中壓開關柜智能化改造方案

張惠玉

(天一同益電氣股份有限公司,福州 350014)

0 引 言

隨著電力系統的不斷發展,新型的電力系統逐漸成為主流,電力系統不斷向智能電網的方向發展。智能電網的發展離不開各種基礎設備的構建,而這些設備離不開諸如通信技術、傳感器技術、自動控制技術等的運用。為了使電網的運行更加安全、可靠、經濟,智能變電站的發展至關重要,而這更離不開智能開關柜的建設。中壓開關柜在電力系統中起接受和分配電能的作用,其健康狀態直接影響電力系統的安全穩定,因此電力企業十分重視中壓開關柜的運行維護。

傳統的開關柜由于智能化程度不夠,存在許多不足。目前,已有針對中壓開關柜的智能化進行改造的研究。文獻[1]提出了智能開關柜中的電力技術,實現對設備健康狀況的自動評估。文獻[2]針對只能用于配電網中的智能中壓開關柜,對其關鍵技術部分展開研究。文獻[3]提出的智能開關柜可以實現數據的在線監測,以方便后臺系統根據數據進行分析,從而評估設備狀態并進行檢修。文獻[4]通過將傳感器安裝到開關柜中,從而監控和診斷不同設備的狀態。

該文針對傳統的中壓開關柜的現狀和不足,對中壓開關柜中的不同模塊進行改造,從而保證設備檢修狀態化和運維高效化。

1 中壓開關柜運維現狀

目前,電力企業主要采用日常運行監測、故障維護和定期維護來保障開關柜的正常運行。日常運行監測主要包括對電流、電壓、功率等電氣參數和開關狀態量的監測,以反映開關柜的運行狀態。故障維護是對發生故障后的開關柜進行維護,而定期維護是一種預防性維護,根據設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柜穩定運行,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。

隨著新型電力系統的建立發展,傳統運維方式已經越來越不能滿足設備安全性、穩定性和可靠性的指標要求,迫切需要構建一套智能的現代電力控制體系,能實時在線監測電力設備的各項運行數據和相應的狀態參數,并對設備實際狀況進行智能狀態評估[5]。當顯示設備正在退化且失效概率的指標上升時,則立刻發出預警。同時,運維人員將同步收到相關信息,第一時間掌握現場情況,進行有效處理,避免或者減少重大事故的發生,保證設備安全穩定運行[6]。

2 中壓開關柜智能化改造方案

中壓開關柜智能化系統基于常規開關柜,通過在關鍵位置布置多種智能傳感器、多功能采集器、工業平板和智能化測控終端,實現開關柜智能化。

中壓開關柜智能化改造應滿足性能需求,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構,具有相同參數和結構的智能化零部件應能互換,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構,能實現快速安裝和快速更換。改造方案通過電力物聯網、互聯網、信息傳感等技術實現各節點的互聯,并使其與開關柜協同工作,實時監測開關柜的工作狀態。常規的監測內容包括主回路無線溫度監測、環境溫濕度監測、局部放電監測、機械特性監測、視頻監測和電量監測等[7]。

2.1 無線溫度監測改造方案

中壓開關柜由于制造或使用上的原因,造成觸頭的溫度異常上升,需要及時發現并采取措施。目前對開關柜的接點溫度監測僅限于由專業人員對局部接點進行巡檢,對斷路器觸頭無較好監測辦法。開關柜數量多,巡檢耗費巨大,而且帶電檢測危險性較大。因此,實時監控開關柜的溫度健康狀況意義重大。

通過在開關柜的斷路器室、電纜室、主母線室的關鍵部位布置無源無線測溫傳感器,實現對該關鍵部位的溫度實時監測,并將數據傳送到智能測控終端。當溫度超過設定值后,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定值內,最大限度地保障電力設備的安全穩定運行。

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

圖1 開關柜的溫度以及環境的監控

2.2 環境溫濕度監測改造方案

開關柜由于安裝環境差、設備密封不嚴實、空氣中溫濕度變化大等原因造成的凝露問題,可能導致爬電、閃絡等事故。因此,可在開關設備的斷路器室、電纜室、主母線室內布置溫濕度傳感器,實時將該隔室的溫濕度值傳送到智能測控終端內,根據預置參數判斷溫濕度狀態,自動開啟或關閉風機和加熱器等驅濕裝置。

2.3 局部放電監測改造方案

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

2.4 機械特性監測改造方案

近年來高壓斷路器缺陷率居高不下,據統計,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測具有重要意義[8]。

機械特性監測是對運行設備的狀態量進行持續監測,并將采集的信號量及時處理分析,用來判斷設備缺陷以及缺陷的部位和原因。機械特性監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、分合閘次數、分合閘線圈操作時間和儲能電機操作時間等數據,并具有監視分合閘回路狀態等功能。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、合閘速度等數據。這些數據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、智能診斷或缺陷預測,數據能通過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據顯示、分析和管理,同時也能指導運維人員制定維保計劃。

2.5 視頻監測改造方案

開關柜內視頻監測通過在開關柜柜內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狀態,對斷路器手車、接地開關位置的狀態進行監視,并可實現視頻存儲功能,輔助確認設備的實時狀態,保障設備和人身安全。當需要遠程操作開關設備時,不需要派人前往現場,節省了人員配置,提高了工作效率。開關柜的視頻監測情況如圖2所示。

圖2 開關柜的視頻監測

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據,同時可以以多種方式顯示其位置狀態,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。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。電動底盤的驅動電機橫置安裝在電動底盤車上,驅動模塊(含整流模塊)不應安裝在斷路器機構箱及電動底盤內。電動底盤的操作控制單元具備堵轉、操作限時保護和故障報警功能。當進出操作過程中出現阻滯時,能發出報警信號,及時切斷電機電源,防止相關機械閉鎖元件損壞,點亮故障報警燈并可將故障信號上傳。

電動底盤應使用兩種不同原理的輔助開關或傳感器檢測底盤車位置信號,智能操控裝置應配置確認手車位置“雙確認”的邏輯。因此,可通過視頻監測到的底盤車狀態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,實現底盤車位置“雙確認”。

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

2.7 快速接地開關電動改造方案

電動快速接地開關應安裝在開關柜中下部,包括接地開關本體、電動操作機構及智能操控裝置。電動操作機構與接地開關本體不應一體化安裝,電動操作機構的安裝位置應便于檢修。電動快速接地開關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。接地開關能遠程進行電動操作,并應具有電動操作電機堵轉保護和故障報警功能。當接地開關電動操作的齒輪機構在運行過程中出現阻滯時進行報警,可及時切斷電機,防止電動操作機構繼續進行損壞相關部件。

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

3 現場安裝改造

中壓開關柜廠家各異,需求各異,造成現場情況異常復雜,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,因此現場改造方案可根據現場實際需求和情況確定。各傳感器、監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 語

該文分析了傳統中壓開關柜的現狀以及運維方法的不足,詳細闡述了中壓開關柜智能化各個模塊的改造方案。中壓開關柜的智能化改造實現開關設備電動操作的自動化、在線監測以及健康狀況評估,高效指導運維人員進行維護檢修工作,滿足現階段智能電網發展的需要。隨著智能電網的不斷發展,中壓開關柜智能化改造方案的應用范圍還將不斷擴大。