中壓開關(guān)柜智能化改造方案

張惠玉

(天一同益電氣股份有限公司,福州 350014)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,新型的電力系統(tǒng)逐漸成為主流,電力系統(tǒng)不斷向智能電網(wǎng)的方向發(fā)展。智能電網(wǎng)的發(fā)展離不開各種基礎(chǔ)設(shè)備的構(gòu)建,而這些設(shè)備離不開諸如通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)等的運用。為了使電網(wǎng)的運行更加安全、可靠、經(jīng)濟,智能變電站的發(fā)展至關(guān)重要,而這更離不開智能開關(guān)柜的建設(shè)。中壓開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中起接受和分配電能的作用,其健康狀態(tài)直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定,因此電力企業(yè)十分重視中壓開關(guān)柜的運行維護。

傳統(tǒng)的開關(guān)柜由于智能化程度不夠,存在許多不足。目前,已有針對中壓開關(guān)柜的智能化進行改造的研究。文獻[1]提出了智能開關(guān)柜中的電力技術(shù),實現(xiàn)對設(shè)備健康狀況的自動評估。文獻[2]針對只能用于配電網(wǎng)中的智能中壓開關(guān)柜,對其關(guān)鍵技術(shù)部分展開研究。文獻[3]提出的智能開關(guān)柜可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測,以方便后臺系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)進行分析,從而評估設(shè)備狀態(tài)并進行檢修。文獻[4]通過將傳感器安裝到開關(guān)柜中,從而監(jiān)控和診斷不同設(shè)備的狀態(tài)。

該文針對傳統(tǒng)的中壓開關(guān)柜的現(xiàn)狀和不足,對中壓開關(guān)柜中的不同模塊進行改造,從而保證設(shè)備檢修狀態(tài)化和運維高效化。

1 中壓開關(guān)柜運維現(xiàn)狀

目前,電力企業(yè)主要采用日常運行監(jiān)測、故障維護和定期維護來保障開關(guān)柜的正常運行。日常運行監(jiān)測主要包括對電流、電壓、功率等電氣參數(shù)和開關(guān)狀態(tài)量的監(jiān)測,以反映開關(guān)柜的運行狀態(tài)。故障維護是對發(fā)生故障后的開關(guān)柜進行維護,而定期維護是一種預(yù)防性維護,根據(jù)設(shè)備磨損和老化的情況,確定維護等級、維護間隔和維護項目等的一種維護方式,其目的是防止設(shè)備的性能退化,延長使用壽命。以上方式在一定程度上保障了中壓開關(guān)柜穩(wěn)定運行,但依然存在諸多不足,如針對性和及時性不足、智能化不夠、主動性較差、維護效率低下、維護費用較高等問題。

隨著新型電力系統(tǒng)的建立發(fā)展,傳統(tǒng)運維方式已經(jīng)越來越不能滿足設(shè)備安全性、穩(wěn)定性和可靠性的指標要求,迫切需要構(gòu)建一套智能的現(xiàn)代電力控制體系,能實時在線監(jiān)測電力設(shè)備的各項運行數(shù)據(jù)和相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù),并對設(shè)備實際狀況進行智能狀態(tài)評估[5]。當顯示設(shè)備正在退化且失效概率的指標上升時,則立刻發(fā)出預(yù)警。同時,運維人員將同步收到相關(guān)信息,第一時間掌握現(xiàn)場情況,進行有效處理,避免或者減少重大事故的發(fā)生,保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行[6]。

2 中壓開關(guān)柜智能化改造方案

中壓開關(guān)柜智能化系統(tǒng)基于常規(guī)開關(guān)柜,通過在關(guān)鍵位置布置多種智能傳感器、多功能采集器、工業(yè)平板和智能化測控終端,實現(xiàn)開關(guān)柜智能化。

中壓開關(guān)柜智能化改造應(yīng)滿足性能需求,具備模塊化、快速安裝和快速更換等特點。因此,智能化零件采用模塊化結(jié)構(gòu),具有相同參數(shù)和結(jié)構(gòu)的智能化零部件應(yīng)能互換,即功能模塊的增加或減少,不能影響其他功能模塊的正常使用。智能化元件多采用插拔結(jié)構(gòu),能實現(xiàn)快速安裝和快速更換。改造方案通過電力物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、信息傳感等技術(shù)實現(xiàn)各節(jié)點的互聯(lián),并使其與開關(guān)柜協(xié)同工作,實時監(jiān)測開關(guān)柜的工作狀態(tài)。常規(guī)的監(jiān)測內(nèi)容包括主回路無線溫度監(jiān)測、環(huán)境溫濕度監(jiān)測、局部放電監(jiān)測、機械特性監(jiān)測、視頻監(jiān)測和電量監(jiān)測等[7]。

2.1 無線溫度監(jiān)測改造方案

中壓開關(guān)柜由于制造或使用上的原因,造成觸頭的溫度異常上升,需要及時發(fā)現(xiàn)并采取措施。目前對開關(guān)柜的接點溫度監(jiān)測僅限于由專業(yè)人員對局部接點進行巡檢,對斷路器觸頭無較好監(jiān)測辦法。開關(guān)柜數(shù)量多,巡檢耗費巨大,而且?guī)щ姍z測危險性較大。因此,實時監(jiān)控開關(guān)柜的溫度健康狀況意義重大。

通過在開關(guān)柜的斷路器室、電纜室、主母線室的關(guān)鍵部位布置無源無線測溫傳感器,實現(xiàn)對該關(guān)鍵部位的溫度實時監(jiān)測,并將數(shù)據(jù)傳送到智能測控終端。當溫度超過設(shè)定值后,自動啟動報警裝置或散熱裝置以消除熱故障,從而將溫度控制在設(shè)定值內(nèi),最大限度地保障電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

主回路無線溫度監(jiān)測是根據(jù)實際的負荷電流值計算出開關(guān)柜的理論溫度,并與實測的運行溫度進行對比,如有異常則發(fā)送警告信息。開關(guān)柜的溫度以及環(huán)境的監(jiān)控情況如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜的溫度以及環(huán)境的監(jiān)控

2.2 環(huán)境溫濕度監(jiān)測改造方案

開關(guān)柜由于安裝環(huán)境差、設(shè)備密封不嚴實、空氣中溫濕度變化大等原因造成的凝露問題,可能導(dǎo)致爬電、閃絡(luò)等事故。因此,可在開關(guān)設(shè)備的斷路器室、電纜室、主母線室內(nèi)布置溫濕度傳感器,實時將該隔室的溫濕度值傳送到智能測控終端內(nèi),根據(jù)預(yù)置參數(shù)判斷溫濕度狀態(tài),自動開啟或關(guān)閉風(fēng)機和加熱器等驅(qū)濕裝置。

2.3 局部放電監(jiān)測改造方案

對中壓開關(guān)柜進行局部放電在線監(jiān)測,能夠了解設(shè)備的絕緣狀況,確定絕緣故障的原因及其嚴重程度。局部放電監(jiān)測采用聲電聯(lián)合監(jiān)測方法對開關(guān)柜絕緣狀態(tài)進行監(jiān)測。通過在開關(guān)柜電纜室隔板柜門外側(cè)安裝TEV傳感器,電纜室內(nèi)安裝超聲波傳感器,實時監(jiān)測顯示監(jiān)測點局部放電幅值、頻次、溫度,確定電纜室內(nèi)安裝點的相對位置,必要時給出報警。同時,局部放電監(jiān)測還能及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜的絕緣缺陷,并為評估其絕緣水平及老化程度提供判據(jù),為開關(guān)柜的檢修工作提供依據(jù)。

2.4 機械特性監(jiān)測改造方案

近年來高壓斷路器缺陷率居高不下,據(jù)統(tǒng)計,一半以上的高壓斷路器故障是由于機械特性不良造成的,因此對斷路器機械特性監(jiān)測具有重要意義[8]。

機械特性監(jiān)測是對運行設(shè)備的狀態(tài)量進行持續(xù)監(jiān)測,并將采集的信號量及時處理分析,用來判斷設(shè)備缺陷以及缺陷的部位和原因。機械特性監(jiān)測采用外置式霍爾電流傳感器,在不改變二次接線的情況下,實時采集分合閘線圈和儲能電機的電流、電壓信號,通過處理運算獲得儲能電機電壓電流曲線、分合閘線圈電壓電流曲線、儲能次數(shù)、分合閘次數(shù)、分合閘線圈操作時間和儲能電機操作時間等數(shù)據(jù),并具有監(jiān)視分合閘回路狀態(tài)等功能。通過增加角位置傳感器和直線位移傳感器,可獲得開距、超程、分閘速度、合閘速度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能長期就地積累儲存,可用于對高壓斷路器的缺陷進行深度分析、智能診斷或缺陷預(yù)測,數(shù)據(jù)能通過RS-485接口傳輸給智能測控終端。智能測控終端能集中進行數(shù)據(jù)顯示、分析和管理,同時也能指導(dǎo)運維人員制定維保計劃。

2.5 視頻監(jiān)測改造方案

開關(guān)柜內(nèi)視頻監(jiān)測通過在開關(guān)柜柜內(nèi)的母線室和電纜室布置自帶補光LED燈的廣角攝像頭捕捉開關(guān)狀態(tài),對斷路器手車、接地開關(guān)位置的狀態(tài)進行監(jiān)視,并可實現(xiàn)視頻存儲功能,輔助確認設(shè)備的實時狀態(tài),保障設(shè)備和人身安全。當需要遠程操作開關(guān)設(shè)備時,不需要派人前往現(xiàn)場,節(jié)省了人員配置,提高了工作效率。開關(guān)柜的視頻監(jiān)測情況如圖2所示。

圖2 開關(guān)柜的視頻監(jiān)測

2.6 底盤車電動改造方案

斷路器手車、隔離手車、電壓互感器(含避雷器)手車底盤為電動底盤,包括本體和智能操控裝置,其中智能操控裝置可通過RS-485接口與智能測控終端傳輸數(shù)據(jù),同時可以以多種方式顯示其位置狀態(tài),操作過程能通過視頻可視化。智能操控裝置安裝于儀表室內(nèi)。電動底盤可分別進行電動和手動操作,通過離合的嚙合和脫離實現(xiàn)底盤電動和手動操作的相互獨立、自由切換和互為閉鎖。當電動操作發(fā)生故障時,可在不停母線的情況下保證用手動方式把小車搖出至試驗位置。電動底盤的驅(qū)動電機橫置安裝在電動底盤車上,驅(qū)動模塊(含整流模塊)不應(yīng)安裝在斷路器機構(gòu)箱及電動底盤內(nèi)。電動底盤的操作控制單元具備堵轉(zhuǎn)、操作限時保護和故障報警功能。當進出操作過程中出現(xiàn)阻滯時,能發(fā)出報警信號,及時切斷電機電源,防止相關(guān)機械閉鎖元件損壞,點亮故障報警燈并可將故障信號上傳。

電動底盤應(yīng)使用兩種不同原理的輔助開關(guān)或傳感器檢測底盤車位置信號,智能操控裝置應(yīng)配置確認手車位置“雙確認”的邏輯。因此,可通過視頻監(jiān)測到的底盤車狀態(tài)和斷路器室底板上的試驗位置、工作位置分別安裝紅外激光傳感器采集底盤車狀態(tài),實現(xiàn)底盤車位置“雙確認”。

現(xiàn)場改造時,可直接將手動底盤車更換為電動底盤車,增加斷路器相關(guān)電動部分接線。

2.7 快速接地開關(guān)電動改造方案

電動快速接地開關(guān)應(yīng)安裝在開關(guān)柜中下部,包括接地開關(guān)本體、電動操作機構(gòu)及智能操控裝置。電動操作機構(gòu)與接地開關(guān)本體不應(yīng)一體化安裝,電動操作機構(gòu)的安裝位置應(yīng)便于檢修。電動快速接地開關(guān)可分別進行手動和電動操作,手動操作和電動操作自動切換、互為閉鎖。電動快速接地開關(guān)的智能操控裝置可獨立配置也可與電動底盤車的智能操控裝置一起使用。接地開關(guān)能遠程進行電動操作,并應(yīng)具有電動操作電機堵轉(zhuǎn)保護和故障報警功能。當接地開關(guān)電動操作的齒輪機構(gòu)在運行過程中出現(xiàn)阻滯時進行報警,可及時切斷電機,防止電動操作機構(gòu)繼續(xù)進行損壞相關(guān)部件。

電動快速接地開關(guān)應(yīng)使用兩種不同原理的輔助開關(guān)或傳感器檢測接地開關(guān)位置信號,智能操控裝置應(yīng)配置確認接地開關(guān)位置“雙確認”的邏輯。因此,可通過視頻監(jiān)測到的接地開關(guān)分合狀態(tài)和電纜室側(cè)壁上在合閘位置、分閘位置分別安裝紅外激光傳感器采集接地開關(guān)分合狀態(tài),實現(xiàn)接地開關(guān)分合位置“雙確認”?，F(xiàn)場改造時,需要將手動接地開關(guān)的接地聯(lián)鎖更換為電動接地聯(lián)鎖,增加電動部分,更換全套接地聯(lián)鎖,增加相關(guān)電動部分接線。

3 現(xiàn)場安裝改造

中壓開關(guān)柜廠家各異,需求各異,造成現(xiàn)場情況異常復(fù)雜,改造方案無法固定為一個模式。目前,智能化零部件都已模塊化,安裝具有快速方便的特點,因此現(xiàn)場改造方案可根據(jù)現(xiàn)場實際需求和情況確定。各傳感器、監(jiān)控攝像頭安裝位置如圖3和圖4所示。

圖4 攝像頭安裝圖

4 結(jié) 語

該文分析了傳統(tǒng)中壓開關(guān)柜的現(xiàn)狀以及運維方法的不足,詳細闡述了中壓開關(guān)柜智能化各個模塊的改造方案。中壓開關(guān)柜的智能化改造實現(xiàn)開關(guān)設(shè)備電動操作的自動化、在線監(jiān)測以及健康狀況評估,高效指導(dǎo)運維人員進行維護檢修工作,滿足現(xiàn)階段智能電網(wǎng)發(fā)展的需要。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展,中壓開關(guān)柜智能化改造方案的應(yīng)用范圍還將不斷擴大。