜风机控制回路还存在电流继电器启停风机定值需手动调整而难以精确整定、电流继电器及接触器故障率高、缺乏故障告警功能等问题。针对上述问题，基于电流与温度双判据逻辑，对 10 kV 大电流开关柜风冷控制系统逻辑进行改进，同时采用微机控制技术，实现电流与温度启停风机的双判据逻辑控制及完善故障告警功能。1风冷控制系统原理及问题分析现有开关柜风冷控制系统由电源、DL 型电磁式过电流继电器、接触器、风机组成，如图 1 所示。图 1开关柜风冷控制系统风机控制回路图 1 中可知，风机由切换开关 ZK 切换选择手动、自动两种启动控制方式。若选择风机手动启动控制方式，则切换开关 13-14 接点接通启动风机，此方式一般在人工检测发现异常过热或温升过高时手动选择，风机的启停均需手动操作。一般情况下，开关柜选用风机自动启动控制方式，此时切换开关接点 11-12 接通，当开关柜内实际负荷电流大于或等于电流继电器 LJ 的动作定值时，LJ 动作，其常开接点 1-3 闭合使交流接触器CJ励磁动作，风机回路中CJ常开接点3-4闭合，风机启动。当负荷电流小于 LJ 返回定值时，接点1-3(LJ)、3-4(CJ)依次断开，风机断电停运。由于电流继电器返回系数一般整定在 0.9 左右，其动作定值与返回定值差距不大，且长时间运行老化后可能导致返回系数变大使得动作定值与返回定值的区间变窄。当负荷电流在电流继电器动作定值与返回定值之间频繁临界波动时，电流继电器、交流接触器将频繁动作与复归，风机频繁启停，容易烧蚀损坏电流继电器、交流接触器接点及风机。一旦出现部件损坏，风机自动启动功能失效，且由于风机控制回路缺乏温控功能，即使开关柜内温度较高风机仍不能自动运转，若此时无有效且及时的测温手段，将给开关柜的安全稳定运行带来巨大的安全风险。此外，现有开关柜风冷控制系统在发生风机故障、电源失电或继电器接点损坏、接触器接点损坏等缺陷时无相应的告警信号上传调度监控，缺乏全面的故障在线监测、告警功能，运行人员不能实时掌握系统的详细状况并响应。针对开关设备的温升控制，文献 23 根据运行电流的大小和环境温度的高低设计了风机控制方案。除电流、温度启动外，该方案还可实现小电流延时、低温延时停风机功能及风机回路故障报警功能。然而，该方案未考虑风机在停止运转后短时内再启动的问题，且控制回路仍存在继电器易损坏、故障率高的问题。文献 24 对风机运行控制提出 3点要求：保证风机在电流达到启动电流时启动、风机发生故障时及时报警、避免风机频繁启动。但分析可知，对风机控制除以上要求外，还需增加温度控制启动功能，以保证电流或温度控制条件任一失效时，仍具备风机自动启动功能。同时，所提出的要求并不能有效避免继电器接点故障率高的问题，1211131214电流测量回路交流电源风机回路风机电源空开自动启动手动启动风机启动控制5K5KA1A21334422183风机接触器切换开关电流互感器绕组电流继电器电源空开ANLHbLJLJFJCJCJZK47第24卷(2022年第12期)电力安全技术且继电器启停定值需手动调整，难以精确整定。因此，通过新型 10 kV 大电流开关柜微机风冷控制系统(简称微机风冷控制系统)的研制以解决上述问题。该系统采用微机及可控硅调速技术，利用电流和温度双判据自动控制风机启停，实现风机精准启停、转速控制功能，避免了风机频繁启停，还可实现异常状况在线监测、告警功能，确保开关柜安全可靠运行，提高设备可靠性。2微机风冷控制系统策略2.1风机启动控制策略微机风冷控制系统采用双判据设计，以开关柜内各相负荷电流大小及温度高低作为风机启停条件，可按需要精确整定负荷电流或柜内温度启动、停止风机的动作定值，同时在风机启停逻辑中增加风机启动、停止保持时间定值，避免风机短时间内频繁启停。微机风冷控制系统风机启动逻辑见图 2。若投入风机手动启动功能，则系统立即启动风机；若投入风机自动控制功能，当系统检测到风机停止时间ttz大于系统设定的风机停止保持时间定值ttzbc时，只要满足“开关柜任一相负荷电流值大于风机启动负荷电流定值Iqd”或“开关柜三相负载电路任一相实际温度值大于风机启动温度定值Tqd”，系统启动风机降温。其中，开关柜三相负载电路实际温度值为柜内温度传感器所测得的各相负载电路温度，温度传感器可按设计布置到开关柜内需测温的设备上，实现关键点的温度采集。图 2风机启动逻辑2.2风机停止控制策略风机停止逻辑见图 3。在风机运转过程中，若投入风机手动停止功能，则系统立即断开电源，风机停止；若投入风机自动控制功能，当系统检测到风机运转时间tyz大于系统设定的风机运转保持时间定值tyzbc时，则系统在满足“开关柜三相负荷电流值均不大于风机停止负荷电流定值Itz”且“开关柜三相负载电路三相的实际温度值均不大于风机停止温度定值Ttz”，风机停止。图 3风机停止逻辑为避免由于风机电源回路电流过大造成温度升高、风机烧毁等情况，系统新增风机过电流保护功能，即风机三相电源电路中任意一相的实际电流值大于系统设定的风机停止工作电流定值Ifjtz，则系统立即断开风机电源，避免风机烧毁而影响风冷控制系统及开关柜设备安全运行。3微机风冷控制系统关键技术3.1信息交互技术系统的硬件主要包括控制器、开关柜电流检测模块、开关柜温度检测模块、可控硅控制模块、风机电流检测模块和风机等，其数据交互见图 4。开关柜电流检测模块、温度检测模块和风机电流检测模块分别用于测量开关柜三相负载电路的实际电流值、实际温度值及风机三相电源电路的实际电流值。三个模块均与控制器相连，可将采集的电流及温度开关柜 A，B，C相负荷电流任意一相大于Iqd开关柜 A，B，C相温度任意一相大于Tqd风机手动启动控制投入风机自动控制投入&1风机启动ttzttzbc开关柜 A，B，C相负荷电流均不大于Itz开关柜 A，B，C相温度均不大于Ttz风机电源 U，V，W 相电流任意一相大于Tfjtz风机手动启动控制投入风机自动控制投入&1风机停止tyztyzbc第24卷(2022年第12期)电力安全技术48数据传送至控制器。控制器作为微机风冷控制系统的数据处理、逻辑比较