中压开关柜智能化改造方案

张惠玉

(天一同益电气股份有限公司,福州 350014)

0 引 言

随着电力系统的不断发展,新型的电力系统逐渐成为主流,电力系统不断向智能电网的方向发展。智能电网的发展离不开各种基础设备的构建,而这些设备离不开诸如通信技术、传感器技术、自动控制技术等的运用。为了使电网的运行更加安全、可靠、经济,智能变电站的发展至关重要,而这更离不开智能开关柜的建设。中压开关柜在电力系统中起接受和分配电能的作用,其健康状态直接影响电力系统的安全稳定,因此电力企业十分重视中压开关柜的运行维护。

传统的开关柜由于智能化程度不够,存在许多不足。目前,已有针对中压开关柜的智能化进行改造的研究。文献[1]提出了智能开关柜中的电力技术,实现对设备健康状况的自动评估。文献[2]针对只能用于配电网中的智能中压开关柜,对其关键技术部分展开研究。文献[3]提出的智能开关柜可以实现数据的在线监测,以方便后台系统根据数据进行分析,从而评估设备状态并进行检修。文献[4]通过将传感器安装到开关柜中,从而监控和诊断不同设备的状态。

该文针对传统的中压开关柜的现状和不足,对中压开关柜中的不同模块进行改造,从而保证设备检修状态化和运维高效化。

1 中压开关柜运维现状

目前,电力企业主要采用日常运行监测、故障维护和定期维护来保障开关柜的正常运行。日常运行监测主要包括对电流、电压、功率等电气参数和开关状态量的监测,以反映开关柜的运行状态。故障维护是对发生故障后的开关柜进行维护,而定期维护是一种预防性维护,根据设备磨损和老化的情况,确定维护等级、维护间隔和维护项目等的一种维护方式,其目的是防止设备的性能退化,延长使用寿命。以上方式在一定程度上保障了中压开关柜稳定运行,但依然存在诸多不足,如针对性和及时性不足、智能化不够、主动性较差、维护效率低下、维护费用较高等问题。

随着新型电力系统的建立发展,传统运维方式已经越来越不能满足设备安全性、稳定性和可靠性的指标要求,迫切需要构建一套智能的现代电力控制体系,能实时在线监测电力设备的各项运行数据和相应的状态参数,并对设备实际状况进行智能状态评估[5]。当显示设备正在退化且失效概率的指标上升时,则立刻发出预警。同时,运维人员将同步收到相关信息,第一时间掌握现场情况,进行有效处理,避免或者减少重大事故的发生,保证设备安全稳定运行[6]。

2 中压开关柜智能化改造方案

中压开关柜智能化系统基于常规开关柜,通过在关键位置布置多种智能传感器、多功能采集器、工业平板和智能化测控终端,实现开关柜智能化。

中压开关柜智能化改造应满足性能需求,具备模块化、快速安装和快速更换等特点。因此,智能化零件采用模块化结构,具有相同参数和结构的智能化零部件应能互换,即功能模块的增加或减少,不能影响其他功能模块的正常使用。智能化元件多采用插拔结构,能实现快速安装和快速更换。改造方案通过电力物联网、互联网、信息传感等技术实现各节点的互联,并使其与开关柜协同工作,实时监测开关柜的工作状态。常规的监测内容包括主回路无线温度监测、环境温湿度监测、局部放电监测、机械特性监测、视频监测和电量监测等[7]。

2.1 无线温度监测改造方案

中压开关柜由于制造或使用上的原因,造成触头的温度异常上升,需要及时发现并采取措施。目前对开关柜的接点温度监测仅限于由专业人员对局部接点进行巡检,对断路器触头无较好监测办法。开关柜数量多,巡检耗费巨大,而且带电检测危险性较大。因此,实时监控开关柜的温度健康状况意义重大。

通过在开关柜的断路器室、电缆室、主母线室的关键部位布置无源无线测温传感器,实现对该关键部位的温度实时监测,并将数据传送到智能测控终端。当温度超过设定值后,自动启动报警装置或散热装置以消除热故障,从而将温度控制在设定值内,最大限度地保障电力设备的安全稳定运行。

主回路无线温度监测是根据实际的负荷电流值计算出开关柜的理论温度,并与实测的运行温度进行对比,如有异常则发送警告信息。开关柜的温度以及环境的监控情况如图1所示。

图1 开关柜的温度以及环境的监控

2.2 环境温湿度监测改造方案

开关柜由于安装环境差、设备密封不严实、空气中温湿度变化大等原因造成的凝露问题,可能导致爬电、闪络等事故。因此,可在开关设备的断路器室、电缆室、主母线室内布置温湿度传感器,实时将该隔室的温湿度值传送到智能测控终端内,根据预置参数判断温湿度状态,自动开启或关闭风机和加热器等驱湿装置。

2.3 局部放电监测改造方案

对中压开关柜进行局部放电在线监测,能够了解设备的绝缘状况,确定绝缘故障的原因及其严重程度。局部放电监测采用声电联合监测方法对开关柜绝缘状态进行监测。通过在开关柜电缆室隔板柜门外侧安装TEV传感器,电缆室内安装超声波传感器,实时监测显示监测点局部放电幅值、频次、温度,确定电缆室内安装点的相对位置,必要时给出报警。同时,局部放电监测还能及时发现开关柜的绝缘缺陷,并为评估其绝缘水平及老化程度提供判据,为开关柜的检修工作提供依据。

2.4 机械特性监测改造方案

近年来高压断路器缺陷率居高不下,据统计,一半以上的高压断路器故障是由于机械特性不良造成的,因此对断路器机械特性监测具有重要意义[8]。

机械特性监测是对运行设备的状态量进行持续监测,并将采集的信号量及时处理分析,用来判断设备缺陷以及缺陷的部位和原因。机械特性监测采用外置式霍尔电流传感器,在不改变二次接线的情况下,实时采集分合闸线圈和储能电机的电流、电压信号,通过处理运算获得储能电机电压电流曲线、分合闸线圈电压电流曲线、储能次数、分合闸次数、分合闸线圈操作时间和储能电机操作时间等数据,并具有监视分合闸回路状态等功能。通过增加角位置传感器和直线位移传感器,可获得开距、超程、分闸速度、合闸速度等数据。这些数据能长期就地积累储存,可用于对高压断路器的缺陷进行深度分析、智能诊断或缺陷预测,数据能通过RS-485接口传输给智能测控终端。智能测控终端能集中进行数据显示、分析和管理,同时也能指导运维人员制定维保计划。

2.5 视频监测改造方案

开关柜内视频监测通过在开关柜柜内的母线室和电缆室布置自带补光LED灯的广角摄像头捕捉开关状态,对断路器手车、接地开关位置的状态进行监视,并可实现视频存储功能,辅助确认设备的实时状态,保障设备和人身安全。当需要远程操作开关设备时,不需要派人前往现场,节省了人员配置,提高了工作效率。开关柜的视频监测情况如图2所示。

图2 开关柜的视频监测

2.6 底盘车电动改造方案

断路器手车、隔离手车、电压互感器(含避雷器)手车底盘为电动底盘,包括本体和智能操控装置,其中智能操控装置可通过RS-485接口与智能测控终端传输数据,同时可以以多种方式显示其位置状态,操作过程能通过视频可视化。智能操控装置安装于仪表室内。电动底盘可分别进行电动和手动操作,通过离合的啮合和脱离实现底盘电动和手动操作的相互独立、自由切换和互为闭锁。当电动操作发生故障时,可在不停母线的情况下保证用手动方式把小车摇出至试验位置。电动底盘的驱动电机横置安装在电动底盘车上,驱动模块(含整流模块)不应安装在断路器机构箱及电动底盘内。电动底盘的操作控制单元具备堵转、操作限时保护和故障报警功能。当进出操作过程中出现阻滞时,能发出报警信号,及时切断电机电源,防止相关机械闭锁元件损坏,点亮故障报警灯并可将故障信号上传。

电动底盘应使用两种不同原理的辅助开关或传感器检测底盘车位置信号,智能操控装置应配置确认手车位置“双确认”的逻辑。因此,可通过视频监测到的底盘车状态和断路器室底板上的试验位置、工作位置分别安装红外激光传感器采集底盘车状态,实现底盘车位置“双确认”。

现场改造时,可直接将手动底盘车更换为电动底盘车,增加断路器相关电动部分接线。

2.7 快速接地开关电动改造方案

电动快速接地开关应安装在开关柜中下部,包括接地开关本体、电动操作机构及智能操控装置。电动操作机构与接地开关本体不应一体化安装,电动操作机构的安装位置应便于检修。电动快速接地开关可分别进行手动和电动操作,手动操作和电动操作自动切换、互为闭锁。电动快速接地开关的智能操控装置可独立配置也可与电动底盘车的智能操控装置一起使用。接地开关能远程进行电动操作,并应具有电动操作电机堵转保护和故障报警功能。当接地开关电动操作的齿轮机构在运行过程中出现阻滞时进行报警,可及时切断电机,防止电动操作机构继续进行损坏相关部件。

电动快速接地开关应使用两种不同原理的辅助开关或传感器检测接地开关位置信号,智能操控装置应配置确认接地开关位置“双确认”的逻辑。因此,可通过视频监测到的接地开关分合状态和电缆室侧壁上在合闸位置、分闸位置分别安装红外激光传感器采集接地开关分合状态,实现接地开关分合位置“双确认”。现场改造时,需要将手动接地开关的接地联锁更换为电动接地联锁,增加电动部分,更换全套接地联锁,增加相关电动部分接线。

3 现场安装改造

中压开关柜厂家各异,需求各异,造成现场情况异常复杂,改造方案无法固定为一个模式。目前,智能化零部件都已模块化,安装具有快速方便的特点,因此现场改造方案可根据现场实际需求和情况确定。各传感器、监控摄像头安装位置如图3和图4所示。

图4 摄像头安装图

4 结 语

该文分析了传统中压开关柜的现状以及运维方法的不足,详细阐述了中压开关柜智能化各个模块的改造方案。中压开关柜的智能化改造实现开关设备电动操作的自动化、在线监测以及健康状况评估,高效指导运维人员进行维护检修工作,满足现阶段智能电网发展的需要。随着智能电网的不断发展,中压开关柜智能化改造方案的应用范围还将不断扩大。