隨著數字化特別是智能化變電站試點工作的不斷推進,繼電保護、自動裝置等二次設備的數字化和網絡化得到了足夠的重視和長足的發展,基于數字化、網絡化二次設備的綜合自動化變電站越來越多,這大大提高了電網建設的現代化水平,增強了輸配電和電網調度的靈活性和可靠性。但由于各種原因,一次設備的智能化卻相對滯后了。
本文介紹了敞開式智能變電站智能組件及其控制柜較新的設計方案和設計理念,希望這種數字化變電站系統設計的新方案和新思路能為用戶節省大量投資,為設計院減輕大量工作, 同時也提升了變電站建設整體的智能化水平。
1.1 智能終端的基本功能
1.1.1 智能終端的控制功能
智能終端作為與一次設備聯系的智能組件之一,必須滿足目前智能變電站的基本功能要求。智能終端是在傳統操作箱上演化而來的,由于智能變電站網絡化優勢,傳統操作箱的很多信號可由智能終端以數字化的方式實現,可大大簡化操作回路。
因此可將智能終端操作回路設計成能與分相或三相操作的斷路器配合使用,使裝置具有傳統操作箱功能,并實現部分測控功能,支持IEC 61850的GOOSE方式的跳合閘命令,同時又能保留了傳統的硬接點跳合閘方式,能夠采集并上送開關位置、隔刀及地刀位置、開關本體信號,提高裝置的使用范圍。
對于開關狀態及跳閘命令采用GOOSE數據格式傳輸。為了滿足GOOSE傳輸的實時性,GOOSE傳輸采用變位時立即發送,此后按照一定的存續時間進行間隔發送,如此發送,最后采用固定時間傳送。如圖1。
圖1 GOOSE信息發送時序圖
1.1.2 智能終端的監測功能
在AIS變電站中,智能終端需就地安裝,與斷路器及隔離開關等設備距離很近,可增加智能終端的就地通訊功能,配合相應的傳感設備可監測操作機構分、合閘線圈工作電流及分合閘回路狀態的檢測。
線圈工作電流的波形,反映了鐵芯運動狀態和機械狀態。根據電流波形的特征參數可以計算出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間,從而得到鐵芯運動狀態,從中發現是否有鐵芯卡滯現象,以及鐵芯的行程和鐵芯吸力等參數的變化情況。
裝置通過采集每次操作時流過斷路器跳合閘線圈的電流和時間,并與開關出廠時已經預置的參數進行對比,最終得到該機械結構在操作時電流和時間的變化百分比。
根據斷路器操作機構在動作時所需的電流和動作時間的變化可以準確推斷斷路器操作機構的機械磨損情況,為斷路器操作機構的檢修提供準確的數字依據.
智能終端通過傳感器采集電機運行電流,并由此得到電機的運行時間,與正常電機運轉的電流和時間進行對比,從而判斷是否存在電機空轉和卡轉等情況,并通過監控上送給運行人員。典型的電機分合閘線圈的運行電流曲線如圖2所示:
圖2 電機分合閘線圈的運行電流曲線
分合閘回路是否完好,是分合閘線圈順利動作的基本保證。對此監測可預防斷路器由控制回路斷線故障而拒動。這樣可以減少“拒動”現象發生的幾率,有益于斷路器穩定運行。如出現異常就能報警。
另外,對于斷路器、隔離接地組合開關觸頭位置狀態的監測以及斷路器和隔離接地開關的操作機構的監測,可以作為觸頭位置的狀態指示及相關特性分析的一個判斷依據和觸頭位置的狀態指示及相關特性分析的一個判斷依據。
1.2 智能終端的高級功能
AIS智能變電站中使用的電子式或者光學互感器的暫穩態特性和精度都高于傳統電磁式互感器,因此可通過采集斷路器在電網中開斷不同大小的故障電流,來實現斷路器電壽命的折算。
影響開關電壽命的隨機因素太多, 如不同產品結構相異, 對同樣的開斷電流卻表現出不同的電磨損:同一產品在不同試驗站也有不同的試驗結果,甚至同一產品在同一試驗站做兩個系列的電壽命試驗也可能得到不同的結果。但是, 諸如燃弧時間、觸頭及噴嘴的結構與材料等隨機因素對滅弧室燒蝕的影響, 從累計的角度考慮, 都可加以簡化, 從而可以得到一個比較可行的近似折算公式。
斷路器可配置一組獨立的電子式CT線圈,智能終端通過采集器采集每次開關時拉開故障電流和開斷時間進行累計,根據1.1.2中監測到的相開關的故障切除時的電流,計算每相斷路器的累加值,并根據此累加值對開關壽命進行科學評估,顯示剩余壽命。
為了延長開關設備壽命,可通過采集器采集本間隔的電壓,開關跳閘時按電壓波形控制合閘角,按最佳滅弧時間控制跳閘,以減少操作過電壓。
開關壽命的折算需要了解各型號斷路器的特性,并需要有大量的實驗數據供分析使用,目前智能終端主要由二次廠家研發,智能終端該部分功能還未能實際應用。
需要一二次設備廠家相互交流配合,根據斷路器廠家提供開斷電流的實驗數據,同時還要結合國內電網的故障率進行分析,由于目前沒有可靠國內電網的故障率統計數據,要實現實現斷路器壽命的折算還需要進行大量的工作,但是可根據國外的數據參考,從而進行側面推測。
2.1 斷路器動作特征監測
作為智能控制柜,柜內可集成安裝斷路器動作特征監測IED,實現儲能電機電流的監測,獲得儲能電機的工作信息;監測合(分)閘回路的狀態,推測是否有接觸不良、斷線等情況發生,反映電磁本身和所控制的鎖閂或閥門,以及連鎖觸頭在操作過程中的工作情況;動觸頭行程和速度的監測。
2.2 SF6斷路器的微水密度監測
SF6微水及密度監測IED中的傳感器單元通過高精度壓力、濕度及溫度變送器,經過A/D轉換成數字量,再經過微處理器進行補償運算及處理,通過電纜接口將采集數據發送到SF6微水及密度監測IED;SF6微水及密度監測IED通過顯示器直接顯示被測高壓設備中SF6氣體的溫度、壓力、密度、體積比和露點。
2.3 電流電壓互感器的監測
監測電流互感器、電壓互感器電氣設備的絕緣狀況,包括介損、泄漏電流、電容量、電容量變化率、相對介損等各項重要指標。
傳感器的信號取樣采用穿芯結構的有源零磁通設計技術,選用起始導磁率較高、損耗較小的坡莫合金作鐵芯,采用獨特的深度負反饋補償技術,能夠對鐵芯的激磁磁勢進行全自動補償,保持鐵芯工作在接近理想的零磁通狀態,使其基本不受環境溫度及電磁干擾的影響,從根本上解決了末屏電流信號的精確取樣問題。
高精度的有源零磁通傳感器將泄露電流經A/D轉換成數字量,再經過微處理器進行DFT運算及處理,通過485接口將采集到的數據發送到容性設備監測IED。
目前使用的狀態監測IED還是按類型設置不同IED,造成了控制柜內設備較多,監測系統組網也相對復雜,由于監測傳感器提供的是RS485接口或者是小模擬量信號,因此可將上述類型的監測裝置集成為一臺針對本間隔的集中監測的IED,IED采用IEC61850協議,與狀態監測系統通訊,特別是現在智能變電站使用一體化監控平臺,監測IED可將監測數據文件在召喚時以文件服務方式傳送至站控層網絡,簡化系統組網結構。
3.1 智能控制柜的結構優化
戶外AIS變電站,由于一次設備沒有組合電氣那樣集成,就地除了需要有安裝智能終端和狀態監測裝置的柜體外,還有提供動力電源的電源端子箱以及斷路器本身的信號端子箱,為了方便觀察運行方式還需要在控制柜上集成模擬主接線,占用了大量的控制柜空間,施工也較麻煩,集成度不高。因此可將各端子箱的功能集成,由一面智能控制柜滿足以上功能的要求。如圖3。
圖3 一體化控制柜實物圖
本方案除了安裝各智能組件外,還集成了交流端子箱及斷路器的信號箱,各設備間的聯系可在柜內完成,對外通過光纖與過程層網絡通訊,實現一次設備的控制和信息采集,并且智能終端面板可集成本間隔的模擬主接線,如圖4。
圖4 智能終端面板的模擬接線
智能控制柜的結構優化節約了電纜等設備投資以及相應的施工投資,基于一二次整合的AIS智能控制柜能夠有效地取消和簡化冗余回路,提高了整個二次回路的可靠性,大大簡化了設計和現場施工的工作量,同時使得變電站的整體也更加簡潔。
如果和固定的一次設備廠家配合,還能將斷路器等一次設備與控制柜的接口改成航空插頭連接,使AIS變電站控制柜也能和GIS或者PASS組合電氣一樣高度集成化。
集成化的智能控制柜在河南鄢陵220kV智能變電站中已經應用,柜內安裝了智能終端、合并單元、斷路器監測IED和斷路器的信號端子箱以及機構的電源端子箱,采用了溫濕度控制器配合加熱器和風扇實現溫濕度控制。
原來變電站一次開關與二次智能終端之間的連線都已在出廠前完成。根據現場了解的情況,該智能柜的方案大大縮短了設計和施工的工作量,簡化了維護工作,同時也使得變電站整體效果很簡潔。
3.2 智能控制柜的溫濕度控制
AIS控制柜都在戶外安裝,且靠近高壓設備,因此抗電磁干擾的IP等級很高,一般都采用雙層不銹鋼結構,同時還有二次設備在內部安裝,因此
智能控制柜內的溫濕度無法通過自然通風方式實現,需要通過其他輔助設備來完成,可利用以下方式實現:
1)溫濕度傳感器配合加熱器和風扇,由于柜內溫度由上至下梯度遞減,因此需將溫濕度傳感器安裝在柜內上部,風扇安裝于柜頂,高溫時啟動通風,低溫高濕度時啟動加熱器。需根據柜內安裝的設備和空間選用合適的風扇及加熱器。該方案在目前智能變電站中已使用較多,成本較低。
2)選用熱交換器內嵌在柜門上,完成柜內外的熱交換,熱交換由高導熱材料做成,通過內外風扇實現導熱,可使柜內外溫差控制在5~8℃,但是在夏天高溫時,由于外部溫度較高,熱交換器控制的柜內溫度相對不是很理想。而且相對于加熱器和風扇成本較高。
選用工業空調,和熱交換器一樣內嵌于柜門上,可快速的實現柜內的溫度控制,由于工業空調效率較高,因此會造成空調頻繁啟動,加大了變電站的負荷,也對空調的使用壽命帶來不良影響,同時空調制冷時對裝置吹冷風,容易在裝置表面形成凝露,不利于電子設備的運行,并且空調還需經常維護空氣濾網,日常維護較麻煩。目前戶外智能柜使用空調的不多,還需要根據實際需求,進行選擇性使用。
3)在柜內使用相變材料控制溫度,相變保溫材料是指隨溫度變化而改變形態并能提供潛熱的物質,相變材料由固態變為液態或由液態變為固態的過程稱為相變過程,這時相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。
4)由于不需要外接電源,而是通過物理狀態的改變實現溫度調節,因此可節約大量電能。但是相變材料在調節溫度時會出現液態的狀態,因此在控制柜內安裝相變材料的容器必須完全密封,否則會造成泄漏,影響設備的安全運行。相變材料在已投運的智能站中還未使用,有廠家已在進行相關的實驗。
為了實時監控控制柜體及柜內的溫濕度情況,可在柜內配置相應的傳感器,將柜體門的狀態、柜內的溫濕度情況、風扇的運行狀態等通過智能終端進行采集,上送至監控系統,方便運行人員監測控制的狀態。
智能變電站中智能組件和控制柜雖已廣泛使用,由于一次設備廠家的技術限制,其智能化程度還是相對較低,隨著技術的發展和智能站的不斷實踐,上述智能控制柜的方案將會大大提高智能站中設備的智能化程度,并能簡化設計和施工工作,很好的體現了智能變電站的優勢。
本文編自《電氣技術》,作者為陳小衛、張成松等。