数字式柱上开关的工程应用分析

数字式柱上开关的工程应用分析

龚学毅

珠海许继电气有限公司 广东珠海 519060

摘要：随着一二次融合配电开关技术的不断发展，国内一二次融合数字式柱上开关也迎来了广泛的工程应用。本文论述了典型数字式柱上开关的技术方案，包含具体的设备技术路线、结构组成、数字化模块（ADMU）技术要求等，展开设备可靠性分析以及工程应用分析，突出分析数字式柱上开关相较于传统的电磁式或者电子式柱上开关所带来的应用优势，对数字式柱上开关的工程应用有一定的指导作用。

关键词：数字式，柱上开关，工程应用，ADMU

0 引言

在国家推进碳达峰、碳中和的大背景下，构建以新能源为主体的新型电力系统成为了重要的发展趋势，而数字电网将成为承载新型电力系统的最佳形态。目前数字电网建设已进入了高速发展期，数字配电网建设也成为了其中最为重要的一部分。柱上开关作为国内配电网架空线路重要的开关设备，是架空线路配电自动化的核心设备，数字式柱上开关也成为了数字配电网的核心设备。本文重点介绍数字式柱上开关的典型技术方案，论述其技术路线、结构组成和ADMU的技术要求，开展设备可靠性分析及工程应用分析，总结数字式柱上开关的工程应用特性。

1 数字式柱上开关的技术方案

1.1技术路线

数字式开关相较于传统的电磁式或者电子式开关，主要是实现开关模拟量的就地数字化，再通过数字量的方式传输至终端单元完成信号的处理。目前完成模拟量就地数字化的技术路线主要两种，第一种是电流传感器采用罗氏线圈，将一次电流转化成二次小信号后经过积分器转成数字量，而电压传感器器则是将二次小电压信号通过模数（AD）转换器转成数字量；第二种是通过将开关本体上的传统电子式电压、电流传感器二次模拟量小信号就近输入到ADMU模块中，通过ADMU完成信号的模数转换，再经过一二次连接电缆与终端单元进行数字量信号传输，而终端单元则通过一二次连接电缆实现ADMU的供电。目前由于第一种方案中罗氏线圈技术在配网开关应用不够成熟，设备体积大，传感精度相对较低等原因，尚不能在柱上开关上拓展应用，因此数字式柱上开关主要采用第二种技术路线。

1.2结构组成

目前国内主流的数字式柱上开关为弹簧操作型数字式断路器，采用弹簧操作机构，三相分立式固封极柱结构，采用外挂式电压、电流传感器或者深度融合型固封极柱，完成电压、电流模拟量小信号的传感，在开关箱体通过内置或者外置的方式集成ADMU模块，完成电压电流模拟量小信号的就地数字化，再通过485通信的方式经过双绞屏蔽电缆完成一二次设备之间的信号传输，因此数字式柱上开关主要由集成ADMU模块的开关本体、数字式终端单元以及一二次连接电缆组成。

1.3数字化关键技术要求

柱上开关通过一体化集成ADMU的方式实现模拟量的就地数字化，而ADMU为有源电子器件，使用寿命难与开关本体寿命匹配，要求ADMU模块核心板可在线热插拔更换，因此ADMU模块的热插拔结构设计、输入输出接口防护设计、数字信号传输抗干扰设计成为了ADMU模块可靠应用的关键技术要求。

（1）热插拔结构设计：ADMU模块应包含壳体及核心板卡两部分，壳体与开关箱体连接，完成开关内部传感器模拟量信号与外置核心板卡之间的接口转换；而核心板卡与壳体之间则具备在线插拔锁扣解扣功能，板卡插入壳体到位后自动锁扣，通过工具旋钮可解扣拔出，实现模块板卡故障后可在线插拔更换的功能。

（2）接口防护设计：ADMU模块应用存在两个接口：一个是壳体与箱体之间的连接接口，需要满足IP65级防护要求，防止水汽进入开关箱体内部，导致内部机构生锈，接口电气短路等现象；另外一个为壳体与核心板卡之间的电气接口，至少需要满足IP55级防护要求，在户外环境中使用应保证水汽无法进入接口内部，避免出现接口插针氧化或者短路等现象。

（3）数字信号传输抗干扰设计：ADMU模块模块完成模拟量的就地数字化后通过485数字信号传输至终端，而数字信号传输容易受电磁环境的干扰，因此从核心板卡到终端单元之间需要全线采用双绞屏蔽电缆进行数字信号传输，电缆屏蔽层单点接地，可靠屏蔽外界电磁干扰；同时需要合理选型485通信芯片，保证信号发出及接收的稳定性。

2 数字式柱上开关的可靠性分析

数字式柱上开关相较于传统的电磁式或者电子式柱上开关，主要变化为外置集成了ADMU模块，一二次设备之间通过数字信号进行遥信、遥测信号传输。传统电磁式或者电子式柱上开关均为无源器件，已经在市场上广泛应用，其应用可靠性较高。而数字式柱上开关引入有源ADMU模块器件后，对开关整机的应用可靠性带来了风险点，主要影响因素有：

（1）开关箱体增加了ADMU模块安装孔，增加箱体密封结构；

（2）传感器二次回路增加连接接口，增加了二次接线错误风险；

（3）ADMU模块要求可在线热插拔设计，增加了外置接口防护以及连接可靠性要求；

（4）ADMU模块为有源器件，使用寿命无法与传统柱上开关无源器件使用寿命匹配，需要通过提升模块元器件的可靠性，结合模块的在线更换来提升开关整机使用寿命；

（5）ADMU模块通过485信号进行数字信号传输，增加了数字量信号传输抗干扰设计。

综上，要提升数字式柱上开关的应用可靠性，需要重点保证ADMU模块元器件的优化选型，提升模块的应用稳定性以及使用寿命，其次通过结构优化设计保证模块各接口的密封性以及连接可靠性。

3 基于数字式柱上开关的工程应用分析

数字式柱上开关的工程应用带来了一些明显的应用优势，比如：

（1）电压、电流遥测传感精度更高，通常可满足0.5级成套设备传感精度，优于传统柱上开关的1级精度；

（2）基于高精度遥测传感，可实现更加精确的线路故障判别与隔离，提升线路供电稳定性；

（3）减少一二次设备之间的遥测电缆，仅保留一根10芯遥控电缆即可满足成套设备三遥信号传输；

（4）在不增加开关航插芯数情况下可满足开关遥测、遥信信号拓展，可满足电源侧及负荷侧三相电压、零序电压、三相测量及保护电流、零序测量及保护电流实时采集，可满足分位、合位、未储能位、低气压等遥信信号采集，甚至未来可拓展开关温度监测、局放监测等遥信信号传输，应用灵活，可适配更多的保护应用模式。

  (5) 在小信号传输过程中，模拟量传输容易受到传输回路环境因素干扰，而数字量传输很大程度上避免了环境因素的干扰，且不受传输回路负载的影响，具有明显的信号无损传输优势。

    数字式柱上开关是近两年一二次融合柱上开关向数字化开关转型的创新产品，顺应国家数字电网建设发展潮流，将是未来配电网工程应用发展趋势，通过数字式柱上开关的规模化工程应用，可更加精确实现配电线路电能监测，更加精准实现线路故障识别与隔离，更加全面实现开关设备的状态监测。

    4 结语

本文浅析了当前数字式柱上开关的技术方案，重点进行数字化关键技术要求剖析，论述了数字式柱上开关的应用可靠性影响因素，同时也分析了数字式开关工程应用优势，对数字式柱上开关的产品设计以及工程应用起到一定的指导作用。

参考文献

[1] 苏君平. 浅谈中压开关柜的数字化[J],科技创新导报，2019.