可拆卸的繼電保護屏柜研究及工程應用

李乃永 ，李玉敦 ，李 偉 ，王 昕，史方芳

（1.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；3.國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

繼電保護是保障電力安全穩定的重要防線，特別是在當前特高壓交直流混聯大電網形勢下，可靠、準確發揮繼電保護系統的效用意義重大。

近十年來，中國電力工業迅猛發展，電網規模不斷擴大，繼電保護等二次裝置的數量也呈現指數增長。根據統計［1］，截至2015年底，國家電網公司220 kV及以上電壓等級系統繼電保護裝置共有151 405臺，比2006年 （61 125臺）增加90 280臺，增幅為147.70%。繼電保護裝置的大規模增長使得繼電保護裝置運行維護以及升級改造的工作量增大，特別是近幾年來老舊設備更換工作以及落后設備技術改造工作大規模開展，繼電保護運行維護工作形勢變得日益嚴峻。對山東電網而言，隨著繼電保護裝置超期服役治理以及線路保護“雙差動”和母差“雙失靈”改造的進行，繼電保護技術人員面臨的現場工作壓力日益突出。

繼電保護屏柜是高集成度電子設備的支撐基礎，目前大量的繼電保護技術改造工作涉及繼電保護屏柜，屏柜的產品質量、設計結構對繼電保護技術改造的效率有重要影響［2-3］。

繼電保護升級改造中，二次電纜敷設、接線等基礎性工作占據較多工程時間，而且往往難以壓縮，造成這一問題的原因有多種，其中重要的一條是保護屏柜設計工藝問題，目前的保護屏柜采用一體化整體框架結構，安裝完成后結構無法調整，保護裝置改造更換或者二次電纜敷設時往往先將電纜退至電纜溝，新屏組立后再將二次電纜穿上，所有電纜進行重新排列、做頭、二次線芯重新拉直等一系列工藝，導致二次電纜施工工序繁瑣、效率低下。與此同時，在這種條件下進行二次電纜敷設，存在 “誤碰運行設備、引發直流接地、誤傷電纜線芯”等一系列問題，影響保護裝置檢修效率和質量。

為解決上述問題，基于模塊化設計方法，提出一種局部可調整的框架式保護屏柜方案，采用局部拼接模式替代整體焊接結構，屏柜后下橫梁改作拼裝件安裝，保證屏柜底部可調整，方便二次電纜移動和調整，可有效提高二次電纜施工效率。

1 繼電保護屏柜結構要求

繼電保護屏柜是安裝、固定、支撐和保護繼電保護裝置的骨架，是電力二次系統的重要輔助設施。典型繼電保護屏框架結構包括：門楣、橫梁（上梁和下梁）、立柱、肋條、門板（正門、后門和側門），其中，橫梁、立柱、肋條是屏柜的骨架結構，如圖1所示。

圖1 典型繼電保護屏柜框架結構

按照DL／T 720—2013《電力系統繼電保護及安全自動裝置柜（屏）通用技術條件》（以下簡稱通用條件）要求［4］，繼電保護屏柜在設計和制造時，應滿足以下要求：

1）繼電保護屏柜結構應簡潔，布局合理；

2）柜體應采用冷軋鋼板、不銹鋼板等金屬材料制造，具有足夠的剛度和強度，使用維修方便；

3）繼電保護柜的機械結構應滿足產品的技術要求和使用要求，便于安裝、巡視和檢修；

4）根據不同的結構方式及使用條件，繼電保護柜應具備有效的防腐性、耐久性、可維護性、安全性，同時滿足人機工程學的要求。

目前，保護屏柜的設計標準、制造工藝等已較為成熟，根據通用條件規定，保護屏柜采用標準化、統一化制造的產品。為保證穩定性，柜體材料采用冷軋板折彎焊接結構。典型的屏柜基本參數如表1所示。

表1 典型繼電保護屏柜技術指標

2 繼電保護升級改造

保護裝置的技術升級改造有多種類型，如軟件升級、插件更換、整屏改造等，其中整屏更換最為復雜，工作量大、涉及面廣，耗時較長。為縮短繼電保護現場改造的時間，國內學者從技術和管理層面做了相關研究和應用，如繼電保護裝置自動調試［5-6］、施工計劃管理［7-8］等，但現場應用并不理想。繼電保護裝置的技術升級及改造主要分為5個層次。

1）軟件升級。軟件從低版本向高版本的更新，修復低版本的部分缺陷，提高保護裝置可靠性，不需要改動裝置外部回路。

2）裝置插件更換。如更換電源板、開入開出板、功能邏輯板等，這類改造僅對裝置局部進行升級或更換，整體功能未發生變化，無需對二次回路和屏柜接線進行施工或改造。

3）同廠家裝置更換或升級。如RCS901升級為RCS931，這類改造僅需調整屏內線，無需對二次回路進行施工或改造。

4）不同廠家裝置更換。如CSC101升級為PCS931，對于這類改造，由于不同廠家裝置的尺寸、接口需求存在差異，改造技術難度和施工復雜度較大，實際生產中較少采取這種方案。

5）裝置整屏更換。一般裝置有重大缺陷或運行超期情況下進行裝置整屏更換，需重新設計、立屏、敷設電纜、接線等。

上述5類設計中，軟件升級、插件更換以及同廠家裝置更換通常情況下不需要改造二次回路，施工難度小；不同廠家裝置更換和裝置整屏更換需要調整二次回路、重新敷設電纜，施工較復雜，需要較長的停電時間。500 kV變電站典型繼電保護裝置整屏更換工藝流程如圖2所示。

圖2 500 kV變電站整屏改造工藝流程

500 kV變電站整屏改造各環節耗時情況如表2所示。

表2 500 kV變電站整屏改造耗時

由表2可以看出，500 kV變電站整屏改造從屏內二次電纜拆除到二次工藝收尾，每面保護屏柜的工時約45人·h。

由圖2可以看出，為拆除舊屏柜，首先需將所有二次電纜退至電纜溝，新屏組立后再將所有二次電纜穿上，所有電纜需進行重新排列、做頭、二次線芯重新拉直等一系列工藝，存在“誤碰運行設備跳閘、易發生直流接地、誤傷電纜線芯、二次施工繁瑣、工作強度大、工作效率低”等一系列問題。同時由于一次設備停電時間有限，保護邏輯調試、二次回路驗證、帶開關傳動等關鍵工作時間不足，無法保證二次設備“零缺陷”投運。

3 模塊化保護屏柜設計

現有的保護屏柜采用冷軋板折彎焊接結構，橫梁、立柱等骨架結構一體化焊接，不利于現場二次電纜的移動、敷設，提出一種模塊化設計方案。

3.1 設計思路

新型繼電保護屏柜采用局部拼接模式替代整體焊接結構，如圖3所示。屏柜后下橫梁改作拼裝件安裝，保證屏柜底部可調整，方便二次電纜移動和調整，其他部分保持焊接結構不變，確保屏柜整體穩定。

圖3 新型繼電保護屏柜結構

3.2 設計要點

1）局部焊接。上梁、立柱、左下梁、右下梁以及前下梁采用一體化焊接結構，后下橫梁單獨制造，設計標準插孔，如圖4所示，后下橫梁材料與其他部位一致。

圖4 屏柜后下梁部分

2）拼接接入。采用拼接方式與下梁剩余部分連接，在保證框架強度的情況下，以方便拆卸為目的，左右兩邊采用4-M6螺絲進行緊固，如圖5所示。

圖5 新型屏柜組裝方式

4 應用案例分析

設計的新型繼電保護屏柜已在山東某500 kV變電站多個線路間隔的保護裝置改造工程中投入應用。

4.1 施工方案

應用新型屏柜進行改造時候，基本施工要點為：

拆除改造時，拆除舊屏柜后下橫梁，即可將屏柜整體向前拉出，二次電纜不阻礙屏體移動，不需要抽拉電纜；

屏柜組立時，將新屏柜后下橫梁拆除，向后平推即可，新屏柜就位后，安裝后下橫梁即可完成屏柜組立工作。

4.2 效果分析

以500 kV線路保護屏柜改造為例，現場改造平均耗時統計如表3所示。

表3 應用新屏柜時的保護改造耗時統計

由表3可以看出，新屏柜有效節省了二次電纜抽、穿、整理及新屏組立時間，平均每面屏柜由原來的45人·h縮短為19.5人·h，效果明顯。

5 結語

繼電保護屏柜是繼電保護系統的重要輔助設施，對保護裝置正常發揮作用具有重要意義。提出并研制了一種局部可拼接的繼電保護屏柜，在屏柜整體改造時，將后下梁拆除，推出屏柜即可開展二次回路改造工作，無需整理二次電纜，有效縮短了二次回路改造時間。工程應用表明，利用新型屏柜進行二次改造時，現場改造平均耗時由45人·h降至19.5人·h，效果明顯。