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(kāi)各種基礎(chǔ)設(shè)備的構(gòu)建,而這些設(shè)備離不開(kāi)諸如通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等的運(yùn)用。為了使電網(wǎng)的運(yùn)行更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì),智能變電站的發(fā)展至關(guān)重要,而這更離不開(kāi)智能開(kāi)關(guān)柜的建設(shè)。中壓開(kāi)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(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行維護(hù)。

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)柜由于智能化程度不夠,存在許多不足。目前,已有針對(duì)中壓開(kāi)關(guān)柜的智能化進(jìn)行改造的研究。文獻(xiàn)[1]提出了智能開(kāi)關(guān)柜中的電力技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備健康狀況的自動(dòng)評(píng)估。文獻(xiàn)[2]針對(duì)只能用于配電網(wǎng)中的智能中壓開(kāi)關(guān)柜,對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)部分展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[3]提出的智能開(kāi)關(guān)柜可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè),以方便后臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從而評(píng)估設(shè)備狀態(tài)并進(jìn)行檢修。文獻(xiàn)[4]通過(guò)將傳感器安裝到開(kāi)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(duì)傳統(tǒng)的中壓開(kāi)關(guān)柜的現(xiàn)狀和不足,對(duì)中壓開(kāi)關(guān)柜中的不同模塊進(jìn)行改造,從而保證設(shè)備檢修狀態(tài)化和運(yùn)維高效化。

1 中壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)維現(xiàn)狀

目前,電力企業(yè)主要采用日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)、故障維護(hù)和定期維護(hù)來(lái)保障開(kāi)關(guān)柜的正常運(yùn)行。日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)電流、電壓、功率等電氣參數(shù)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)量的監(jiān)測(cè),以反映開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)。故障維護(hù)是對(duì)發(fā)生故障后的開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行維護(hù),而定期維護(hù)是一種預(yù)防性維護(hù),根據(jù)設(shè)備磨損和老化的情況,確定維護(hù)等級(jí)、維護(hù)間隔和維護(hù)項(xiàng)目等的一種維護(hù)方式,其目的是防止設(shè)備的性能退化,延長(zhǎng)使用壽命。以上方式在一定程度上保障了中壓開(kāi)關(guān)柜穩(wěn)定運(yùn)行,但依然存在諸多不足,如針對(duì)性和及時(shí)性不足、智能化不夠、主動(dòng)性較差、維護(hù)效率低下、維護(hù)費(fèi)用較高等問(wèn)題。

隨著新型電力系統(tǒng)的建立發(fā)展,傳統(tǒng)運(yùn)維方式已經(jīng)越來(lái)越不能滿足設(shè)備安全性、穩(wěn)定性和可靠性的指標(biāo)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù),并對(duì)設(shè)備實(shí)際狀況進(jìn)行智能狀態(tài)評(píng)估[5]。當(dāng)顯示設(shè)備正在退化且失效概率的指標(biāo)上升時(shí),則立刻發(fā)出預(yù)警。同時(shí),運(yùn)維人員將同步收到相關(guān)信息,第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)情況,進(jìn)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(yùn)行[6]。

2 中壓開(kāi)關(guān)柜智能化改造方案

中壓開(kāi)關(guān)柜智能化系統(tǒng)基于常規(guī)開(kāi)關(guān)柜,通過(guò)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(cè)控終端,實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜智能化。

中壓開(kāi)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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)快速安裝和快速更換。改造方案通過(guò)電力物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、信息傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的互聯(lián),并使其與開(kāi)關(guān)柜協(xié)同工作,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜的工作狀態(tài)。常規(guī)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括主回路無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)、環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)、機(jī)械特性監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)和電量監(jiān)測(cè)等[7]。

2.1 無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)改造方案

中壓開(kāi)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(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施。目前對(duì)開(kāi)關(guān)柜的接點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)僅限于由專業(yè)人員對(duì)局部接點(diǎn)進(jìn)行巡檢,對(duì)斷路器觸頭無(wú)較好監(jiān)測(cè)辦法。開(kāi)關(guān)柜數(shù)量多,巡檢耗費(fèi)巨大,而且?guī)щ姍z測(cè)危險(xiǎn)性較大。因此,實(shí)時(shí)監(jiān)控開(kāi)關(guān)柜的溫度健康狀況意義重大。

通過(guò)在開(kāi)關(guān)柜的斷路器室、電纜室、主母線室的關(guān)鍵部位布置無(wú)源無(wú)線測(cè)溫傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)該關(guān)鍵部位的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并將數(shù)據(jù)傳送到智能測(cè)控終端。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值后,自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)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(yùn)行。

主回路無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)是根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷電流值計(jì)算出開(kāi)關(guān)柜的理論溫度,并與實(shí)測(cè)的運(yùn)行溫度進(jìn)行對(duì)比,如有異常則發(fā)送警告信息。開(kāi)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(kāi)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(cè)改造方案

開(kāi)關(guān)柜由于安裝環(huán)境差、設(shè)備密封不嚴(yán)實(shí)、空氣中溫濕度變化大等原因造成的凝露問(wèn)題,可能導(dǎo)致爬電、閃絡(luò)等事故。因此,可在開(kāi)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(shí)時(shí)將該隔室的溫濕度值傳送到智能測(cè)控終端內(nèi),根據(jù)預(yù)置參數(shù)判斷溫濕度狀態(tài),自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉風(fēng)機(jī)和加熱器等驅(qū)濕裝置。

2.3 局部放電監(jiān)測(cè)改造方案

對(duì)中壓開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè),能夠了解設(shè)備的絕緣狀況,確定絕緣故障的原因及其嚴(yán)重程度。局部放電監(jiān)測(cè)采用聲電聯(lián)合監(jiān)測(cè)方法對(duì)開(kāi)關(guān)柜絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)在開(kāi)關(guān)柜電纜室隔板柜門(mén)外側(cè)安裝TEV傳感器,電纜室內(nèi)安裝超聲波傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)局部放電幅值、頻次、溫度,確定電纜室內(nèi)安裝點(diǎn)的相對(duì)位置,必要時(shí)給出報(bào)警。同時(shí),局部放電監(jiān)測(cè)還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜的絕緣缺陷,并為評(píng)估其絕緣水平及老化程度提供判據(jù),為開(kāi)關(guān)柜的檢修工作提供依據(jù)。

2.4 機(jī)械特性監(jiān)測(cè)改造方案

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

機(jī)械特性監(jiān)測(cè)是對(duì)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),并將采集的信號(hào)量及時(shí)處理分析,用來(lái)判斷設(shè)備缺陷以及缺陷的部位和原因。機(jī)械特性監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)采集分合閘線圈和儲(chǔ)能電機(jī)的電流、電壓信號(hào),通過(guò)處理運(yùn)算獲得儲(chǔ)能電機(jī)電壓電流曲線、分合閘線圈電壓電流曲線、儲(chǔ)能次數(shù)、分合閘次數(shù)、分合閘線圈操作時(shí)間和儲(chǔ)能電機(jī)操作時(shí)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(guò)增加角位置傳感器和直線位移傳感器,可獲得開(kāi)距、超程、分閘速度、合閘速度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能長(zhǎng)期就地積累儲(chǔ)存,可用于對(duì)高壓斷路器的缺陷進(jìn)行深度分析、智能診斷或缺陷預(yù)測(cè),數(shù)據(jù)能通過(guò)RS-485接口傳輸給智能測(cè)控終端。智能測(cè)控終端能集中進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析和管理,同時(shí)也能指導(dǎo)運(yùn)維人員制定維保計(jì)劃。

2.5 視頻監(jiān)測(cè)改造方案

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)視頻監(jiān)測(cè)通過(guò)在開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)的母線室和電纜室布置自帶補(bǔ)光LED燈的廣角攝像頭捕捉開(kāi)關(guān)狀態(tài),對(duì)斷路器手車、接地開(kāi)關(guān)位置的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,并可實(shí)現(xiàn)視頻存儲(chǔ)功能,輔助確認(rèn)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài),保障設(shè)備和人身安全。當(dāng)需要遠(yuǎn)程操作開(kāi)關(guān)設(shè)備時(shí),不需要派人前往現(xiàn)場(chǎng),節(jié)省了人員配置,提高了工作效率。開(kāi)關(guān)柜的視頻監(jiān)測(cè)情況如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)柜的視頻監(jiān)測(cè)

2.6 底盤(pán)車電動(dòng)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(pán)為電動(dòng)底盤(pán),包括本體和智能操控裝置,其中智能操控裝置可通過(guò)RS-485接口與智能測(cè)控終端傳輸數(shù)據(jù),同時(shí)可以以多種方式顯示其位置狀態(tài),操作過(guò)程能通過(guò)視頻可視化。智能操控裝置安裝于儀表室內(nèi)。電動(dòng)底盤(pán)可分別進(jìn)行電動(dòng)和手動(dòng)操作,通過(guò)離合的嚙合和脫離實(shí)現(xiàn)底盤(pán)電動(dòng)和手動(dòng)操作的相互獨(dú)立、自由切換和互為閉鎖。當(dāng)電動(dòng)操作發(fā)生故障時(shí),可在不停母線的情況下保證用手動(dòng)方式把小車搖出至試驗(yàn)位置。電動(dòng)底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)橫置安裝在電動(dòng)底盤(pán)車上,驅(qū)動(dòng)模塊(含整流模塊)不應(yīng)安裝在斷路器機(jī)構(gòu)箱及電動(dòng)底盤(pán)內(nèi)。電動(dòng)底盤(pán)的操作控制單元具備堵轉(zhuǎn)、操作限時(shí)保護(hù)和故障報(bào)警功能。當(dāng)進(jìn)出操作過(guò)程中出現(xiàn)阻滯時(shí),能發(fā)出報(bào)警信號(hào),及時(shí)切斷電機(jī)電源,防止相關(guān)機(jī)械閉鎖元件損壞,點(diǎn)亮故障報(bào)警燈并可將故障信號(hào)上傳。

電動(dòng)底盤(pán)應(yīng)使用兩種不同原理的輔助開(kāi)關(guān)或傳感器檢測(cè)底盤(pán)車位置信號(hào),智能操控裝置應(yīng)配置確認(rèn)手車位置“雙確認(rèn)”的邏輯。因此,可通過(guò)視頻監(jiān)測(cè)到的底盤(pán)車狀態(tài)和斷路器室底板上的試驗(yàn)位置、工作位置分別安裝紅外激光傳感器采集底盤(pán)車狀態(tài),實(shí)現(xiàn)底盤(pán)車位置“雙確認(rèn)”。

現(xiàn)場(chǎng)改造時(shí),可直接將手動(dòng)底盤(pán)車更換為電動(dòng)底盤(pán)車,增加斷路器相關(guān)電動(dòng)部分接線。

2.7 快速接地開(kāi)關(guān)電動(dòng)改造方案

電動(dòng)快速接地開(kāi)關(guān)應(yīng)安裝在開(kāi)關(guān)柜中下部,包括接地開(kāi)關(guān)本體、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)及智能操控裝置。電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)與接地開(kāi)關(guān)本體不應(yīng)一體化安裝,電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的安裝位置應(yīng)便于檢修。電動(dòng)快速接地開(kāi)關(guān)可分別進(jìn)行手動(dòng)和電動(dòng)操作,手動(dòng)操作和電動(dòng)操作自動(dòng)切換、互為閉鎖。電動(dòng)快速接地開(kāi)關(guān)的智能操控裝置可獨(dú)立配置也可與電動(dòng)底盤(pán)車的智能操控裝置一起使用。接地開(kāi)關(guān)能遠(yuǎn)程進(jìn)行電動(dòng)操作,并應(yīng)具有電動(dòng)操作電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)和故障報(bào)警功能。當(dāng)接地開(kāi)關(guān)電動(dòng)操作的齒輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)阻滯時(shí)進(jìn)行報(bào)警,可及時(shí)切斷電機(jī),防止電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行損壞相關(guān)部件。

電動(dòng)快速接地開(kāi)關(guān)應(yīng)使用兩種不同原理的輔助開(kāi)關(guān)或傳感器檢測(cè)接地開(kāi)關(guān)位置信號(hào),智能操控裝置應(yīng)配置確認(rèn)接地開(kāi)關(guān)位置“雙確認(rèn)”的邏輯。因此,可通過(guò)視頻監(jiān)測(cè)到的接地開(kāi)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(kāi)關(guān)分合狀態(tài),實(shí)現(xiàn)接地開(kāi)關(guān)分合位置“雙確認(rèn)”?，F(xiàn)場(chǎng)改造時(shí),需要將手動(dòng)接地開(kāi)關(guān)的接地聯(lián)鎖更換為電動(dòng)接地聯(lián)鎖,增加電動(dòng)部分,更換全套接地聯(lián)鎖,增加相關(guān)電動(dòng)部分接線。

3 現(xiàn)場(chǎng)安裝改造

中壓開(kāi)關(guān)柜廠家各異,需求各異,造成現(xiàn)場(chǎng)情況異常復(fù)雜,改造方案無(wú)法固定為一個(gè)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(diǎn),因此現(xiàn)場(chǎng)改造方案可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求和情況確定。各傳感器、監(jiān)控?cái)z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(yǔ)

該文分析了傳統(tǒng)中壓開(kāi)關(guān)柜的現(xiàn)狀以及運(yùn)維方法的不足,詳細(xì)闡述了中壓開(kāi)關(guān)柜智能化各個(gè)模塊的改造方案。中壓開(kāi)關(guān)柜的智能化改造實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)設(shè)備電動(dòng)操作的自動(dòng)化、在線監(jiān)測(cè)以及健康狀況評(píng)估,高效指導(dǎo)運(yùn)維人員進(jìn)行維護(hù)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(kāi)關(guān)柜智能化改造方案的應(yīng)用范圍還將不斷擴(kuò)大。