隔離開(kāi)關(guān)觸頭位置的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)裝置

方旭光，劉乃杰，陳文通，王翊之，沈建平，張 健

(1.浙江省金華電業(yè)局，浙江 金華 321001;2.四川華雁信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，成都 610061)

電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備分為運(yùn)行、冷備用、熱備用和檢修4種狀態(tài)，將設(shè)備由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的過(guò)程叫倒閘，所進(jìn)行的操作叫倒閘操作。通過(guò)操作隔離開(kāi)關(guān)、斷路器以及掛、拆接地線可將電氣設(shè)備從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)或使系統(tǒng)改變運(yùn)行方式［1－2］。在調(diào)度操作中，尤其是倒閘操作對(duì)隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作即觸頭位置的精確掌握是十分重要的。以往在變電站值班人工進(jìn)行操作時(shí)，操作人員就站在隔離開(kāi)關(guān)附近，可以直接觀察隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)拉后主觸頭的實(shí)際動(dòng)作情況，以確定是否“分”、“合”到位。但是現(xiàn)在在調(diào)度臺(tái)遙控電動(dòng)操作后，由于操作人員是遠(yuǎn)在百里之外操作遙控，無(wú)法觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作后的閘刀刀片實(shí)際的“分”、“合”狀況，這給系統(tǒng)運(yùn)行和安全生產(chǎn)帶來(lái)很大隱患。因此，設(shè)計(jì)隔離開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電氣安全隔離，在線測(cè)定電動(dòng)遙控閘刀操作后的高壓動(dòng)觸頭的位置尤為重要。本文采用激光感應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)了隔離開(kāi)關(guān)觸頭位置的檢測(cè)裝置，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)隔離開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的依據(jù):根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 393－2009，110～220～500 kV(智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范)第5.1.2智能終端配置原則，對(duì)于母線間隔，智能終端負(fù)責(zé)該段母線上所有刀閘信息采集和智能控制［3］。

智能變電站單元的智能終端設(shè)備由智能組件等構(gòu)成，由智能組件實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備的位置信息采集。本裝置中，采用由激光感測(cè)元件組成的智能組件實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)的信息采集。

智能組件設(shè)計(jì)中，一個(gè)智能組件隸屬于一個(gè)斷路器間隔，包括斷路器及其相關(guān)的隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、快速接地開(kāi)關(guān)等。本項(xiàng)目重點(diǎn)是解決敞開(kāi)式AIS隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化組件改造中的技術(shù)問(wèn)題。

2 激光感應(yīng)器件的物理原理

激光型光電開(kāi)關(guān)利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外激光束的遮檔或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，被檢物體不限于金屬，能反射光線的物體均可檢測(cè)，如圖1所示。根據(jù)檢測(cè)方式的不同，激光型光電開(kāi)關(guān)可分為漫反射式光電開(kāi)關(guān)和鏡反射式光電開(kāi)關(guān)［4］。本項(xiàng)目中使用的鏡反射式光電開(kāi)關(guān)集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就發(fā)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。光電開(kāi)關(guān)具有不同的形式:npn二線，npn三線，AC二線，AC五線(自帶繼電器)。

圖1 偏振反射式激光位置檢測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic of moving contact position monitoring with laser polarizing mirror

傳統(tǒng)的高壓隔離開(kāi)關(guān)判斷刀閘的開(kāi)、閉狀態(tài)采用的方法是:在控制刀閘“分”、“合”的操作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸上安裝輔助開(kāi)關(guān)［5－6］，當(dāng)操作機(jī)械動(dòng)作時(shí)，帶動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變輔助開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并利用該狀態(tài)對(duì)刀閘的開(kāi)合狀態(tài)進(jìn)行間接判斷。這只是通過(guò)對(duì)二次側(cè)(低壓側(cè))的檢測(cè)，并沒(méi)有反映出隔離開(kāi)關(guān)一次側(cè)(高壓側(cè))的實(shí)際“分”、“合”狀態(tài)。這種檢測(cè)方法在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中仍然存在著極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

本方案由激光傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)一次側(cè)的監(jiān)測(cè)，是一個(gè)水平運(yùn)動(dòng)型高壓隔離開(kāi)關(guān)的激光感應(yīng)檢測(cè)裝置，如圖2所示。對(duì)隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，主要是針對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸頭位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)U、V、W三相的動(dòng)觸頭處于閉合位置和全分開(kāi)位置，共需要12個(gè)激光發(fā)射感應(yīng)器和12只激光反射鏡(板)。激光反射鏡固定安裝在隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸頭上，激光發(fā)射感應(yīng)器固定安裝在動(dòng)觸頭下方的地面或支架上。

1)針對(duì)隔離開(kāi)關(guān)全開(kāi)或閉合的監(jiān)測(cè)方法是:當(dāng)動(dòng)觸頭處于閉合位置時(shí)，承擔(dān)閉合檢測(cè)激光發(fā)射感應(yīng)器發(fā)出的光線線束剛好能經(jīng)由動(dòng)觸頭上的反射鏡面反射后到達(dá)對(duì)應(yīng)閉合位置的激光感應(yīng)器光敏面，激光感應(yīng)器接收到激光信號(hào)，便輸出一個(gè)相應(yīng)的特征電信號(hào);當(dāng)動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)動(dòng)離開(kāi)閉合位置時(shí)，由于承擔(dān)閉合位檢測(cè)的激光反射鏡也會(huì)隨著開(kāi)關(guān)臂轉(zhuǎn)動(dòng)而改變位置，無(wú)法再將激光發(fā)射感應(yīng)器的激光線束反射回其激光感應(yīng)器光敏面上，此時(shí)，激光發(fā)射感應(yīng)器接收不到激光光束，便相應(yīng)輸出一個(gè)低電平信號(hào)。

2)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)全開(kāi)的監(jiān)測(cè)方法是:當(dāng)動(dòng)觸頭處于全分開(kāi)位置時(shí)，承擔(dān)全開(kāi)檢測(cè)的激光發(fā)射感應(yīng)器發(fā)出的激光線束剛好能經(jīng)由動(dòng)觸頭上的反射鏡反射后到達(dá)對(duì)應(yīng)的全開(kāi)位置激光感應(yīng)器，激光感應(yīng)器接收到激光信號(hào)，便輸出一個(gè)高電平信號(hào);當(dāng)動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)動(dòng)離開(kāi)全分開(kāi)位置時(shí)，由于承擔(dān)全開(kāi)位置檢測(cè)的激光反射鏡也會(huì)隨著動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)動(dòng)而改變位置，無(wú)法再將激光線束發(fā)射至激光感應(yīng)器上，此時(shí)，激光感應(yīng)器接收不到激光信號(hào)，便相應(yīng)輸出一個(gè)低電平信號(hào)。

利用上述方法，可以精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)動(dòng)觸頭是否處于閉合或全分開(kāi)位置。

圖2 水平運(yùn)動(dòng)型高壓隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置示意圖Fig.2 System structure of Laser sensing monitoring device for Horizental moving isolating switch

3 裝置的工程設(shè)計(jì)

本方案系統(tǒng)框架原理如圖3所示。

圖3 激光感應(yīng)模塊系統(tǒng)原理圖Fig.3 Laser Sensing System Diagram

激光感應(yīng)器用于接收從激光反射鏡發(fā)射回來(lái)的激光光束，并根據(jù)是否接受到激光線束而輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)給邏輯判斷模塊;激光發(fā)射鏡安裝在隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸頭上，用于將激光光束發(fā)射到激光感應(yīng)器上，由感應(yīng)器將信號(hào)再輸出［7］。

邏輯判斷模塊接收所有激光感應(yīng)器輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，同時(shí)接收隔離開(kāi)關(guān)二次電路輸出的狀態(tài)信號(hào)，并將這些開(kāi)關(guān)量信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)通過(guò)寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊模塊發(fā)送到后端服務(wù)器。邏輯判斷模塊還通過(guò)串口連接攝像模塊，當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)串口觸發(fā)攝像模塊將隔離開(kāi)關(guān)的圖像信號(hào)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器。

攝像監(jiān)視模塊安裝在隔離開(kāi)關(guān)附近，用于攝取隔離開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)圖像，當(dāng)接收到邏輯判斷模塊發(fā)來(lái)的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，實(shí)時(shí)攝取隔離開(kāi)關(guān)的圖像，并通過(guò)百兆網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送到后端服務(wù)器。

寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過(guò)百兆網(wǎng)線與控制中心建立起隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)邏輯判斷模塊、攝像模塊和后端服務(wù)器的連接。

后端服務(wù)器接收所有隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)合狀態(tài)信息，攝像模塊的前端圖像，并以圖形顯示的方式顯示在屏幕上。

4 技術(shù)指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

1)激光反射傳輸距離≥25 m。

2)激光監(jiān)測(cè)路數(shù):U、V、W三相前后位置12路。

3)智能同步判定時(shí)間≤3 s。

4)通訊接口:符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)RJ－45網(wǎng)口。

5)精度:±2 mm。

6)準(zhǔn)確度:99.99%。

7)室內(nèi)外終端工作溫度:－10～70℃(海拔1000 m)。

在浙江省金華電力公司220 kV華金變電站110 kV的隔離開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)激光監(jiān)測(cè)臺(tái)上，安裝了攝像頭對(duì)其實(shí)施監(jiān)測(cè)，智能化視頻處理后，送到邏輯系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，作出對(duì)隔離開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)的判斷，再將得到的結(jié)果傳輸?shù)秸{(diào)度中心，如圖4所示。這樣就實(shí)現(xiàn)了調(diào)度人員對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和及時(shí)處理異常情況，保障了系統(tǒng)運(yùn)行安全。

5 結(jié)語(yǔ)

圖4 激光反光板安裝位置示意圖Fig.4 Field installed Laser reflector

該檢測(cè)裝置運(yùn)用激光感應(yīng)技術(shù)通過(guò)對(duì)一次側(cè)(高壓側(cè))的位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)動(dòng)觸頭的“分”、“合”狀態(tài)，等同值班人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)的效果，降低了運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了電力設(shè)備操作運(yùn)行的可靠性。而且還具有安全、可靠、準(zhǔn)確簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

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