252 kV高壓斷路器故障預警裝置現場安裝方法

韓晨磊，陳昊，夏冰，張若薇，孫子昌，王瑋，王瑞華

(1．國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019；2．青島理工大學信息與控制工程學院，山東 青島 266520)

0 引言

電力系統安全穩定運行是經濟社會發展穩定的重要保障和關鍵動力[1-3]。在我國現行的電網構架中，220 kV電壓等級的電網具有線路輸送功率較大、供電范圍較廣等特點，構成了地區電力系統的主干網絡[4-5]。高壓斷路器作為電力系統的“守衛者”，是切斷故障電路、防止事故擴大的關鍵設備[6-7]。220 kV電力系統中高壓斷路器數量眾多，一旦高壓斷路器自身發生故障，將會對地區供電安全產生重大影響，甚至可能會影響到上一級電網(500 kV電網)的安全運行，引發電網故障擴大，造成巨大的經濟損失。因此，對252 kV斷路器開展故障預警工作，提前發現并排除斷路器早期潛伏性故障，對地區電網的安全穩定運行至關重要[8-9]。

機械故障、外絕緣故障和回路漏電故障是252 kV高壓斷路器常見的幾種故障類型，具有隱蔽性強、特征不明顯等特點，潛伏期故障預警難度極高[10-12]。目前，國內外應用的斷路器在線監測方法，如斷路器內絕緣(SF6氣體)狀態檢測，為了保證設備運行安全，相關檢測裝置安裝皆采取停電安裝的方法。而針對機械故障、外絕緣故障和回路漏電故障等常見故障，普遍采用按照管理周期計劃性地安排停電對斷路器進行試驗的方法來評估斷路器運行狀態，缺乏針對性且停電帶來的附加成本高[13-14]。此外，停電試驗脫離了高壓斷路器實際的帶電運行狀態，檢測缺乏實時性和準確性[15-17]?；诖?，對不停電的高壓斷路器故障預警技術的研究已經成為電力系統亟待突破的重大課題。

本文基于江蘇省某220 kV變電站252 kV斷路器故障預警裝置現場安裝實例，提出基于振動傳感器、電場強度傳感器和電流互感器的高壓斷路器故障預警裝置安裝方法，對現場不停電安裝施工時的前期準備、土建施工、電纜排布、裝置安裝、調試、驗收等全過程進行介紹。

1 智能電子設備柜安裝

1.1 站內基本情況

高壓斷路器故障預警裝置安裝所在的江蘇省某220 kV變電站站內一次設備共分3個電壓等級，分別為220 kV、110 kV及35 kV。220 kV一次接線為戶外敞開式單母線分段接線方式，共有2臺主變壓器、4回進線。站內電磁環境較為惡劣、環境溫差大，考慮到原有的斷路器匯控柜、端子箱均沒有足夠的安裝條件和空間，故選擇單獨設立專用的智能電子設備(intelligent electronic device，IED)柜來安裝斷路器在線監測裝置。在本文所述的220 kV變電站中，通過設立2個IED柜以滿足220 kV設備區全部7臺斷路器故障預警裝置的監控主機及就地分析系統安裝。

1.2 IED柜位置選擇

綜合考慮加裝預警裝置的斷路器在220 kV設備區的相對位置、設備區電纜溝走向、預警裝置纜線走向、IED柜交流電源接入、地面條件、所接纜線總長度等因素，確定IED柜在現場的安裝位置。

1.3 土建工作

在確定IED柜安裝位置后，首先進行柜體的土建基礎制作。在選定的立柜位置定位放線，開挖基槽，敷設通向電纜溝的排管，接地體預埋，安裝模板，澆筑混凝土，混凝土拆模后，覆蓋塑料薄膜進行養護，養護時間為10～14天。在柜體基礎養護時間期滿后，進行IED柜的安裝。

1.4 柜體安裝

提前在場外進行IED柜內部裝置組裝工作，使用預制托架預裝斷路器故障預警裝置，加裝預警裝置所需的交流空氣開關。使用插線板模擬裝置通電，查驗預警裝置上電后運行狀態，驗證IED柜內設置的照明及加熱排濕裝置是否能正常運轉。

將組裝好的IED柜運輸到現場，進行基礎找平、定位、安裝，同時做好柜體接地。需要注意的是，由于故障預警裝置各部件已經提前預裝在IED柜內，IED柜整體質量大幅增加，現場運輸時應充分考慮大質量物件的運輸問題，提前準備起重機等起重工具，規劃物料運輸路線。

1.5 柜體電源的引入

根據前期勘察方案，選取鄰近的檢修電源箱作為IED柜供電電源。根據IED柜預埋的排管、電纜溝走向敷設電源電纜，根據檢修電源箱內電源負荷分配情況確定IED柜電源分配。如圖1所示，從檢修電源箱處引入到IED柜內的交流電源通過柜內預設的二級空氣開關分別給加熱照明裝置、交換機、監控主機等斷路器故障預警裝置供電，通過2P空氣開關實現對柜內裝置電源取用的控制。

圖1 IED柜交流空氣開關設置

2 故障預警裝置終端安裝

2.1 線纜敷設

故障預警終端通信線纜敷設范圍由IED柜至7臺252 kV斷路器，包括振動傳感器通信數據線、電場強度傳感器通信數據線及電流互感器通信數據線。線纜敷設過程中，需要對敷設工藝質量進行把控，線纜敷設需沿電纜溝保持筆直，線纜彎曲處的彎曲半徑應大于線纜直徑的10倍，不得出現絞擰、護層斷裂、表面嚴重劃傷等缺陷，在線纜兩端增設波紋管進行保護。通信電纜敷設時在其兩端做好標記以便于后期傳感器安裝時辨識電纜。通信數據線纜敷設的過程中，應及時采用防火防潮封堵材料對電纜溝防火墻、斷路器端子箱、檢修電源箱及IED柜等進行封堵，以滿足戶外柜體防塵、防水、防小動物的要求。

通信線纜至斷路器傳感器安裝處敷設須對斷路器原有土建基礎進行重新開挖和恢復?？紤]到不同斷路器所在間隔原有土建基礎差異，通信線纜在每個間隔內的敷設需根據實際情況進行差異化優化。以ABB公司生產的HPL-245B1型三相聯動斷路器為例，該斷路器三相之間通常有橫梁連接，僅需選擇斷路器三相之中最有利于施工的一相斷路器處進行土建開挖、排管下埋、土建恢復即可，三相線纜敷設走線通過同一預埋排管，利用斷路器三相之間的橫梁完成斷路器三相傳感器通信線纜的走線。而對于同樣由ABB公司生產的HPL-245B1型三相分相機構斷路器，該三相之間無橫梁連接，出線間隔斷路器故障預警終端線纜的敷設需要針對A、B、C三相分別進行土建開挖、排管下埋、土建恢復工作，工作量較大。因此，現場施工之前須進行充分的現場勘查，并針對不同斷路器實際安裝條件來制定工作計劃和施工方案。應加強施工全程監護，應使用套管保護線纜外露部分，及時封堵連接處以防止水汽灰塵進入。

2.2 傳感器安裝

本文中的斷路器故障預警裝置信號采集單元包括電場強度傳感器、振動傳感器和電流互感器。振動傳感器可以采集斷路器分、合過程中機械振動信號，通過比對高壓斷路器機械故障樣本庫對斷路器機械故障進行分類、定級。電場強度傳感器可以采集斷路器瓷柱附近的電場強度信息，通過與正常運行狀態下斷路器三相電場強度分布、變化趨勢等信號進行綜合對比，實現對斷路器外絕緣故障的判別和預警。電流互感器用于采集斷路器端子箱內交流電源回路漏電流信息，可靈敏反映高壓斷路器二次回路的發展性漏電故障。

2.2.1安裝點位選擇

以ABB HPL-245B1型三相聯動斷路器為例，對振動傳感器和電場強度傳感器安裝點位的選擇加以說明，其他型號斷路器可參照同型號斷路器實驗室環境安裝點位優化方案。

斷路器機構箱內或斷路器橫梁處為振動信號采集的最佳位置，考慮到振動傳感器采用磁吸式固定方式，為了盡可能避免傳感器對斷路器機構箱內繼電器正常工作的潛在干擾，一般不在機構箱內安裝振動傳感器，而是將安裝點位范圍局限于斷路器橫梁。在實驗室環境下針對ABB HPL-245B1型三相聯動斷路器橫梁內壁、外壁等不同安裝點位分、合閘操作時產生的振動信號進行采集，提取振動信號有效特征量[18]、振動信號強度。ABB HPL-245B1型斷路器振動信號傳感器的安裝點位如圖2所示。

圖2 磁吸式傳感器安裝點位

根據現場實測結果發現，高壓斷路器帶電狀態下，其測量點周圍空間中的三相電場強度近似呈U型分布，且三相電場強度變化趨勢接近[19]。在實驗室環境下對ABB HPL-245B1型三相聯動斷路器不同點位電場強度信號進行采集，并利用采集到的電場強度信號對斷路器U型曲線進行擬合復原，以找到電場強度傳感器的最佳安裝位置[20]，最終確定該型號斷路器電場強度傳感器的安裝點位如圖2所示。

2.2.2磁吸式傳感器安裝方式

考慮到磁吸式傳感器在戶外長期吸附的可靠性，在傳感器與斷路器橫梁之間增配輔助磁吸片，輔助磁吸片的加裝保證了傳感器在多次振動條件下無位移、脫落等情況。

2.2.3電流互感器安裝方式

該變電站220 kV區域端子箱交流電采用環網電源，斷路器儲能電源交流回路A、B、C、N四線穿過剩余電流互感器即可測得剩余電流，此時剩余電流包含長段式動力電纜本身的剩余電流及后端負載的剩余電流，為整個饋線的總剩余電流。采用單傳感器采集方式，剩余電流互感器穿孔直徑為2 cm，安裝于斷路器端子箱開關儲能電源空氣開關下方，使用扎帶捆扎依次疊起，饋線A、B、C、N線穿過傳感器。同時采集單相負荷電流，利用復合電流判據[21]判別電纜漏電故障。剩余電流互感器、單相電流互感器安裝位置如圖3所示。

圖3 電流互感器安裝

需要注意的是，對于不同型號斷路器，端子箱內儲能交流電源線的走線分布不同，可能存在A、B、C、N線相距較遠而無法穿過同一互感器的情況。對于以上情況，要厘清現場交流動力電纜的走線情況，嘗試尋找合適位置加裝傳感器。對于確實無法實現同一互感器鉗A、B、C、N線的情況，可考慮加裝轉換裝置，即使用多個互感器鉗A、B、C、N線，將電流信息匯集后通過轉換器實現剩余電流的轉換和監測。

2.3 故障預警裝置調試

三種類型傳感器與IED柜通過數據線完成連接安裝好，對斷路器故障預警裝置進行調試。檢查裝置外觀及絕緣情況良好，對裝置進行試上電，驗證裝置電源性能及故障告警功能正常。通過通信數據線的插入和拔出，驗證通信通道告警功能正常。通過手動采集數據，驗證裝置報文形成、報文調閱及故障分析等功能正常。

2.4 結合停電安裝

通過本文所述的252 kV高壓斷路器故障預警裝置現場安裝方法，可以在不停電條件下完成現場安裝。當預警裝置采用不停電安裝方法時，應在被監測斷路器預警裝置安裝后首次操作時，在現場驗證預警裝置分合操作事件生成與故障分析功能。當現場具備停電條件時，可以結合停電對相關斷路器故障預警裝置進行功能驗證和分合閘數據采集，試驗數據用以完善和補充故障預警裝置數據庫，同時驗證裝置各項功能是否正常。

3 驗收

按照變電站內屏柜相關驗收標準驗收IED柜，需要特別關注二次接地和電纜標識；按照故障預警裝置相關驗收標準驗收斷路器故障預警裝置，重點驗證信息采集的連續性和正確性，以及確保故障預警裝置功能正常。高壓斷路器故障預警裝置現場安裝工序如圖4所示。

圖4 高壓斷路器故障預警裝置現場安裝工序

4 安全施工注意事項

保障變電站工作現場人身、設備安全是現場施工的前提基礎。本文所述252 kV高壓斷路器故障預警裝置現場安裝方法基于不停電條件，施工過程中的安全注意事項見表1。

表1 不停電安裝安全施工注意事項

5 結語

本文依托江蘇省某220 kV變電站252 kV斷路器故障預警裝置現場，對斷路器故障預警裝置不停電安裝施工前期準備、土建施工、電纜排布、裝置安裝、調試、驗收等全過程進行介紹，提供將斷路器故障預警裝置相關成果落地應用的可行性方案。本文提出的高壓斷路器故障預警裝置不停電安裝方法，在保證安裝全過程安全性、靈活性的同時，大幅縮短了安裝的停電時間并降低了停電成本，實現了對斷路器早期故障的預警。該方法可以推廣至10 kV及以上電壓等級的斷路器故障預警技術應用及裝置安裝，大幅提高斷路器的狀態監測和故障預警水平，提高斷路器檢修的針對性，節約檢修成本，提升變電站智能運檢質效。