一種集保護測控和開關狀態(tài)監(jiān)測裝置的應用

殷志強

【摘要】介紹了一種集成保護、測控和開關狀態(tài)監(jiān)測功能的一體化新裝置及其應用，描述了裝置的防越級跳閘保護、泄漏電流監(jiān)測、高壓電連接測溫、跳合閘線圈保護及機構特性監(jiān)測等功能的技術特點和實現(xiàn)方式。

【關鍵詞】保護測控；開關柜；狀態(tài)監(jiān)測；一體化

引言

隨著電網(wǎng)技術的發(fā)展，狀態(tài)檢修也在電力系統(tǒng)中逐漸引起了重視。狀態(tài)檢修是指根據(jù)先進的狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術提供的設備狀態(tài)信息，判斷設備的異常，預知設備的故障，在故障發(fā)生前進行檢修的方式，它可以減少不必要的檢修工作，節(jié)約工時和費用，使檢修工作更加科學化。狀態(tài)檢修的基礎是對設備進行有效的監(jiān)測和診斷，根據(jù)有關資料記載[1]，對設備進行有效的監(jiān)測和診斷，可使設備維修費減少25%～50%，設備事故率減少75%，經濟效益十分顯著。

煤礦供電系統(tǒng)的35kV、6kV等的成套開關柜上通常安裝有微機保護、操顯裝置、帶電顯示、溫濕度調節(jié)等一系列元件，使得儀表室及成套面板凌亂，顯示不直觀，設備廠家多、維護難度大，某些功能重復投資，且大多不具有通信功能，不滿足更高級自動化要求。

從提高設備可靠性、降低設備投入和運維費用，以及提高自動化水平的方面考慮，本文介紹了一種適用于KYN-28A柜的集保護測控功能和開關狀態(tài)監(jiān)測功能的一體化裝置及其應用。

1、裝置功能配置

一體化裝置是以微機保護測控裝置為基礎，結合煤礦供電的特點，采用了新的保護原理，除根據(jù)不同供用電設備，如線路、配電變、電動機、電容器等配置不同的保護、測控功能外，一體化裝置對成套開關柜內部一次設備的絕緣、電連接發(fā)熱、跳合閘線圈及機構特性進行狀態(tài)監(jiān)測，為設備的安全運行提供了告警機制，從多個方面提高了開關設備的自動化水平和可靠性。其主要功能包括：

1）防越級跳閘保護功能；

2）開關柜內絕緣子監(jiān)測及預警；

3）開關柜內高壓電連接測溫；

4）跳合閘線圈監(jiān)測及保護；

5）開關機構特性監(jiān)測。

2、防越級跳閘保護功能

在我單位井工三礦6kV供電系統(tǒng)中，從地面變電所到井下中央變電所，以及各工作面采取變電所之間，大多采用縱向、多層級、短距離垂直供電模式。該供電模式線路距離短、截面積大、每段電纜阻抗小，往往一處短路，上游多級開關同時檢測到過流信息。而傳統(tǒng)的電流速斷保護整定方式無法滿足保護的選擇性要求，一旦出現(xiàn)短路故障，往往多級開關同時跳閘，進而引發(fā)井下大面積停電，造成淹井事故和瓦斯積聚，嚴重影響安全生產[2]。

為解決越級跳閘問題，裝置利用GOOSE[3]通信網(wǎng)絡實現(xiàn)了分布式區(qū)域保護，使站區(qū)各級保護有機結合，防止事故范圍擴大，提高動作速斷，減少對設備的沖擊。其原理如下：

對圖1所示，當出線1在t0時刻發(fā)生故障，出線1與進線的一體化裝置均檢測到有故障存在，在t1時刻（如相對于故障發(fā)生10ms左右），出線1一體化裝置給進線一體化裝置發(fā)送相關故障信息，進線一體化裝置于t2時刻接收到出線1一體化裝置的信息，短時閉所進線保護，出線1于t3時刻（固有動作時間）動作跳閘，切除故障。

圖1 區(qū)域保護原理——正常動作

對圖2所示，當出線1在t0時刻發(fā)生故障，出線1與進線的一體化裝置均檢測到有故障存在，在t1時刻（如相對于故障發(fā)生10ms左右），出線1一體化裝置給進線一體化裝置發(fā)送相關故障信息，進線一體化裝置于t2時刻接收到出線1一體化裝置的信息，短時閉所進線保護，出線1于t3時刻（固有動作時間）動作跳閘，當一體化裝置跳閘失敗時，進線一體化裝置在經過短延時閉鎖后，于t4時間動作跳進線一體化裝置，從而保證快速切除故障，并起到后備保護作用。

圖2 站域保護原理——故障線路拒動

3、絕緣子監(jiān)測及預警

高壓開關柜內有支撐母線的絕緣子、穿墻套管等絕緣體，其絕緣程度的好壞直接影響電氣設備的可靠性。而表面泄漏電流能有效的表征電氣設備的絕緣狀況，當表面受潮或者污穢嚴重時，泄漏電流將會顯著增大，在臨近閃絡時絕緣表面會出現(xiàn)持續(xù)時間很短，幅度很高的電流脈沖。所以實時在線監(jiān)測電力設備泄漏電流，能真實地反映運行中設備的外絕緣狀況，為有效預防設備外絕緣閃絡提供一種有效的手段。因此，監(jiān)測絕緣體表面泄漏電流，不僅可評估絕緣狀況進行預警，還可減少無謂的清掃和避免絕緣失效造成的事故的發(fā)生。

泄漏電流信號提取采用取流環(huán)方式，泄漏電流的獲取原理見圖2所示。由于泄露電流信號微弱易受外界干擾，尤其是處于高電壓、大電流的電磁環(huán)境中，影響泄漏電流的檢測效果，甚至根本無法檢測出所需要的信號，因此裝置采用了自適應噪聲對消的處理方案以達到滿意效果。

4、高壓電連接測溫

成套開關柜里電連接類型包括：固定連接、滑動（滾動）連接及可分合連接。當電連接狀態(tài)劣化最直接的外部表現(xiàn)就是電連接處溫度的異常過高，輕則加劇電連接處金屬氧化和附近絕緣材料老化，重則導致電連接處金屬熔焊，甚至引發(fā)火災事故。因此需要對電連接處的發(fā)熱進行檢測，一體化裝置對開關柜小車的一次插頭及出線電纜接頭進行了測溫。測溫方式采用接觸式無線測溫，這種方式將溫度傳感器安裝到監(jiān)測點，將傳感器測得的溫度通過無線方式發(fā)送到一體化裝置，中間不需要考慮絕緣問題。溫度傳感器采用美國DALLAS公司的DS18B20數(shù)字傳感器，測溫精度0.5℃，無線采用ISM頻段的433MHz。

監(jiān)測告警的判據(jù)如下：

1）溫點的溫度過高超過閾值；2）度上升過快，如超過4℃/分鐘；3）三相溫度差過大，如超過5℃。

以上任一條件滿足，即可認為電連接狀態(tài)劣化。

5、跳合閘線圈監(jiān)測及保護

現(xiàn)有的保護測控裝置均未對開關設備的操作回路進行有效的監(jiān)測和保護，一旦發(fā)生機構卡死，則會導致跳閘或合閘線圈燒毀。本裝置利用霍爾傳感器來采集跳合閘回路的電流信號，實時監(jiān)測跳合閘回路電流，當檢測到電流突變，即跳合閘命令到達時，開始計時，如果開關機構卡塞或輔助觸點切換不正常，在計時器計時結束，跳合閘線圈電流仍沒有消失，保護監(jiān)控裝置將發(fā)出命令斷開操作回路，起到保護跳合閘線圈的作用，同時告警，提示及時檢修。

6、機構特性監(jiān)測

開關機械狀態(tài)的變化可以通過跳合閘線圈電流波形，及分-和過程中的時間-位移波形和輔助接點轉換的時間波形來反映，開關每個部位特性的變化會在波形中對應的部分產生相關的變化本裝置通過將跳合閘線圈電流波形進行分段，然后對電流大小、變化時間進行分析，并與預先設定的參考值進行對比，可對操作機構因變形、卡塞等導致的動作特性劣化進行監(jiān)視和預警，防止開關操作失靈。

7、結束語

除上述保護、狀態(tài)監(jiān)測功能外，一體化裝置還集成了帶電顯示和閉鎖、開關柜溫濕度控制、人體紅外感應及語言功能，用一臺裝置實現(xiàn)了開關柜的高度智能化。

該裝置安裝在我單位井工三礦地面變電站內，在安裝調試階段，就成功檢測出某出線柜開關合閘機構卡塞引起的合閘時間長問題。在兩年多的運行過程中，由于煤礦粉塵污染大，對柜內絕緣子表面污穢引起的泄漏電流起到了監(jiān)測，提示了維護人員及時清掃。該一體化裝置的使用，使得開關柜面板布置更加簡潔，大量的設備狀態(tài)數(shù)據(jù)可以上送到變電站后臺監(jiān)控，使得運行人員對設備的健康狀況更加明了，也為一次設備嘗試從定期檢修向狀態(tài)檢修轉變提供了設備支持，節(jié)省了維護費用，具有很好的應用前景。

參考文獻

[1]黃雅羅，黃樹紅.發(fā)電設備狀態(tài)檢修.中國電力出版社，2000.

[2]董小秋，張偉.基于閉鎖控制的煤礦供電系統(tǒng)防越級跳閘新方案.中州煤炭，2012，11.

[3]DL/T860.72-2004 變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng) 第7-2部分：變電站和饋線設備的基本通信結構抽象通信服務接口（ACSI）[S].