252 kV高壓斷路器故障預(yù)警裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝方法

韓晨磊，陳昊，夏冰，張若薇，孫子昌，王瑋，王瑞華

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019；2．青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266520)

0 引言

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展穩(wěn)定的重要保障和關(guān)鍵動(dòng)力[1-3]。在我國(guó)現(xiàn)行的電網(wǎng)構(gòu)架中，220 kV電壓等級(jí)的電網(wǎng)具有線路輸送功率較大、供電范圍較廣等特點(diǎn)，構(gòu)成了地區(qū)電力系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)[4-5]。高壓斷路器作為電力系統(tǒng)的“守衛(wèi)者”，是切斷故障電路、防止事故擴(kuò)大的關(guān)鍵設(shè)備[6-7]。220 kV電力系統(tǒng)中高壓斷路器數(shù)量眾多，一旦高壓斷路器自身發(fā)生故障，將會(huì)對(duì)地區(qū)供電安全產(chǎn)生重大影響，甚至可能會(huì)影響到上一級(jí)電網(wǎng)(500 kV電網(wǎng))的安全運(yùn)行，引發(fā)電網(wǎng)故障擴(kuò)大，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)252 kV斷路器開(kāi)展故障預(yù)警工作，提前發(fā)現(xiàn)并排除斷路器早期潛伏性故障，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[8-9]。

機(jī)械故障、外絕緣故障和回路漏電故障是252 kV高壓斷路器常見(jiàn)的幾種故障類型，具有隱蔽性強(qiáng)、特征不明顯等特點(diǎn)，潛伏期故障預(yù)警難度極高[10-12]。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的斷路器在線監(jiān)測(cè)方法，如斷路器內(nèi)絕緣(SF6氣體)狀態(tài)檢測(cè)，為了保證設(shè)備運(yùn)行安全，相關(guān)檢測(cè)裝置安裝皆采取停電安裝的方法。而針對(duì)機(jī)械故障、外絕緣故障和回路漏電故障等常見(jiàn)故障，普遍采用按照管理周期計(jì)劃性地安排停電對(duì)斷路器進(jìn)行試驗(yàn)的方法來(lái)評(píng)估斷路器運(yùn)行狀態(tài)，缺乏針對(duì)性且停電帶來(lái)的附加成本高[13-14]。此外，停電試驗(yàn)脫離了高壓斷路器實(shí)際的帶電運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)缺乏實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性[15-17]。基于此，對(duì)不停電的高壓斷路器故障預(yù)警技術(shù)的研究已經(jīng)成為電力系統(tǒng)亟待突破的重大課題。

本文基于江蘇省某220 kV變電站252 kV斷路器故障預(yù)警裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)例，提出基于振動(dòng)傳感器、電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器和電流互感器的高壓斷路器故障預(yù)警裝置安裝方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不停電安裝施工時(shí)的前期準(zhǔn)備、土建施工、電纜排布、裝置安裝、調(diào)試、驗(yàn)收等全過(guò)程進(jìn)行介紹。

1 智能電子設(shè)備柜安裝

1.1 站內(nèi)基本情況

高壓斷路器故障預(yù)警裝置安裝所在的江蘇省某220 kV變電站站內(nèi)一次設(shè)備共分3個(gè)電壓等級(jí)，分別為220 kV、110 kV及35 kV。220 kV一次接線為戶外敞開(kāi)式單母線分段接線方式，共有2臺(tái)主變壓器、4回進(jìn)線。站內(nèi)電磁環(huán)境較為惡劣、環(huán)境溫差大，考慮到原有的斷路器匯控柜、端子箱均沒(méi)有足夠的安裝條件和空間，故選擇單獨(dú)設(shè)立專用的智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)柜來(lái)安裝斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置。在本文所述的220 kV變電站中，通過(guò)設(shè)立2個(gè)IED柜以滿足220 kV設(shè)備區(qū)全部7臺(tái)斷路器故障預(yù)警裝置的監(jiān)控主機(jī)及就地分析系統(tǒng)安裝。

1.2 IED柜位置選擇

綜合考慮加裝預(yù)警裝置的斷路器在220 kV設(shè)備區(qū)的相對(duì)位置、設(shè)備區(qū)電纜溝走向、預(yù)警裝置纜線走向、IED柜交流電源接入、地面條件、所接纜線總長(zhǎng)度等因素，確定IED柜在現(xiàn)場(chǎng)的安裝位置。

1.3 土建工作

在確定IED柜安裝位置后，首先進(jìn)行柜體的土建基礎(chǔ)制作。在選定的立柜位置定位放線，開(kāi)挖基槽，敷設(shè)通向電纜溝的排管，接地體預(yù)埋，安裝模板，澆筑混凝土，混凝土拆模后，覆蓋塑料薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為10～14天。在柜體基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)時(shí)間期滿后，進(jìn)行IED柜的安裝。

1.4 柜體安裝

提前在場(chǎng)外進(jìn)行IED柜內(nèi)部裝置組裝工作，使用預(yù)制托架預(yù)裝斷路器故障預(yù)警裝置，加裝預(yù)警裝置所需的交流空氣開(kāi)關(guān)。使用插線板模擬裝置通電，查驗(yàn)預(yù)警裝置上電后運(yùn)行狀態(tài)，驗(yàn)證IED柜內(nèi)設(shè)置的照明及加熱排濕裝置是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

將組裝好的IED柜運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行基礎(chǔ)找平、定位、安裝，同時(shí)做好柜體接地。需要注意的是，由于故障預(yù)警裝置各部件已經(jīng)提前預(yù)裝在IED柜內(nèi)，IED柜整體質(zhì)量大幅增加，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸時(shí)應(yīng)充分考慮大質(zhì)量物件的運(yùn)輸問(wèn)題，提前準(zhǔn)備起重機(jī)等起重工具，規(guī)劃物料運(yùn)輸路線。

1.5 柜體電源的引入

根據(jù)前期勘察方案，選取鄰近的檢修電源箱作為IED柜供電電源。根據(jù)IED柜預(yù)埋的排管、電纜溝走向敷設(shè)電源電纜，根據(jù)檢修電源箱內(nèi)電源負(fù)荷分配情況確定IED柜電源分配。如圖1所示，從檢修電源箱處引入到IED柜內(nèi)的交流電源通過(guò)柜內(nèi)預(yù)設(shè)的二級(jí)空氣開(kāi)關(guān)分別給加熱照明裝置、交換機(jī)、監(jiān)控主機(jī)等斷路器故障預(yù)警裝置供電，通過(guò)2P空氣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)裝置電源取用的控制。

圖1 IED柜交流空氣開(kāi)關(guān)設(shè)置

2 故障預(yù)警裝置終端安裝

2.1 線纜敷設(shè)

故障預(yù)警終端通信線纜敷設(shè)范圍由IED柜至7臺(tái)252 kV斷路器，包括振動(dòng)傳感器通信數(shù)據(jù)線、電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器通信數(shù)據(jù)線及電流互感器通信數(shù)據(jù)線。線纜敷設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)敷設(shè)工藝質(zhì)量進(jìn)行把控，線纜敷設(shè)需沿電纜溝保持筆直，線纜彎曲處的彎曲半徑應(yīng)大于線纜直徑的10倍，不得出現(xiàn)絞擰、護(hù)層斷裂、表面嚴(yán)重劃傷等缺陷，在線纜兩端增設(shè)波紋管進(jìn)行保護(hù)。通信電纜敷設(shè)時(shí)在其兩端做好標(biāo)記以便于后期傳感器安裝時(shí)辨識(shí)電纜。通信數(shù)據(jù)線纜敷設(shè)的過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)采用防火防潮封堵材料對(duì)電纜溝防火墻、斷路器端子箱、檢修電源箱及IED柜等進(jìn)行封堵，以滿足戶外柜體防塵、防水、防小動(dòng)物的要求。

通信線纜至斷路器傳感器安裝處敷設(shè)須對(duì)斷路器原有土建基礎(chǔ)進(jìn)行重新開(kāi)挖和恢復(fù)。考慮到不同斷路器所在間隔原有土建基礎(chǔ)差異，通信線纜在每個(gè)間隔內(nèi)的敷設(shè)需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行差異化優(yōu)化。以ABB公司生產(chǎn)的HPL-245B1型三相聯(lián)動(dòng)斷路器為例，該斷路器三相之間通常有橫梁連接，僅需選擇斷路器三相之中最有利于施工的一相斷路器處進(jìn)行土建開(kāi)挖、排管下埋、土建恢復(fù)即可，三相線纜敷設(shè)走線通過(guò)同一預(yù)埋排管，利用斷路器三相之間的橫梁完成斷路器三相傳感器通信線纜的走線。而對(duì)于同樣由ABB公司生產(chǎn)的HPL-245B1型三相分相機(jī)構(gòu)斷路器，該三相之間無(wú)橫梁連接，出線間隔斷路器故障預(yù)警終端線纜的敷設(shè)需要針對(duì)A、B、C三相分別進(jìn)行土建開(kāi)挖、排管下埋、土建恢復(fù)工作，工作量較大。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工之前須進(jìn)行充分的現(xiàn)場(chǎng)勘查，并針對(duì)不同斷路器實(shí)際安裝條件來(lái)制定工作計(jì)劃和施工方案。應(yīng)加強(qiáng)施工全程監(jiān)護(hù)，應(yīng)使用套管保護(hù)線纜外露部分，及時(shí)封堵連接處以防止水汽灰塵進(jìn)入。

2.2 傳感器安裝

本文中的斷路器故障預(yù)警裝置信號(hào)采集單元包括電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器、振動(dòng)傳感器和電流互感器。振動(dòng)傳感器可以采集斷路器分、合過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)比對(duì)高壓斷路器機(jī)械故障樣本庫(kù)對(duì)斷路器機(jī)械故障進(jìn)行分類、定級(jí)。電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器可以采集斷路器瓷柱附近的電場(chǎng)強(qiáng)度信息，通過(guò)與正常運(yùn)行狀態(tài)下斷路器三相電場(chǎng)強(qiáng)度分布、變化趨勢(shì)等信號(hào)進(jìn)行綜合對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器外絕緣故障的判別和預(yù)警。電流互感器用于采集斷路器端子箱內(nèi)交流電源回路漏電流信息，可靈敏反映高壓斷路器二次回路的發(fā)展性漏電故障。

2.2.1安裝點(diǎn)位選擇

以ABB HPL-245B1型三相聯(lián)動(dòng)斷路器為例，對(duì)振動(dòng)傳感器和電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器安裝點(diǎn)位的選擇加以說(shuō)明，其他型號(hào)斷路器可參照同型號(hào)斷路器實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安裝點(diǎn)位優(yōu)化方案。

斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)或斷路器橫梁處為振動(dòng)信號(hào)采集的最佳位置，考慮到振動(dòng)傳感器采用磁吸式固定方式，為了盡可能避免傳感器對(duì)斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)繼電器正常工作的潛在干擾，一般不在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)安裝振動(dòng)傳感器，而是將安裝點(diǎn)位范圍局限于斷路器橫梁。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下針對(duì)ABB HPL-245B1型三相聯(lián)動(dòng)斷路器橫梁內(nèi)壁、外壁等不同安裝點(diǎn)位分、合閘操作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，提取振動(dòng)信號(hào)有效特征量[18]、振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度。ABB HPL-245B1型斷路器振動(dòng)信號(hào)傳感器的安裝點(diǎn)位如圖2所示。

圖2 磁吸式傳感器安裝點(diǎn)位

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高壓斷路器帶電狀態(tài)下，其測(cè)量點(diǎn)周圍空間中的三相電場(chǎng)強(qiáng)度近似呈U型分布，且三相電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)接近[19]。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)ABB HPL-245B1型三相聯(lián)動(dòng)斷路器不同點(diǎn)位電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行采集，并利用采集到的電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)對(duì)斷路器U型曲線進(jìn)行擬合復(fù)原，以找到電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器的最佳安裝位置[20]，最終確定該型號(hào)斷路器電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器的安裝點(diǎn)位如圖2所示。

2.2.2磁吸式傳感器安裝方式

考慮到磁吸式傳感器在戶外長(zhǎng)期吸附的可靠性，在傳感器與斷路器橫梁之間增配輔助磁吸片，輔助磁吸片的加裝保證了傳感器在多次振動(dòng)條件下無(wú)位移、脫落等情況。

2.2.3電流互感器安裝方式

該變電站220 kV區(qū)域端子箱交流電采用環(huán)網(wǎng)電源，斷路器儲(chǔ)能電源交流回路A、B、C、N四線穿過(guò)剩余電流互感器即可測(cè)得剩余電流，此時(shí)剩余電流包含長(zhǎng)段式動(dòng)力電纜本身的剩余電流及后端負(fù)載的剩余電流，為整個(gè)饋線的總剩余電流。采用單傳感器采集方式，剩余電流互感器穿孔直徑為2 cm，安裝于斷路器端子箱開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能電源空氣開(kāi)關(guān)下方，使用扎帶捆扎依次疊起，饋線A、B、C、N線穿過(guò)傳感器。同時(shí)采集單相負(fù)荷電流，利用復(fù)合電流判據(jù)[21]判別電纜漏電故障。剩余電流互感器、單相電流互感器安裝位置如圖3所示。

圖3 電流互感器安裝

需要注意的是，對(duì)于不同型號(hào)斷路器，端子箱內(nèi)儲(chǔ)能交流電源線的走線分布不同，可能存在A、B、C、N線相距較遠(yuǎn)而無(wú)法穿過(guò)同一互感器的情況。對(duì)于以上情況，要厘清現(xiàn)場(chǎng)交流動(dòng)力電纜的走線情況，嘗試尋找合適位置加裝傳感器。對(duì)于確實(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)同一互感器鉗A、B、C、N線的情況，可考慮加裝轉(zhuǎn)換裝置，即使用多個(gè)互感器鉗A、B、C、N線，將電流信息匯集后通過(guò)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)剩余電流的轉(zhuǎn)換和監(jiān)測(cè)。

2.3 故障預(yù)警裝置調(diào)試

三種類型傳感器與IED柜通過(guò)數(shù)據(jù)線完成連接安裝好，對(duì)斷路器故障預(yù)警裝置進(jìn)行調(diào)試。檢查裝置外觀及絕緣情況良好，對(duì)裝置進(jìn)行試上電，驗(yàn)證裝置電源性能及故障告警功能正常。通過(guò)通信數(shù)據(jù)線的插入和拔出，驗(yàn)證通信通道告警功能正常。通過(guò)手動(dòng)采集數(shù)據(jù)，驗(yàn)證裝置報(bào)文形成、報(bào)文調(diào)閱及故障分析等功能正常。

2.4 結(jié)合停電安裝

通過(guò)本文所述的252 kV高壓斷路器故障預(yù)警裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝方法，可以在不停電條件下完成現(xiàn)場(chǎng)安裝。當(dāng)預(yù)警裝置采用不停電安裝方法時(shí)，應(yīng)在被監(jiān)測(cè)斷路器預(yù)警裝置安裝后首次操作時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證預(yù)警裝置分合操作事件生成與故障分析功能。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)具備停電條件時(shí)，可以結(jié)合停電對(duì)相關(guān)斷路器故障預(yù)警裝置進(jìn)行功能驗(yàn)證和分合閘數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用以完善和補(bǔ)充故障預(yù)警裝置數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)驗(yàn)證裝置各項(xiàng)功能是否正常。

3 驗(yàn)收

按照變電站內(nèi)屏柜相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收IED柜，需要特別關(guān)注二次接地和電纜標(biāo)識(shí)；按照故障預(yù)警裝置相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收斷路器故障預(yù)警裝置，重點(diǎn)驗(yàn)證信息采集的連續(xù)性和正確性，以及確保故障預(yù)警裝置功能正常。高壓斷路器故障預(yù)警裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝工序如圖4所示。

圖4 高壓斷路器故障預(yù)警裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝工序

4 安全施工注意事項(xiàng)

保障變電站工作現(xiàn)場(chǎng)人身、設(shè)備安全是現(xiàn)場(chǎng)施工的前提基礎(chǔ)。本文所述252 kV高壓斷路器故障預(yù)警裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝方法基于不停電條件，施工過(guò)程中的安全注意事項(xiàng)見(jiàn)表1。

表1 不停電安裝安全施工注意事項(xiàng)

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托江蘇省某220 kV變電站252 kV斷路器故障預(yù)警裝置現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)斷路器故障預(yù)警裝置不停電安裝施工前期準(zhǔn)備、土建施工、電纜排布、裝置安裝、調(diào)試、驗(yàn)收等全過(guò)程進(jìn)行介紹，提供將斷路器故障預(yù)警裝置相關(guān)成果落地應(yīng)用的可行性方案。本文提出的高壓斷路器故障預(yù)警裝置不停電安裝方法，在保證安裝全過(guò)程安全性、靈活性的同時(shí)，大幅縮短了安裝的停電時(shí)間并降低了停電成本，實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷路器早期故障的預(yù)警。該方法可以推廣至10 kV及以上電壓等級(jí)的斷路器故障預(yù)警技術(shù)應(yīng)用及裝置安裝，大幅提高斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警水平，提高斷路器檢修的針對(duì)性，節(jié)約檢修成本，提升變電站智能運(yùn)檢質(zhì)效。