首臺220 kV就地化主變保護在內蒙古地區應用運行分析

李智玲，江慶霞

(內蒙古電力(集團)有限責任公司 包頭供電分公司，內蒙古 包頭 014030)

隨著電網逐步向智能化、集約化發展，就地化保護成為電力系統保護領域的主攻課題。2016年初，包頭供電分公司積極響應公司系統運行部提出的研究課題，進行了就地化保護相關技術前期準備工作，對就地化保護從設計、生產、交接、應用、檢修、運維管理情況等方面進行了調研，成立了由公司系統運行部保護處、局生產技術處、修試管理處、變電處技術專家組成的項目攻關小組，有效融合保護、變電運行、調度、通信、智能控制等多項專業，嚴格管控項目實施中方案設計、研制監造、設備驗收、安裝調試等環節，2018年9月內蒙古首臺220 kV就地化主變保護在固北變掛網運行。

1 方案設計

就地化保護指直接安裝于開關場或與一次設備集成安裝的保護裝置，其特征是裝置防護等級高，對外采用專用連接器連接，可實現即插即用。

220 kV就地化主變保護變壓器高、中、低壓側配置相同的分布式子機，子機僅執行就地采集及跳閘出口功能，不運行保護邏輯。單獨配置一臺主機，主機通過環網接收各子機的模擬量及開入量數據，經邏輯運算后，如果保護動作則向子機發送跳閘指令，由子機電纜直接跳閘。

圖1 系統組成

該裝置在防護等級、電磁兼容、熱設計等方面采用了機箱一體化成型、板卡一體化設計、裝置一體化散熱等當前最新技術，確保該裝置在惡劣的自然環境下仍保持可靠運行；裝置配置了抗干擾芯片，使其抗電波、信號干擾能力得到了大幅提升；電、光纜插頭采用了航空防水插頭，使保護裝置實現了即插即用，有效防止了誤接線事故的發生。在實際操作過程中，就地化保護裝置安裝于一次設備附近，通過電纜直接采樣直接跳閘，簡化了二次回路，縮短了保護整組動作時間，提高了保護可靠性。就地化保護裝置集成了合并單元和智能終端的功能，原來設備區4個端子箱和主控室3面保護屏才能實現的功能，現在只需1個室外端子箱就地化保護裝置和1個室內管理機就能實現，節約了屏位和占地空間。

2 關鍵技術的研究

就地化保護的優勢是基于就地化，針對自然環境存在溫度、空氣腐蝕、雷雨等影響因素，在開關廠內電磁干擾大，電纜短的特點，在這種環境下，現場級保護要能長期可靠運行、保障系統安全，重點從防護等級、抗干擾、熱設計、小型化、免維護等內容研究解決方案，直接在開關場安裝運行。

2.1 高防護

就地化保護裝置采用全密閉外殼，一體成型。按照GB4208標準中規定的外殼防護等級，達到IP67防護等級：按完全塵密，按水下1 m設計和測試防潮。

關鍵部位，采用專項設計保證。即完全防止外物侵入，完全防止灰塵進入，在承受猛烈的海浪沖擊或強烈噴水時電器的進水量應不致達到有害的影響，并且外部端子還要滿足耐壓2 500 V、浪涌4 000 V、沖擊電壓5 000 V等電氣性能。為了達到IP67防護等級，就地化保護裝置采用全封閉式整體設計，通過高IP防護重載端接頭技術引出電纜、光纜供外部使用。在設計時，為了達到防止外物侵入的目的采用了全密封式金屬機殼，金屬機殼分為主殼及后蓋，由特定磨具鍛造，保證了二者保證的密合性，主殼及后蓋間通過多個細螺紋螺釘緊固；重載端子與機殼間采用高性能、耐老化、耐腐蝕的密封墊進行防水密封，在主殼與后蓋之間、機殼與航空插座之間均加入了與之相吻合的防水墊圈，以保證裝置在受到強烈噴水時進水量的影響。

2.2 抗干擾

相對于控制室安裝的保護，抗干擾薄弱環節需加強設計，如：PCB采用集成設計，取消傳統模塊化插件及總線，盡量減少CPU引出信號。電源部分強化防雷設計。

2.3 熱設計

溫度引發的問題，是導致電子產品失效的重要原因。現場級的IP和EMC防護要求，又給溫度效應的控制，帶來更大挑戰。在極限環境溫度下，設備內部的器件溫度，要控制在最大允許溫度范圍內，確保正常工作。依據標準4中統計國內各地區戶外溫度值，按無防護戶外運行，最高環境溫度為55 ℃。本方案中，實際設計按：-40 ℃～+70 ℃規格，高于戶外最嚴環境條件。

2.3.1 減少發熱、促進散熱、降低輻射吸收。為了減少發熱，可以采用低功耗設計，包括：精簡設計、高效電源、選用低功耗器件并優化控制。

為了增強散熱，可采用多種散熱手段。采用機箱一體化散熱設計。外殼采用導熱性能好的材料。通過導熱膠與內部發熱部件緊密接觸，整個機箱一體成型。造型采用凹槽設計，能有效增加散熱面積。材質及表面處理，考慮太陽暴曬時盡量降低輻射的吸收。

2.3.2 提高強度。物料選型與可靠性設計，確保超過環境應力并留有預度。元器件全部工業等級，進行結溫測算和實驗驗證，無液晶、電池等易耗元器件。

2.4 小型化

就地化保護在一次開關場就地安裝，體積太大，會使得加工工藝和防護難度加大，同時也給安裝及運維帶來不便。傳統的繼電保護裝置的硬件結構通常由保護板、閉鎖板、管理板、總線板、電源板、交流板和IO板組成。不同功能的板件相互獨立，占據了較大的空間。在就地化保護中，創新采取保護板、閉鎖板、管理板三板合一主控板的方式來達到設備小型化的目的。

2.5 “即插即用”技術

裝置接口標準化設計，所有的端子定義統一，不同廠家裝置可實現互換，實現“即插即用”。采用航空插座與航空電纜，實現快速、可靠的插接；接口密封采用特殊工藝處理，滿足防水、防塵等具體要求；不同色帶和容錯鍵位設計，防止現場的誤碰和誤接線；更換式檢修，實現少維護、易維護，現場工作量大幅降低。

3 就地化保護與其他保護比較

就地化二次設備是技術與標準結合，開啟了變電站設計、建設、運維的全新模式。

3.1 技術方面

就地化保護裝置集成了合并單元和智能終端以及保護裝置部分功能。

圖2 就地化保護與智能變保護設備比對

通過單間隔功能縱向集成，減少裝置類型及數量，整體降低設備缺陷率，單裝置失效影響范圍減小，系統可靠性得到明顯提升。

智能站繼電保護速動性、可靠性較傳統保護有所降低，中間傳輸及轉化環節增多，保護動作時間長，單一設備故障影響范圍擴大。就地化保護無中間環節，保護動作快、單間隔保護裝置整組動作時間相較目前智能變電站可減少8 ms～10 ms。

基于無防護、開關場安裝的就地化二次設備網絡架構簡單、就地電纜采樣跳閘，解決傳統保護長電纜傳輸信號帶來的問題：如CT飽和、多點接地、回路串擾、分布電容放電等問題。

3.2 設計基建

以220 kV固北典型主變工程為例，應用就地化二次設備方案，較非就地化智能站建設模式相比：①屏柜數量。因取消間隔保護屏和智能控制柜，僅配置就地端子箱，屏柜數量降幅達60%以上。②建筑面積。因采用小型化，就地化設備建設模式，取消保護小室，縮減建筑降幅近50%。③光纜使用。因保護集成合并單元和智能終端，并通過航空插頭直接采樣、跳閘，光纜數量降幅近60%。

3.3 安裝調試

①安裝環節。長線纜大幅減少，敷設容易；裝置采用無防護就地安裝且大部分接線采用航空插頭預制，安裝簡單，整站二次設備安裝時間大幅縮短；采用標準化連接器，防止現場“誤接線”，提升現場工作本質安全。②調試環節。專業化檢修中心利用自動測試技術等提高測試效率；保護配置、調試完畢后發往現場，現場經整組傳動后即可投運，調試時間縮減70%以上，提高了檢修效率。

3.4 運行維護

就地化方案較非就地化建設模式智能變電站優勢：①利用就地化保護便于安裝和更換，現場檢修工作以快速更換為主，減少設備停電時間；無間隔保護虛回路設計，簡化全站SCD配置及管控難度。②配置一鍵式下裝，實現少維護、易維護，現場工作量大幅降低；結合二次設備狀態監測、虛回路可視化及配置文件管控，提高設備全生命周期管理質量、確保系統穩定安全運行。③將有效提高繼電保護速動性和可靠性，使得保護動作時間縮短了25%～33%，保護屏柜數量降幅達60%以上。

4 存在的問題及努力方向

①本項目所研制就地化主變保護采用分布式方式，由傳統一個主變保護設備變成了由主變各側子機共同完成的模式，需要維護的主變保護數量變多。②就地化主變保護設備由于交流端子眾多，并且采用HSR環網通信方式，因此功率較大，需要進一步改進，需要重點注意在場運行的通信可靠性。③就地化主變保護設備本身防護等級比較高，調試過程中發現航空插頭故障率較高，應重點關注。④由于新設備的特殊性，已編制運行規程、明確運行和檢修人員的職責分工，但隨著運行經驗的積累，還需繼續完善設備使用流程及規范，相關技術人員使用前進行系統的培訓、實操，確保設備的正常運行。

伴隨著電網智能化、集約化的發展，二次設備下放就地，將成為重要的方向。其核心要求：高可靠性、無防護、免維護。基于無防護、開關場安裝的就地化二次設備是技術與標準結合，開啟了變電站設計、建設、運維的全新模式。依據這種理念設計的現場級二次設備，其安全性、可靠性、經濟性、便利性，在220 kV固北站進行掛網試運，實際的試運行效果良好，為內蒙古其他單位推廣應用提供了參考。