輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置低溫環(huán)境長(zhǎng)期掛網(wǎng)試驗(yàn)研究

張福忠

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030)

在線監(jiān)測(cè)裝置在黑龍江等低溫地區(qū)的應(yīng)用越來越廣泛，并取得良好效果[1-3]。但輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置在低溫環(huán)境長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，存在誤報(bào)率高、故障頻發(fā)、維護(hù)工作繁重等缺點(diǎn)，輸變電在線監(jiān)測(cè)裝置在東北等低溫地區(qū)長(zhǎng)期運(yùn)行的有效性、可靠性問題亟待解決。

造成上述問題的直接原因是低溫地區(qū)的環(huán)境應(yīng)力對(duì)電子產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大。據(jù)美國(guó)對(duì)地區(qū)產(chǎn)品故障調(diào)查分析結(jié)果：損壞或故障產(chǎn)品中，52%是由于環(huán)境因素引起的(溫度占40%，振動(dòng)占27%，濕度占19%，砂塵占6%，鹽霧占4%，高度占2%，沖擊占2%)[4]。而在國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 242—2010《輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置通用技術(shù)規(guī)范》和Q/GDW 540變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的系列標(biāo)準(zhǔn)中，首先低溫試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度無法滿足低溫地區(qū)運(yùn)行的要求。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置規(guī)定最低工作溫度為-40 ℃，變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置的試驗(yàn)最低溫度為+15 ℃。測(cè)試溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行溫度，環(huán)境因素的作用強(qiáng)度顯然不足。其次，低溫試驗(yàn)的試驗(yàn)方法無法替代現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況。低溫試驗(yàn)僅僅是在-40 ℃下持續(xù)通電運(yùn)行，最長(zhǎng)時(shí)間僅為16 h。對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置來說，16 h的低溫持續(xù)運(yùn)行無法考核其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行能力[5]，無法暴露出冬季運(yùn)行時(shí)間近6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下的可靠性薄弱點(diǎn)，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足低溫地區(qū)的設(shè)備可靠性檢驗(yàn)需要。再次，目前實(shí)驗(yàn)室中尚無法模擬現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況和幾個(gè)月以上的低溫運(yùn)行環(huán)境，現(xiàn)有測(cè)試條件無法滿足可靠性檢驗(yàn)的需求。

針對(duì)上述情況，國(guó)網(wǎng)黑龍江公司依托國(guó)網(wǎng)總部項(xiàng)目，提出在我國(guó)最北端漠河縣進(jìn)行低溫型在線監(jiān)測(cè)裝置的長(zhǎng)期掛網(wǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證該類裝置的低溫運(yùn)行能力，為在線監(jiān)測(cè)裝置在低溫地區(qū)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 低溫可靠性測(cè)試方法研究

從理論上進(jìn)行可靠性分析，建立在線監(jiān)測(cè)裝置可靠性模型。以輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)為例，該類型設(shè)備主要由基站主控板、監(jiān)測(cè)終端、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、外接傳感器等構(gòu)成。

由于MTBF(平均無故障工作時(shí)間)是一個(gè)基本可靠性參數(shù)，任一組成單元的故障都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性模型是串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，每個(gè)組成單元的部件故障都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。供電電源和通信裝置都是單一部件，在線監(jiān)測(cè)裝置本體可以分為多個(gè)部件，故在線監(jiān)測(cè)裝置本體的電路如圖1所示。

圖1 裝置本體的電路

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可靠性數(shù)學(xué)模型：

RS=R1×R2×R3×R4×R5

(1)

式中：RS為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性；R1為基站主控板可靠性；R2為監(jiān)測(cè)終端可靠性；R3為供電系統(tǒng)可靠性；R4為通信系統(tǒng)可靠性；R5為外接傳感器可靠性。

MTBF、可靠度函數(shù)R(t)、產(chǎn)品的累計(jì)失效率λ之間的關(guān)系為

(2)

元器件工作失效率(λp)預(yù)計(jì)公式和數(shù)據(jù)均依據(jù)GJB/Z 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》的附錄A(采用進(jìn)口電子元器件的電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì))數(shù)據(jù)計(jì)算。以場(chǎng)效應(yīng)晶體管為例：

λp=λbπEπQπEπTπS

(3)

式中：λb為基本失效率；πE為環(huán)境系數(shù)；πQ為質(zhì)量系數(shù)；πT為溫度系數(shù)；πS為應(yīng)力系數(shù)。

其中，環(huán)境及溫度系數(shù)對(duì)期間的失效率有較大影響，不能簡(jiǎn)單地通過一種外部因素的影響而確定整體的設(shè)備可靠性。雖然通過理論計(jì)算能夠給出可靠性的計(jì)算值，但是缺乏現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，往往無法有效獲得設(shè)備真正的可靠性情況[4]。

考慮到統(tǒng)一兼顧在線監(jiān)測(cè)裝置可靠性測(cè)試的一致性及面向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可靠性驗(yàn)證的真實(shí)性，本文采用實(shí)驗(yàn)室低溫性能可靠性測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)低溫長(zhǎng)期掛網(wǎng)運(yùn)行可靠性考核相結(jié)合的方式驗(yàn)證裝置的可靠性。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試主要突出測(cè)試結(jié)果的可比較性，將研究產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室低溫下的運(yùn)行性能進(jìn)行比較，在檢測(cè)和運(yùn)行過程中監(jiān)督產(chǎn)品的輸出數(shù)據(jù)，記錄產(chǎn)品出現(xiàn)的故障，并進(jìn)行故障模式及影響分析。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行可靠性分析及測(cè)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)低溫長(zhǎng)期掛網(wǎng)運(yùn)行可靠性考核試驗(yàn)。將在線監(jiān)測(cè)裝置置于低溫環(huán)境中，按照正常工作狀態(tài)運(yùn)行1年。在試驗(yàn)期內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在線監(jiān)測(cè)裝置的輸出數(shù)據(jù)，記錄在線監(jiān)測(cè)裝置出現(xiàn)的故障。通過現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境影響因素的綜合作用，來驗(yàn)證在多因素合成作用下的可靠性提升效果，并對(duì)故障進(jìn)行定位和分析，從而對(duì)在線監(jiān)測(cè)裝置的性能進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)低溫長(zhǎng)期掛網(wǎng)運(yùn)行可靠性測(cè)試方案

2.1 掛網(wǎng)地點(diǎn)的選擇

針對(duì)進(jìn)行低溫現(xiàn)場(chǎng)考核的要求，選擇在大興安嶺漠河縣進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)。漠河在我國(guó)最北端，具有典型的大陸性寒冷氣候特征，受大陸及海洋季風(fēng)交替影響，天氣變化多端，低溫、強(qiáng)輻射等環(huán)境影響因素突出，局部氣候差異顯著。在此處開展低溫環(huán)境掛網(wǎng)試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地考核設(shè)備的耐低溫特性，能夠充分暴露被試品的耐低溫能力和設(shè)計(jì)中不足之處。

針對(duì)掛網(wǎng)的需要，選擇漠河當(dāng)?shù)啬匙冸娬具M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在保證設(shè)備安全的前提下，對(duì)現(xiàn)有變電站進(jìn)行改造，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 掛網(wǎng)試驗(yàn)方案的建立

a.變壓器鐵心接地電流監(jiān)測(cè)裝置

變壓器鐵心接地電流監(jiān)測(cè)裝置需要將鐵心接地電纜穿過傳感器。現(xiàn)場(chǎng)的鐵心接地電纜由于有絕緣層，無法旁路短接。通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，提出利用變壓器鐵心接地線安裝的隔離開關(guān)，通過旁路隔離開關(guān)的接線端子，實(shí)現(xiàn)不停電安裝的方法。

b.避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置

用于測(cè)試的新型避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置采用一體化設(shè)計(jì)，需要將原有避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行替換。由于在避雷器停電情況下安裝避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，母線TV失電，導(dǎo)致繼保裝置無法正常工作，因此需要在避雷器不停電情況下進(jìn)行安裝。本文采用將原有避雷器接線跳接，在線更換避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的方案，如圖3所示。

圖3 裝置本體的電路框圖

c.變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置

通過在變壓器旁設(shè)置專用安裝平臺(tái)，直接將油路與變壓器相連接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

d.斷路器SF6密度微水在線監(jiān)測(cè)裝置

SF6密度微水在線監(jiān)測(cè)裝置安裝簡(jiǎn)單，不需停電，裝置安裝在臨近機(jī)械式SF6密度繼電器的補(bǔ)氣口處。

e.導(dǎo)線弧垂和微風(fēng)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置

由于輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置直接安裝在導(dǎo)線上，因此利用每年春季檢修停電期間，將裝置安裝在試驗(yàn)線路的防振錘上部，如圖4所示。

圖4 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況及數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)掛網(wǎng)情況

根據(jù)掛網(wǎng)試驗(yàn)方案，分別安裝鐵心接地電流、避雷器阻性電流、油中溶解氣體、導(dǎo)線弧垂等裝置，各類裝置的現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖5—圖8所示。

圖5 鐵心接地電流監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)

圖6 避雷器阻性電流監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)

圖7 油中溶解氣體及微水監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)

圖8 導(dǎo)線監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)時(shí)間2016年12月—2017年3月，在一個(gè)冬季的測(cè)試時(shí)段內(nèi)，各裝置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本正常，設(shè)備運(yùn)行良好。避雷器阻性電流監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)趨勢(shì)如圖9所示，2016年12月—2017年3月，等間隔抽取13天溫度和鐵心接地電流數(shù)據(jù)。13天平均氣溫為-28.77 ℃，最低氣溫為-39 ℃，其中9天溫度低于-30 ℃。

圖9 避雷器阻性電流監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)

導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行情況如圖10所示。在漠河低溫時(shí)間段內(nèi)導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)正常，經(jīng)過穩(wěn)定性提升的導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)裝置沒有發(fā)生數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。

鐵心接地電流的運(yùn)行情況如圖11所示。

圖10 導(dǎo)線弧垂監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)

圖11 鐵心接地電流監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

a.在溫度變化情況下，各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本與設(shè)備運(yùn)行情況相一致，說明設(shè)備性能在低溫下未與環(huán)境溫度存在明顯關(guān)聯(lián)性，各監(jiān)測(cè)裝置在低溫環(huán)境下運(yùn)行正常。

b.沒有出現(xiàn)信號(hào)消失、誤報(bào)、通信故障等問題，說明系統(tǒng)整體上工作較可靠，能夠適應(yīng)低溫下的設(shè)備運(yùn)行要求。

c.在使用中也發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)上的缺陷，例如油中溶解氣體取油部分在低溫下發(fā)生漏油，經(jīng)過改進(jìn)及更換元件，再?zèng)]有出現(xiàn)相關(guān)故障。

通過建立現(xiàn)場(chǎng)低溫長(zhǎng)期掛網(wǎng)運(yùn)行考核方案，以黑龍江省漠河縣國(guó)網(wǎng)大興安嶺供電公司在運(yùn)設(shè)備為掛網(wǎng)平臺(tái)，采用在線監(jiān)測(cè)裝置不停電安裝在運(yùn)設(shè)備的方式，將在線監(jiān)測(cè)裝置置于低溫環(huán)境中，按照正常工作狀態(tài)帶電運(yùn)行1年。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以佐證在線監(jiān)測(cè)裝置能夠有效適應(yīng)低溫地區(qū)的長(zhǎng)期工作，有利于提高監(jiān)測(cè)裝置的可靠性，為低溫地區(qū)在線監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用提供技術(shù)保障。