馈线自动化终端FTU电源管理装置的研制

0引言

电网系统中,超过85%的故障停电是由配电网故障引起的^[1],根据2024年3月国家能源局发布的《关于新形势下配电网高质量发展的指导意见》(发改能源 (2024〕187号),配电网作为重要的公共基础设施,其供电可靠性关乎电力可靠供应、经济社会发展和服务改善民生。而配电自动化设备能够实现对配电网的实时监控和远程操作^[2],对配电网供电可靠性的提升起到至关重要的作用。城区配电网,特别是老城区,10 kV线路多以架空线为主,更换、新装含馈线自动化终端(FTU)的柱上开关是提升老城区配电自动化覆盖率最直接有效的方案。

1 当前FTU取电模式

目前,成套一二次融合配电自动化柱上开关进行安装时,其馈线自动化终端(FTU)通常采取的取电方法为安装户外型电压互感器(PT),由电压互感器的二次回路为FTU控制箱供电,如图1和图2所示。

当前的FTU控制箱取电模式下,由于需要安装 PT和配套的隔离跌落式熔断器,柱开安装时需要保证3 m左右的垂直空间,而老城区大量存在高低压同杆架设的情况,杆上纵向空间不足,有的杆塔纵向空间甚至不足2 m。同时,杆塔下方通信线、公安监控探头、交通标示牌等物侵占下方空间。经过设计测算,常规柱开安装方式,柱开、熔断器、PT自上到下依次排列,整体所占纵向空间约2.85 m。这样会造成老城区不满足空间条件的电杆无法安装一二次融合柱开,制约了老城区供电可靠性的提升,发生电力故障无法通过自动研判和远程投切迅速隔离故障点,造成额外的电量损失,无法满足人民日益增长的用电需求。

根据实际要求,需要通过一种能不依赖PT取电的FTU控制箱,来降低一二次融合柱开的安装门槛,提升线路的自动化水平。

表1为合肥市庐阳区10 kV线路实现配自全覆盖所需新装、更换配自柱开情况,因PT空间不足造成一二次融合柱开无法新增或者更换,占总数的71.12%;全量实现此类柱开安装更换,可以使配自柱开覆盖率超过80%,为实现配网线路配自全覆盖,乃至全自愈打下坚实的基础。

梳理配自柱开FTU继电保护功能,目前常用动作类型及关联的电气值如表2所示。可见,按照目前配网常用保护配置,PT的主要使用功能是作为各类自动化设备的电源,因此取消PT的核心对策即采用新电源进行替换。

除了新装配自柱开纵向空间不足,部分存量老旧柱开还存在PT故障消缺难的问题。根据Q/GDW 10799.8—2023《国家电网有限公司电力安全工作规程 第8部分:配电部分》第11.3.3条规定“带电断、接空载线路前,应确认后端所有断路器(开关)、隔离开关(刀闸)已断开,变压器、电压互感器已退出运行”,未安装跌落式熔断器等开关的PT无法退出运行,不能通过带电作业隔离PT,一旦此柱开PT故障,消缺工作难以开展,导致部分FTU长期失电掉线。故可尝试取消PT及跌落式熔断器,从而有效缩短配自柱开的垂直安装距离,降低安装门槛。

2 PT功能置换

结合空间受限的电杆均存在同杆220 V市电线路的情况,制定将PT功能置换的思路,即改造现用的配自柱开控制箱,加装降压模块,将控制电源和操作电源改接至同杆的市电线路。

传统配自柱开FTU取电如图3所示,柱开PT提供两路电压,其中220 V作为控制器电源,100 V作为测量电压,如果从下盘低压线路取220V电源并加装220 V转100 V的变压器取代柱开PT,仅安装柱开本体部分,杆上纵向空间仅需1.35 m,可以节省杆上空间0.7 m,满足老城区柱开安装条件。因此,可以制作含变压器的FTU电源管理装置,从柱开两侧变压器台区低压电源取电,经空开、保险和变压器后,向柱开控制器提供两路220 V和两路100 V电压,实现双 PT的功能。

FTU电源管理装置的原理为将两路低压电源接入馈线测控终端FTU电源管理装置,通过预留电源接入点,经过开关和保险,通过变压器变换输出电压等级,再通过输出接口向柱开控制器提供两路220 V和两路100 V电压,实现双PT的功能,其原理示意图如图4所示。

3 FTU电源管理装置的设计

FTU电源管理装置主要包含变压器、电源开关、保险、电源输出接口及箱体外壳等,对比各项设备功能需求,最终选定使用自耦变压器、空气开关、熔断型保险丝、航空插头及不锈钢壳体,具体如下。

3.1箱体材质的选择

箱体材质应满足:1)装置安装在户外杆塔,结实耐用;2)箱体尺寸合适,确保元器件安装空间充裕;3)可以可靠接地,保证安全。对比不锈钢和ABS工程塑料材质,不锈钢制作箱体强度高、使用寿命长,可以可靠接地,成本相比ABS工程塑料只高约10%,故使用不锈钢制作箱体。

3.2 电源开关的选择

电源开关应满足:1)可以可靠断开电源电路;2)使用寿命长。对比旋钮开关和空气开关,因空气开关可以可靠断开电源电路、分合闸指示明显、使用寿命长,故使用空气开关作为开断电源的开关。

3.3保险丝的选择

保险丝在整个装置出现短路等异常时能可靠切 断电源,对比熔断型保险丝和自恢复型保险丝,因熔断型保险丝敏感性更高,响应速度更快,安全性更高,故使用熔断型保险丝作为隔离故障的保险丝。

3.4 变压器的选择

装置中变压器的作用是将220 V交流电转化为100 V交流电用作测量电压,对比直插式转换器和自耦变压器,因自耦变压器成本较低、散热能力强且接线简单,更适合24 h不间断运行的柱开FTU使用,故使用自耦变压器作为电压转换的变压器。

3.5 电压输出接口的选择

电压输出接口要求安全可靠地实现电压输出,与 目前广泛使用的FTU电源标准接口相匹配,安装时不需要变更FTU接线。对比端子排直接接线输出方式和航空插头输出方式,因使用统一规范的航空插头连接可靠性高,密封性好且现场安装简单,不存在误接线的风险,且与 目前广泛使用的FTU电源接口相匹配,故使用统一规范的航空插头输出。

组装完成后的FTU电源管理装置实物如图5所示。

4 FTU电源管理装置运行效果实测

以合肥市庐阳区一台新装柱开和一台存量柱开为例,测试研制的FTU电源管理装置的运行效果。

4.1 新装#71柱开

#71柱开为2023年4月27日柱开改造项目更换的柱开,因杆上空间不足,仅安装了柱开本体,导致 FTU长期离线,从附近配变取电,安装FTU电源管理装置后,重新给#71柱开FTU供电,于2024年1月2日重新调试上线,图6为查询配自主站D5200系统验证的截图, 目前#71柱开运行正常,未发生退出现象。

4.2 存量#2505柱开

#2505柱开为2016年投运配自柱开,因PT故障导致FTU一直离线,且#2505柱开后端为单电源支线,停电消缺难度大。安装FTU电源管理装置后,从后端配变取电接入电源箱,然后接入FTU,于2024年1月4日重新联调上线,图7为查询配自主站D5200系统验证的截图, 目前#2505柱开运行正常,未发生退出现象。

5 结论

馈线自动化终端FTU电源管理装置的研制,可以有效解决10 kV架空线杆上纵向空间不足及PT故障无法带电消缺的问题,有效帮助增加老城区配自设备覆盖率,减少老城区停电时间,并且填补了当前行业内无法在杆上纵向空间不足时安装配自柱开的空白。同时该成果研究的技术不仅局限于柱开更换工作中,还可用于解决其他杆上柱开PT故障难以带电消缺的问题,为存量老旧配自柱开消缺提供一种安全可靠的解决方案。经长期实测观察,此装置能够可靠运行,但可能存在以下几点待提升的地方:

1)高压功率采集不准确。外加变压器箱输出的100 V测量电压,受取电变压器高低压绕组相角差影响,会导致高压功率采集不准确。

2)电缆和架空线连接处的柱开,仅能取到架空线侧的低压电源,不能实现双PT双电源的功能。然而电缆和架空线连接处的柱开多为变电站或是开闭所环网柜的出口柱开, 目前其FTU继电保护功能仅投告警信号,不投跳闸功能,FTU单电源供电不影响配电自动化功能。

3)柱开控制器常年运行,影响低压台区线损。经测算,控制器普通运行情况下功率约为30 W,柱开弹簧储能时功率较大,达到100 W以上,略微增加台区线损,但与原安装PT方案相比,因原PT功率较大,总体线损是降低的。

[参考文献]

[1]刘健.配电网故障处理研究进展[J].供用电,2015,32(4):8-15.

[2]满博宇,李千叶.配电自动化技术在智能电网中的应用[J].模具制造,2023,23(9):229-231.

2024年第18期第2篇