高 強(qiáng)，劉 娟,王茂軍，劉 洋，于春來

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)鶴崗供電公司，黑龍江 鶴崗 154101；3.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150036)

隨著狀態(tài)檢修工作深入開展以及堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)，變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。其中，變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置能夠及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯是否存在多點(diǎn)接地情況，已經(jīng)在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并為保障變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮重要作用[1-2]。

由于我國(guó)地域遼闊，東北、新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)冬季平均氣溫長(zhǎng)期處于-30 ℃，局部地區(qū)可達(dá)-50 ℃，導(dǎo)致在戶外安裝運(yùn)行的變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)受著嚴(yán)峻的低溫考驗(yàn)。變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行情況表明，在低溫環(huán)境影響下，裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性明顯下降，故障率較高。目前我國(guó)對(duì)低溫環(huán)境下輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究相對(duì)滯后，國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW 540.1—2010《變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置檢驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定的在線監(jiān)測(cè)裝置考核適用溫度范圍為-40～+65 ℃[3]，無法滿足我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置低溫運(yùn)行環(huán)境的要求。

因此，為了提高變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，滿足我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行可靠性的要求。本文對(duì)影響裝置低溫長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性的主要原因進(jìn)行分析和研究，并設(shè)計(jì)和研制了一種在-55 ℃低溫環(huán)境下，能夠長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的低溫變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置。

1 影響裝置低溫長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性主要原因

a. 裝置元器件選型存在問題

裝置在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，如果沒有考慮低溫工作狀態(tài)的可靠性，將導(dǎo)致部分關(guān)鍵元器件低溫環(huán)境下特性發(fā)生變化，功能失效，從而造成裝置低溫下無法正常啟動(dòng)、頻繁死機(jī)和長(zhǎng)期低溫運(yùn)行環(huán)境下故障率較高等情況出現(xiàn)。

b. 裝置材料選用和工藝處理存在問題

變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置通常采用金屬殼體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料主要包括絕緣材料、金屬材料、電流互感器、電子元器件等，在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)材料物料收縮、延展性差、脆性增加等現(xiàn)象，從而造成裝置殼體密封不嚴(yán)，內(nèi)部電路或元器件受潮損壞等情況出現(xiàn)，導(dǎo)致裝置失效。

2 低溫在線監(jiān)測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

2.1 裝置硬件構(gòu)成

低溫變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置主要由穿心式電流互感器、信號(hào)處理單元、ARM處理器、顯示單元、通信單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘單元及智能電加熱功能單元等組成[4]。裝置硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 裝置硬件構(gòu)成

2.2 工作原理

低溫變壓器鐵芯電流監(jiān)測(cè)裝置工作原理如圖2所示，裝置通過穿心式電流互感器將變壓器鐵芯接地線上的電流信號(hào)耦合到二次繞組后轉(zhuǎn)換為二次電流信號(hào)，該二次電流信號(hào)通過信號(hào)處理單元后，送入ARM處理器中進(jìn)行計(jì)算處理。測(cè)量結(jié)果可通過顯示單元顯示，同時(shí)還將被存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元作為數(shù)據(jù)備份。智能電加熱功能單元用于對(duì)裝置殼體內(nèi)部進(jìn)行恒溫加熱，以提高裝置在低溫環(huán)境下運(yùn)行的可靠性。此外，工作人員還可通過監(jiān)測(cè)后臺(tái)對(duì)裝置的工作參數(shù)(通信參數(shù)、測(cè)量周期、電加熱啟動(dòng)閾值及報(bào)警閾值等)進(jìn)行配置[5]。當(dāng)測(cè)量結(jié)果異常時(shí)，裝置將發(fā)出報(bào)警信息，提醒工作人員及時(shí)處理，防止變壓器鐵芯發(fā)生多點(diǎn)接地故障。

2.3 裝置低溫環(huán)境下可靠性設(shè)計(jì)

a. 元器件選用

裝置全部采用軍品級(jí)(最低工作溫度-55 ℃)和工業(yè)級(jí)(最低工作溫度-40 ℃)元器件。其中，顯示單元采用耐低溫的真空熒光顯示屏(簡(jiǎn)稱VFD)代替常用的液晶顯示器，以保證裝置在低溫環(huán)境下正常顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；同時(shí)，裝置將根據(jù)殼體內(nèi)溫度值進(jìn)行恒溫加熱，以滿足元器件正常工作溫度條件。

圖2 裝置工作原理

圖3 智能型電加熱功能單元結(jié)構(gòu)

b. 保溫隔熱措施

裝置殼體采用雙層結(jié)構(gòu)，在雙層之間嵌入新型高性能保溫隔熱材料納米氣凝膠，而對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隙，則采用聚氨酯泡沫填充；采用這種方法可以很好地將裝置內(nèi)外部隔離，冬季低溫時(shí)，可以使內(nèi)部熱量盡可能集中在殼體內(nèi)；夏季高溫時(shí)，可以很好地阻隔外部熱量向殼體內(nèi)部傳導(dǎo)，有效保證了裝置內(nèi)部元器件能夠始終處于合適的工作溫度范圍內(nèi)。

c. 智能型電加熱功能單元設(shè)計(jì)

當(dāng)外界環(huán)境溫度長(zhǎng)期較低時(shí)，若僅依靠保溫材料的保溫隔熱效果，裝置殼體內(nèi)部的溫度將會(huì)持續(xù)下降，無法保證內(nèi)部電路正常運(yùn)行。因此，在采取隔熱保溫措施的同時(shí)，本文設(shè)計(jì)和研制了一種智能型電加熱功能單元，為裝置內(nèi)部提供輔助熱源。

智能型電加熱功能單元主要由溫控系統(tǒng)、主電加熱裝置和輔助電加熱裝置3個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部空間溫度調(diào)節(jié)。智能型電加熱功能單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

溫控系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部環(huán)境溫度，并根據(jù)設(shè)定的溫度條件和加熱方案，接通電加熱裝置電源，分別啟動(dòng)主電加熱裝置和輔助電加熱裝置對(duì)內(nèi)部空間進(jìn)行加熱，當(dāng)內(nèi)部環(huán)境溫度達(dá)到一定溫度時(shí)，系統(tǒng)將切斷電加熱裝置電源，停止加熱。

3 裝置低溫環(huán)境可靠性驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

裝置在環(huán)境性能實(shí)驗(yàn)室采用高低溫交變濕熱箱進(jìn)行了低溫檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案參照國(guó)標(biāo)GB/T2423.1—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)》，試驗(yàn)溫度設(shè)定為-55 ℃，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為2 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置工作正常。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

2016年6月，在黑龍江省漠河縣西林吉66 kV變電站開展了裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試和應(yīng)用，主要用于監(jiān)測(cè)站內(nèi)主變鐵芯接地電流，目的是驗(yàn)證裝置在低溫條件下的工作性能，降低意外因素給試驗(yàn)帶來的影響。該站主變鐵芯接地線上分別串接安裝了3臺(tái)同型號(hào)低溫鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)裝置，3臺(tái)裝置采用級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)供電和RS485總線通信；同時(shí)，在站內(nèi)集控室機(jī)房?jī)?nèi)布置了1個(gè)監(jiān)測(cè)后臺(tái)，用于集中處理監(jiān)測(cè)裝置上傳的數(shù)據(jù)，以及對(duì)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和管理。裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖4所示。

圖4 裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，低溫變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)在西林吉66 kV變電站掛網(wǎng)運(yùn)行近1年?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，裝置在低溫環(huán)境下測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，各項(xiàng)功能正常，現(xiàn)場(chǎng)工作穩(wěn)定可靠。裝置設(shè)計(jì)和研制方案滿足了我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性的要求，并為同類裝置在低溫環(huán)境下的應(yīng)用提供參考。

[1] 張小輝，王茂軍，高 強(qiáng)，等.換流變鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)異常原因分析及對(duì)策[J].東北電力技術(shù)，2017,38(3)：59-62.

[2] 王茂軍，高 強(qiáng)，耿寶宏.變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置電磁兼容試驗(yàn)與研究[J].東北電力技術(shù)，2014,35(9)：14-16.

[3] 變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置檢驗(yàn)規(guī)范：GB/T2423.1—2008[S].

[4] 王茂軍，高 強(qiáng)，耿寶宏.基于WIA的變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用[J].東北電力技術(shù)，2014,35(10)：30-32.

[5] 周志強(qiáng)，高 強(qiáng)，張軍陽(yáng)，等.變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法[P].中國(guó)專利：ZL201110210033.5,2014-02-12.