李智玲，江慶霞

(內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司 包頭供電分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

隨著電網(wǎng)逐步向智能化、集約化發(fā)展，就地化保護(hù)成為電力系統(tǒng)保護(hù)領(lǐng)域的主攻課題。2016年初，包頭供電分公司積極響應(yīng)公司系統(tǒng)運行部提出的研究課題，進(jìn)行了就地化保護(hù)相關(guān)技術(shù)前期準(zhǔn)備工作，對就地化保護(hù)從設(shè)計、生產(chǎn)、交接、應(yīng)用、檢修、運維管理情況等方面進(jìn)行了調(diào)研，成立了由公司系統(tǒng)運行部保護(hù)處、局生產(chǎn)技術(shù)處、修試管理處、變電處技術(shù)專家組成的項目攻關(guān)小組，有效融合保護(hù)、變電運行、調(diào)度、通信、智能控制等多項專業(yè)，嚴(yán)格管控項目實施中方案設(shè)計、研制監(jiān)造、設(shè)備驗收、安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，2018年9月內(nèi)蒙古首臺220 kV就地化主變保護(hù)在固北變掛網(wǎng)運行。

1 方案設(shè)計

就地化保護(hù)指直接安裝于開關(guān)場或與一次設(shè)備集成安裝的保護(hù)裝置，其特征是裝置防護(hù)等級高，對外采用專用連接器連接，可實現(xiàn)即插即用。

220 kV就地化主變保護(hù)變壓器高、中、低壓側(cè)配置相同的分布式子機，子機僅執(zhí)行就地采集及跳閘出口功能，不運行保護(hù)邏輯。單獨配置一臺主機，主機通過環(huán)網(wǎng)接收各子機的模擬量及開入量數(shù)據(jù)，經(jīng)邏輯運算后，如果保護(hù)動作則向子機發(fā)送跳閘指令，由子機電纜直接跳閘。

圖1 系統(tǒng)組成

該裝置在防護(hù)等級、電磁兼容、熱設(shè)計等方面采用了機箱一體化成型、板卡一體化設(shè)計、裝置一體化散熱等當(dāng)前最新技術(shù)，確保該裝置在惡劣的自然環(huán)境下仍保持可靠運行；裝置配置了抗干擾芯片，使其抗電波、信號干擾能力得到了大幅提升；電、光纜插頭采用了航空防水插頭，使保護(hù)裝置實現(xiàn)了即插即用，有效防止了誤接線事故的發(fā)生。在實際操作過程中，就地化保護(hù)裝置安裝于一次設(shè)備附近，通過電纜直接采樣直接跳閘，簡化了二次回路，縮短了保護(hù)整組動作時間，提高了保護(hù)可靠性。就地化保護(hù)裝置集成了合并單元和智能終端的功能，原來設(shè)備區(qū)4個端子箱和主控室3面保護(hù)屏才能實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在只需1個室外端子箱就地化保護(hù)裝置和1個室內(nèi)管理機就能實現(xiàn)，節(jié)約了屏位和占地空間。

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究

就地化保護(hù)的優(yōu)勢是基于就地化，針對自然環(huán)境存在溫度、空氣腐蝕、雷雨等影響因素，在開關(guān)廠內(nèi)電磁干擾大，電纜短的特點，在這種環(huán)境下，現(xiàn)場級保護(hù)要能長期可靠運行、保障系統(tǒng)安全，重點從防護(hù)等級、抗干擾、熱設(shè)計、小型化、免維護(hù)等內(nèi)容研究解決方案，直接在開關(guān)場安裝運行。

2.1 高防護(hù)

就地化保護(hù)裝置采用全密閉外殼，一體成型。按照GB4208標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的外殼防護(hù)等級，達(dá)到IP67防護(hù)等級：按完全塵密，按水下1 m設(shè)計和測試防潮。

關(guān)鍵部位，采用專項設(shè)計保證。即完全防止外物侵入，完全防止灰塵進(jìn)入，在承受猛烈的海浪沖擊或強烈噴水時電器的進(jìn)水量應(yīng)不致達(dá)到有害的影響，并且外部端子還要滿足耐壓2 500 V、浪涌4 000 V、沖擊電壓5 000 V等電氣性能。為了達(dá)到IP67防護(hù)等級，就地化保護(hù)裝置采用全封閉式整體設(shè)計，通過高IP防護(hù)重載端接頭技術(shù)引出電纜、光纜供外部使用。在設(shè)計時，為了達(dá)到防止外物侵入的目的采用了全密封式金屬機殼，金屬機殼分為主殼及后蓋，由特定磨具鍛造，保證了二者保證的密合性，主殼及后蓋間通過多個細(xì)螺紋螺釘緊固；重載端子與機殼間采用高性能、耐老化、耐腐蝕的密封墊進(jìn)行防水密封，在主殼與后蓋之間、機殼與航空插座之間均加入了與之相吻合的防水墊圈，以保證裝置在受到強烈噴水時進(jìn)水量的影響。

2.2 抗干擾

相對于控制室安裝的保護(hù)，抗干擾薄弱環(huán)節(jié)需加強設(shè)計，如：PCB采用集成設(shè)計，取消傳統(tǒng)模塊化插件及總線，盡量減少CPU引出信號。電源部分強化防雷設(shè)計。

2.3 熱設(shè)計

溫度引發(fā)的問題，是導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的重要原因?，F(xiàn)場級的IP和EMC防護(hù)要求，又給溫度效應(yīng)的控制，帶來更大挑戰(zhàn)。在極限環(huán)境溫度下，設(shè)備內(nèi)部的器件溫度，要控制在最大允許溫度范圍內(nèi)，確保正常工作。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)4中統(tǒng)計國內(nèi)各地區(qū)戶外溫度值，按無防護(hù)戶外運行，最高環(huán)境溫度為55 ℃。本方案中，實際設(shè)計按：-40 ℃～+70 ℃規(guī)格，高于戶外最嚴(yán)環(huán)境條件。

2.3.1 減少發(fā)熱、促進(jìn)散熱、降低輻射吸收。為了減少發(fā)熱，可以采用低功耗設(shè)計，包括：精簡設(shè)計、高效電源、選用低功耗器件并優(yōu)化控制。

為了增強散熱，可采用多種散熱手段。采用機箱一體化散熱設(shè)計。外殼采用導(dǎo)熱性能好的材料。通過導(dǎo)熱膠與內(nèi)部發(fā)熱部件緊密接觸，整個機箱一體成型。造型采用凹槽設(shè)計，能有效增加散熱面積。材質(zhì)及表面處理，考慮太陽暴曬時盡量降低輻射的吸收。

2.3.2 提高強度。物料選型與可靠性設(shè)計，確保超過環(huán)境應(yīng)力并留有預(yù)度。元器件全部工業(yè)等級，進(jìn)行結(jié)溫測算和實驗驗證，無液晶、電池等易耗元器件。

2.4 小型化

就地化保護(hù)在一次開關(guān)場就地安裝，體積太大，會使得加工工藝和防護(hù)難度加大，同時也給安裝及運維帶來不便。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)通常由保護(hù)板、閉鎖板、管理板、總線板、電源板、交流板和IO板組成。不同功能的板件相互獨立，占據(jù)了較大的空間。在就地化保護(hù)中，創(chuàng)新采取保護(hù)板、閉鎖板、管理板三板合一主控板的方式來達(dá)到設(shè)備小型化的目的。

2.5 “即插即用”技術(shù)

裝置接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，所有的端子定義統(tǒng)一，不同廠家裝置可實現(xiàn)互換，實現(xiàn)“即插即用”。采用航空插座與航空電纜，實現(xiàn)快速、可靠的插接；接口密封采用特殊工藝處理，滿足防水、防塵等具體要求；不同色帶和容錯鍵位設(shè)計，防止現(xiàn)場的誤碰和誤接線；更換式檢修，實現(xiàn)少維護(hù)、易維護(hù)，現(xiàn)場工作量大幅降低。

3 就地化保護(hù)與其他保護(hù)比較

就地化二次設(shè)備是技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合，開啟了變電站設(shè)計、建設(shè)、運維的全新模式。

3.1 技術(shù)方面

就地化保護(hù)裝置集成了合并單元和智能終端以及保護(hù)裝置部分功能。

圖2 就地化保護(hù)與智能變保護(hù)設(shè)備比對

通過單間隔功能縱向集成，減少裝置類型及數(shù)量，整體降低設(shè)備缺陷率，單裝置失效影響范圍減小，系統(tǒng)可靠性得到明顯提升。

智能站繼電保護(hù)速動性、可靠性較傳統(tǒng)保護(hù)有所降低，中間傳輸及轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)增多，保護(hù)動作時間長，單一設(shè)備故障影響范圍擴(kuò)大。就地化保護(hù)無中間環(huán)節(jié)，保護(hù)動作快、單間隔保護(hù)裝置整組動作時間相較目前智能變電站可減少8 ms～10 ms。

基于無防護(hù)、開關(guān)場安裝的就地化二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單、就地電纜采樣跳閘，解決傳統(tǒng)保護(hù)長電纜傳輸信號帶來的問題：如CT飽和、多點接地、回路串?dāng)_、分布電容放電等問題。

3.2 設(shè)計基建

以220 kV固北典型主變工程為例，應(yīng)用就地化二次設(shè)備方案，較非就地化智能站建設(shè)模式相比：①屏柜數(shù)量。因取消間隔保護(hù)屏和智能控制柜，僅配置就地端子箱，屏柜數(shù)量降幅達(dá)60%以上。②建筑面積。因采用小型化，就地化設(shè)備建設(shè)模式，取消保護(hù)小室，縮減建筑降幅近50%。③光纜使用。因保護(hù)集成合并單元和智能終端，并通過航空插頭直接采樣、跳閘，光纜數(shù)量降幅近60%。

3.3 安裝調(diào)試

①安裝環(huán)節(jié)。長線纜大幅減少，敷設(shè)容易；裝置采用無防護(hù)就地安裝且大部分接線采用航空插頭預(yù)制，安裝簡單，整站二次設(shè)備安裝時間大幅縮短；采用標(biāo)準(zhǔn)化連接器，防止現(xiàn)場“誤接線”，提升現(xiàn)場工作本質(zhì)安全。②調(diào)試環(huán)節(jié)。專業(yè)化檢修中心利用自動測試技術(shù)等提高測試效率；保護(hù)配置、調(diào)試完畢后發(fā)往現(xiàn)場，現(xiàn)場經(jīng)整組傳動后即可投運，調(diào)試時間縮減70%以上，提高了檢修效率。

3.4 運行維護(hù)

就地化方案較非就地化建設(shè)模式智能變電站優(yōu)勢：①利用就地化保護(hù)便于安裝和更換，現(xiàn)場檢修工作以快速更換為主，減少設(shè)備停電時間；無間隔保護(hù)虛回路設(shè)計，簡化全站SCD配置及管控難度。②配置一鍵式下裝，實現(xiàn)少維護(hù)、易維護(hù)，現(xiàn)場工作量大幅降低；結(jié)合二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、虛回路可視化及配置文件管控，提高設(shè)備全生命周期管理質(zhì)量、確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行。③將有效提高繼電保護(hù)速動性和可靠性，使得保護(hù)動作時間縮短了25%～33%，保護(hù)屏柜數(shù)量降幅達(dá)60%以上。

4 存在的問題及努力方向

①本項目所研制就地化主變保護(hù)采用分布式方式，由傳統(tǒng)一個主變保護(hù)設(shè)備變成了由主變各側(cè)子機共同完成的模式，需要維護(hù)的主變保護(hù)數(shù)量變多。②就地化主變保護(hù)設(shè)備由于交流端子眾多，并且采用HSR環(huán)網(wǎng)通信方式，因此功率較大，需要進(jìn)一步改進(jìn)，需要重點注意在場運行的通信可靠性。③就地化主變保護(hù)設(shè)備本身防護(hù)等級比較高，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)航空插頭故障率較高，應(yīng)重點關(guān)注。④由于新設(shè)備的特殊性，已編制運行規(guī)程、明確運行和檢修人員的職責(zé)分工，但隨著運行經(jīng)驗的積累，還需繼續(xù)完善設(shè)備使用流程及規(guī)范，相關(guān)技術(shù)人員使用前進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)、實操，確保設(shè)備的正常運行。

伴隨著電網(wǎng)智能化、集約化的發(fā)展，二次設(shè)備下放就地，將成為重要的方向。其核心要求：高可靠性、無防護(hù)、免維護(hù)?；跓o防護(hù)、開關(guān)場安裝的就地化二次設(shè)備是技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合，開啟了變電站設(shè)計、建設(shè)、運維的全新模式。依據(jù)這種理念設(shè)計的現(xiàn)場級二次設(shè)備，其安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、便利性，在220 kV固北站進(jìn)行掛網(wǎng)試運，實際的試運行效果良好，為內(nèi)蒙古其他單位推廣應(yīng)用提供了參考。