變電站高壓斷路器就地安裝操作箱研究與應用

趙謙，陳福鋒，俞春林，李帥，孫偉

(1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003； 2.南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

變電站高壓斷路器就地安裝操作箱研究與應用

趙謙1,2，陳福鋒1,2，俞春林1,2，李帥1,2，孫偉1,2

(1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003； 2.南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

目前變電站高壓斷路器配套操作箱體積大、回路復雜、冗余回路多。針對智能變電站二次設備就地化現(xiàn)狀和一次開關斷路器的變化，對操作回路進行優(yōu)化，開展小型化、就地化設計。設備結構設計由傳統(tǒng)的背插式轉變?yōu)榀B層式，取消母板和指示燈等電氣模件，大大縮減了設備體積，且符合操作箱相關標準。經過小型化設計的操作箱可以靈活安裝在一次開關端子箱、智能控制柜等空間，安裝體積為原有操作箱的1/4至1/2，接線端子數(shù)量為原有操作箱的1/2。

智能變電站；操作箱；小型化；就地安裝；優(yōu)化設計

0 引言

高壓斷路器是變電站最重要的一次設備。操作箱作為其二次接口設備，在斷路器切斷一次回路中起重要作用，為一次設備提供簡單保護和輔助，并為二次設備提供相應的狀態(tài)指示和信號。2000年以后，各電壓等級、各種高壓斷路器操作箱的典型設計工作才開展起來；2010年以后才制定高壓斷路器操作回路相關國家標準[1]。

由于斷路器不斷改進、設備廠家產品需適應各種時期和各種廠家斷路器、操作箱的配置方案也種類繁多，目前廣泛使用的高壓操作箱結構較為復雜，回路較為繁冗，型號眾多。變電站繼電保護和測控等二次設備智能化后，目前正向就地化和小型化方向發(fā)展。二次設備走出小室，原有組屏的操作箱已經不能適應二次設備就地化和小型化發(fā)展。操作箱亟待進行優(yōu)化設計，目標是簡化回路、提高可靠性、適應二次設備就地化發(fā)展、優(yōu)化配置。

1 現(xiàn)狀

500 kV分相操作箱按斷路器配置，采用雙套配置。220 kV分相操作箱按出線配置，采用雙套配置或配置1套具備2組獨立操作回路的操作箱。三相操作箱除了主變壓器間隔一般采用單套配置[2]。

目前普遍使用的斷路器操作箱主要包含以下功能：跳合閘保持、跳合位監(jiān)視、防跳、壓力閉鎖、三相不一致保護、電壓切換、電源監(jiān)視、手合、手跳、永跳、重合、發(fā)信號、備用繼電器等。每個功能中又有很多復雜設計。根據不完全統(tǒng)計，實現(xiàn)1個具備2組獨立操作回路和獨立電源的分相操作箱，需要配備近200個各類繼電器，50組相關回路。

操作箱在變電站內一般采用標準4U19英寸機箱，與保護裝置組屏安裝。配備1套具備2組獨立操作回路的操作箱時，其跨屏接線較為復雜。配備2套獨立操作箱又有占空間較大的問題[3-4]。

繼電保護設備采用小型化設計、就地化安裝已經成為下一代繼電保護發(fā)展方向[5]。就地化二次設備系統(tǒng)布置如圖1所示。線路保護、測控、分布式母線子單元、故障錄波器子單元等智能電子設備(IED)采用小型化設計、就地化安裝于一次設備附近，大大減少戶內屏柜數(shù)量和電纜長度。與此同時，保護就地化且保護屏柜取消后，操作箱無法再安裝于保護小室或主控室，必須安放在就地戶外柜或端子箱內。以現(xiàn)有操作回路的復雜程度和配置方式，很難進行小型化改造和就地化安裝。必須針對新型斷路器的特點、就地化二次設備特點、二次設備配置等對操作箱進行回路優(yōu)化和小型化設計[6-8]。

2 設計方案

2.1總體方案設計

就地化安裝后，操作箱應盡可能簡化，且采用1套保護對應1套操作箱方案，保證回路清晰、獨立、可靠。操作箱中常用的斷路器三相不一致保護、防跳、壓力閉鎖等功能已在斷路器本體端子箱實現(xiàn)。斷路器提供的位置輔助節(jié)點數(shù)量也能滿足二次設備接入需求，無需提供多組位置監(jiān)視節(jié)點。此外，冗余的指示燈占用過多繼電器節(jié)點，就地化安裝后，操作箱指示燈應相應減少，信號由就地化測控單元送出。

圖1 就地化二次設備系統(tǒng)圖

現(xiàn)有操作箱一般采用4U標準機箱，背插式設計，配有母板、指示燈、功能插件等，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)背插式示意

本文提出的小型化設計、就地化安裝的操作箱體積為2U半層，尺寸為240 mm×205 mm×90 mm(長×寬×高)。為了進一步縮小裝置尺寸，取消裝置母板，電氣模件采用疊層設計。同時將精簡后的指示燈布置在疊層電氣模件上，取消指示燈模件。

小型化、就地化操作箱在功能上主要保留：跳合閘保持、跳合位監(jiān)視、電壓切換、電源監(jiān)視、手合、手跳、永跳、重合、發(fā)信號。采用1套操作箱裝置對應1套保護。疊層式示意如圖3所示。

圖3 疊層式示意

2.2模塊設計

按照操作箱的功能劃分和面向的對象，分為3層疊層設計。其中A層布置手合、手跳、永跳、重合、電源監(jiān)視等重動繼電器。重動繼電器每個回路布置3組單穩(wěn)態(tài)繼電器，包含2組全常開繼電器用于啟動跳合閘和發(fā)信，1組常開常閉繼電器用于提升啟動功率。合后繼電器采用2組磁保持繼電器，提供足夠數(shù)量的磁保持合后節(jié)點。

B層布置跳合閘保持、跳合位監(jiān)視。不再設計防跳和壓力閉鎖功能。跳合閘保持繼電器電流匹配，采用功率電阻與二極管并聯(lián)自適應模式，盡可能適應現(xiàn)場各種跳合閘線圈的匹配需要?？刂苹芈窋嗑€信號由測控單元合成，進步一減少繼電器數(shù)量。

C層布置獨立的電壓切換功能，分為單位置電壓切換和雙位置電壓切換2種模件。分別采用單穩(wěn)態(tài)和磁保持繼電器實現(xiàn)單位置和雙位置切換。

板件之間采用少量排線連接，如圖4所示。為了達到較好的抗干擾性能，板件設計主要采用以下設計方式：所有電氣信號之間間距不小于4.0 mm；荷載較大的信號線采用1.5 mm以上可靠焊盤和1.0 mm導線連接；與強電直接連接回路與器件在板件上增加大面積絲印層提升絕緣性能；板件層厚增加至1.8 mm提升板件剛性[9-10]，如圖5所示。

圖4 板件間信號連接方式

圖5 可靠性設計方式

2.3結構和安裝設計

裝置采用2U半層設計，外殼主要采用導電氧化鋁板沖壓制成，結構件分為上蓋板、U型主體、后蓋板、前面板。

就地化二次設備和斷路器本體相關信號和端子均在斷路器端子箱或戶外柜的端子排排布。操作箱在端子箱或戶外柜安裝，直接與端子排對接，所以本方案就地化操作箱采用單排電氣端子接線。

2.4對比優(yōu)勢

就地化、小型化設計操作箱，雙套保護配置下推薦采用雙套獨立配置操作箱，其占用體積為雙套獨立配置傳統(tǒng)操作箱的1/4，為單套雙跳操作箱的1/2。可以靈活安裝于端子箱、匯控柜、戶外柜等柜體內。節(jié)約安裝空間優(yōu)勢明顯。

單套接線端子數(shù)量為94個，且無外部輔助回路或繼電器。端子數(shù)量減少到原有傳統(tǒng)操作箱的1/2。

3 試驗和試運行

本文所涉及的就地化操作箱符合GB/T 7261—2016，GB/T 14598.2—2011，GB/T 14598.26—2015，DL/T 478—2013等國家標準、行業(yè)標準的要求，2016年通過許昌開普電器實驗室型式試驗。小型化分相操作箱和三相操作箱產品在山西運城220 kV夏縣變電站、陜西長慶油田110 kV天字變電站掛網試運行，安裝位置位于開關機構端子箱，從端子箱端子排接線。目前運行情況良好。

4 結束語

文章分析了二次設備就地化現(xiàn)狀和斷路器發(fā)展下的操作回路需求變化，對操作箱結構進行小型化設計，對現(xiàn)有操作回路進行優(yōu)化，取消冗余回路和功能，使其具備了結構簡單、回路精簡、易于安裝等優(yōu)點，能夠可靠地配合就地化保護完成對一次設備的控制。同時，對內部繼電器的重新布局及接線端子的優(yōu)化，提高了電氣可靠性。經過優(yōu)化的操作箱顯著降低了使用和維護難度。經過分析、測試和試運行，其安裝、接線、可靠性優(yōu)勢明顯。

[1]趙曉民,韓國輝,劉文魁,等.高壓斷路器用SF6/CF4混合氣體狀態(tài)參數(shù)計算及液化分析[J]. 高壓電器, 2016,52(12): 204-208.

[2]朱韜析,史志鴻,郭衛(wèi)明,等.斷路器操作箱和就地操作機構內合閘回路的配合問題[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(8):115-119.

[3]廖建國.斷路器操作回路設計改進[J].內蒙古電力技術,2016,34(3):49-51.

[4]蔣蘇靜,蔣國順.220 kV斷路器操作回路的優(yōu)化配合研究[J].高壓電器,2013,49(11):88-93.

[5]裘愉濤,王德林,胡晨,等.無防護安裝就地化保護應用與實踐[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2016,44(20):1-5.

[6]牛強,鐘加勇,陶永健,等.智能變電站二次設備就地化防護技術[J].電力建設,2014,35(9):76-81.

[7]梁經宛,劉志遠,牛強,等.面向變電站間隔的就地一體化裝置實現(xiàn)方案研究[J].電力科學與技術學報,2016,31(2):84-88.

[8]周小波,汪思滿,吳正學,等.環(huán)網分布式母線保護裝置就地化實現(xiàn)探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2015,43(6):104-108.

[9]郭樂.智能電子設備就地化的電磁兼容(EMC)探討[J].華東電力,2013,41(11):2252-2255.

[10]陸征軍,李超群,李燕,等.就地安裝的智能電子設備的電磁兼容問題[J].高壓電器,2013,49(7):92-95.

TM 834

A

1674-1951(2017)10-0020-03

2017-07-17；

2017-08-08

(本文責編：劉炳鋒)

趙謙(1985—)，男，江蘇南京人，工程師，工學碩士，主要從事智能變電站及繼電保護和測控研發(fā)工作(E-mail:qian-zhao@sac-china.com)。

陳福鋒(1979—)，男，江蘇宜興人，高級工程師，工學碩士，主要從事智能變電站及繼電保護研發(fā)工作。