西氣東輸撫州分輸壓氣站110kV變電所智能化改造

國家石油天然氣管網集團有限公司西氣東輸分公司南昌輸氣分公司 胡天明 謝聚鋒 劉 琨 周仁沖 秦 濤

1 引言

作為易燃、易爆危險場所的天然氣管道壓氣站，一般都建于距離較遠、交通不便的地區，對供電安全性要求非常高。同時各地天然氣企業大力推行無人值守等管理方式，減少了站場長期駐留的人數，變電站智能化提升很有必要。目前大部分站場電力設備均采用人工巡檢，隨著運行時間累加，電力設備的壽命也在減少，失效的危險性也逐年遞增，運營單位的安全生產壓力在遞增，所以迫切需要找出一個切實可行的監控手段，提前發現變電站設備隱患。同時，國家電網、南方電網對老舊變電站進行智能化改造的經驗豐富，并發布了大量的技術要求和設計規定，技術上可以借鑒。結合天然氣管道站場變電站的實際情況，目前智能化變電站的發展趨勢以及電氣設備的在線監測技術相結合，西氣東輸二線撫州壓氣站進行了相關的智能化改造。

2 智能變電站改造簡介

智能化改造對推進變電站高壓設備管理智能化、數字化有著重大意義，能有效彌補單一停電檢修的不足，能實時準確反映高壓電氣設備運行時的絕緣性能和健康水平。同時智能變電站具有自我診斷和報警，通過設置報警值，能夠及時發現設備運行中的發展性絕緣缺陷，防止突發性絕緣事故發生，有效提高設備運行水平和可靠性，降低設備事故率，顯著減少突發性事故。

本文提出了一種基于網絡通信的智能化變電所自動控制系統的改造方法。除可以完成各自獨立的功能之外，還可以接入綜保系統，聯動綜保功能，及時發現問題，從而有效地降低安全隱患，保證智能化變電所的正常運轉。

以西二線撫州站為例，在原有變電所變配電的設備保護、測量、遙控、遙信功能上，新增GIS 局部放電在線檢測裝置、SF6微水密度在線監測裝置、變壓器局部放電在線監測裝置、變壓器油色譜在線監測裝置、10kV 母線絕緣在線監測裝置等。通過硬件連接的方法，將設備的報警等重要信息輸入到保護動作的測量控制單元中[1]。

3 改造方案

智能化改造主要是進行變壓器油色譜在線監測，變壓器局部放電在線監測， GIS 局部放電在線監測，SF6氣體微水密度在線監測，開關柜絕緣在線監測，線纜的絕緣及溫度監測等，這些在線監測系統能夠將數據實時地傳回，并通過監控系統對其進行分析，從而為電氣設備的檢修和維護提供便利，并對電氣設備的異常數據進行預先的預判和報警，防止設備和人員的安全事故的發生。

在智能變電站中，同時將視頻監視系統與智能巡檢機器人相結合，并在其上安裝有紅外熱成像儀、高清攝像頭、交互式對講平臺等，視頻監視后臺與自動化系統后臺展開實時通信，從而可以進行圖像識別、智能巡檢、故障監視等。

3.1 110kV GIS 局部放電在線監測技術

110kV GIS 是變電所中的一個重要電氣設備，是由110kV 母線、斷路器、隔離-接地開關、避雷器、互感器等組成，這些設備均封閉在充有SF6氣體的氣室中。由于GIS 是封閉式的，從外觀不易發現內部故障，通過在線監測裝置能清楚掌握運行情況，對GIS 實時監測[2]。

GIS 內的局部放電能激發超高頻（UHF）電磁波信號，UHF 電磁波信號穿透性強，能夠從盆式絕緣子和GIS 外殼接縫處泄漏到外部。使用超高頻檢測傳感器放置在氣室間法蘭盤上，在UHF 頻段（300MHz 以上）接收和耦合GIS 內部信號，準確測量GIS 內部放電信號。超高頻率的傳感器具有靈敏度高，應用范圍廣，精度高等特點，能精確的定位故障位置（見表1）。

表1 撫州站110kV 變電所27個GIS 氣室局放檢測數據

3.2 SF6微水密度在線監測技術

隨著GIS 設備運行時間變長，當SF6氣體中的水分含量增大或由于氣體泄漏，會造成絕緣性能下降，影響GIS 的安全運行。由于絕緣性能下降而引起的GIS 故障時有發生，因而如果能夠在線監測GIS 中SF6氣體中的微水含量和密度就可以防患于未然。

SF6氣體微水密度在線監測系統主要用于110～750kV 電壓等級的斷路器或GIS 中SF6氣體狀態在線監測，實現在不排放SF6氣體的前提下，對GIS 各氣室 SF6氣體的微水、密度、溫度及其變化趨勢進行實時狀態監測，并且將溫度、壓力、密度、微水、露點通過通信遠傳至綜合監測單元。

當高壓設備的氣室充有SF6氣體后，判定其是否已滿足絕緣或滅弧的要求時，常常用SF6氣體密度這個概念來衡量，一般以20℃時的標準壓力值這個值等效為氣室內SF6氣體密度值；SF6氣體中微水含量的濃度以SF6中所含水汽的體積與SF6氣體的體積之比來表示，即用（μL/L）表示。

3.3 變壓器局放在線監測技術

當變壓器內部有放電發生時，內部放電信號會通過電容效應耦合到變壓器鐵芯、夾件上，進而通過鐵芯接地線、夾件接地線傳導到變壓器外殼;而當外界電暈等干擾信號發生時，外界信號會經套管電容或繞組電容傳導到變壓器外殼通過外殼接地線流入大地；因此通過對比鐵芯接地線、夾件接地線和與箱體接地線上的信號大小，即可判斷出哪些信號是變壓器內部放電，哪些是外界干擾信號[3]。

3.4 變壓器油色譜監測技術

油色譜在線監測系統根據氣相色譜原理，通過微處理器的控制，自動進行油路清洗、油氣分離、氣體采集、恒溫控制、樣氣的定量與進樣、基線的自動調節、數據采集與處理、定量分析與故障診斷，并定期自動校準。

變壓器油中的相關氣體經過濾裝置脫氣后進入進樣裝置自動進樣，在標準載氣的作用下通過色譜柱，色譜柱對不同的氣體具有不同的親和作用，導致采集的氣體依次分離出來，氣體檢測器對采集氣體（CO、CO2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等）按分離順序分別進行檢測，并將氣體的濃度特性轉換成模擬量電信號。模數轉換模塊將電信號轉化成數字信號，通過網絡上傳給監控主機并存儲。監控主機根據標定數據進行定量分析，分別計算出采集氣體各組分含量及各自的增長率，再由故障診斷系統對變壓器故障進行綜合分析診斷，實現變壓器故障的在線監測。

3.5 10kV 母線絕緣在線監測裝置

為在線測量電力系統母線上電氣設備純阻性的絕緣，采用“直流疊加法”，每段10kV 母線PT 柜內配置三只高壓隔離電阻，將高壓直流（DC1500V 2500V）疊加在帶電的交流高電壓上，從而測量母線絕緣層微弱的直流電流，進而換算成絕緣電阻。絕緣在線監測系統能及時發現母線絕緣隱患，發出報警，減少故障處理范圍和時間，避免故障擴大化，提高運維人員的工作效率，減少資源投入，提高企業經濟效益。

3.6 自動化系統“一鍵順控”功能

智能化變電所的“一鍵順控”功能與變電所的自動控制系統相結合，包括操作票庫，任務生成，模擬演練；指令執行，權限管理，防止錯誤鎖定；具有操作日志，人機界面，與智能化的防錯臺，輔助設備監控等多種功能。

在已建成的110kV 輸氣場站變電所裝置中，斷路器和隔離開關都是具有遠程控制功能的電氣操縱裝置，符合“一鍵順控”規程中對斷路器和隔離開關應具有遠程控制功能的規定。

3.7 變電站視頻監控系統

變電站視頻監控系統包括視頻監控主機、硬盤及各類攝像頭等。所述的硬盤記錄裝置，用于訪問和存儲各種類型的照相機的影像信息，并向影像監視主機上傳影像數據；監控主機通過對采集到的數據進行內部智能處理，并將其輸出，從而達到預覽、監控和管理的目的，實現數據的上載，如聯動，智能分析等。對變電所視頻監控子系統及設備進行配置，在機柜間配置一面視頻系統通信屏，在各高壓設備室安裝攝像頭及軌道攝像頭等。

4 結語

隨著天然氣站場安全要求越來越高，天然氣管道站場的智能化建設已經成為必然。變電站智能化改造正是契合管道行業發展，在110kV GIS 中，進行110kV GIS 局部放電在線監測、SF6微水密度在線監測改造；在變壓器上，變壓器局放在線監測、變壓器油色譜監測改造；在110kV 主干線路上，利用“一鍵順控”技術來進行變電站的綜合控制；在10kV 開關柜上，進行10kV 母線絕緣在線監測改造等；在變電所中，增加一套視頻監視系統。本文所述的改造技術具有較高的可行性，并且改造的困難并不很大，改造完后，能實時、在線地對變電所各設備狀態進行不間斷監測，便于及時準確發現高壓設備的潛在隱患，并減輕操作人員的工作量。