可拆卸的繼電保護屏柜研究及工程應(yīng)用

李乃永 ，李玉敦 ，李 偉 ，王 昕，史方芳

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；3.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

繼電保護是保障電力安全穩(wěn)定的重要防線，特別是在當前特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)形勢下，可靠、準確發(fā)揮繼電保護系統(tǒng)的效用意義重大。

近十年來，中國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，繼電保護等二次裝置的數(shù)量也呈現(xiàn)指數(shù)增長。根據(jù)統(tǒng)計［1］，截至2015年底，國家電網(wǎng)公司220 kV及以上電壓等級系統(tǒng)繼電保護裝置共有151 405臺，比2006年 （61 125臺）增加90 280臺，增幅為147.70%。繼電保護裝置的大規(guī)模增長使得繼電保護裝置運行維護以及升級改造的工作量增大，特別是近幾年來老舊設(shè)備更換工作以及落后設(shè)備技術(shù)改造工作大規(guī)模開展，繼電保護運行維護工作形勢變得日益嚴峻。對山東電網(wǎng)而言，隨著繼電保護裝置超期服役治理以及線路保護“雙差動”和母差“雙失靈”改造的進行，繼電保護技術(shù)人員面臨的現(xiàn)場工作壓力日益突出。

繼電保護屏柜是高集成度電子設(shè)備的支撐基礎(chǔ)，目前大量的繼電保護技術(shù)改造工作涉及繼電保護屏柜，屏柜的產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)計結(jié)構(gòu)對繼電保護技術(shù)改造的效率有重要影響［2-3］。

繼電保護升級改造中，二次電纜敷設(shè)、接線等基礎(chǔ)性工作占據(jù)較多工程時間，而且往往難以壓縮，造成這一問題的原因有多種，其中重要的一條是保護屏柜設(shè)計工藝問題，目前的保護屏柜采用一體化整體框架結(jié)構(gòu)，安裝完成后結(jié)構(gòu)無法調(diào)整，保護裝置改造更換或者二次電纜敷設(shè)時往往先將電纜退至電纜溝，新屏組立后再將二次電纜穿上，所有電纜進行重新排列、做頭、二次線芯重新拉直等一系列工藝，導致二次電纜施工工序繁瑣、效率低下。與此同時，在這種條件下進行二次電纜敷設(shè)，存在 “誤碰運行設(shè)備、引發(fā)直流接地、誤傷電纜線芯”等一系列問題，影響保護裝置檢修效率和質(zhì)量。

為解決上述問題，基于模塊化設(shè)計方法，提出一種局部可調(diào)整的框架式保護屏柜方案，采用局部拼接模式替代整體焊接結(jié)構(gòu)，屏柜后下橫梁改作拼裝件安裝，保證屏柜底部可調(diào)整，方便二次電纜移動和調(diào)整，可有效提高二次電纜施工效率。

1 繼電保護屏柜結(jié)構(gòu)要求

繼電保護屏柜是安裝、固定、支撐和保護繼電保護裝置的骨架，是電力二次系統(tǒng)的重要輔助設(shè)施。典型繼電保護屏框架結(jié)構(gòu)包括：門楣、橫梁（上梁和下梁）、立柱、肋條、門板（正門、后門和側(cè)門），其中，橫梁、立柱、肋條是屏柜的骨架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 典型繼電保護屏柜框架結(jié)構(gòu)

按照DL／T 720—2013《電力系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置柜（屏）通用技術(shù)條件》（以下簡稱通用條件）要求［4］，繼電保護屏柜在設(shè)計和制造時，應(yīng)滿足以下要求：

1）繼電保護屏柜結(jié)構(gòu)應(yīng)簡潔，布局合理；

2）柜體應(yīng)采用冷軋鋼板、不銹鋼板等金屬材料制造，具有足夠的剛度和強度，使用維修方便；

3）繼電保護柜的機械結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求和使用要求，便于安裝、巡視和檢修；

4）根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)方式及使用條件，繼電保護柜應(yīng)具備有效的防腐性、耐久性、可維護性、安全性，同時滿足人機工程學的要求。

目前，保護屏柜的設(shè)計標準、制造工藝等已較為成熟，根據(jù)通用條件規(guī)定，保護屏柜采用標準化、統(tǒng)一化制造的產(chǎn)品。為保證穩(wěn)定性，柜體材料采用冷軋板折彎焊接結(jié)構(gòu)。典型的屏柜基本參數(shù)如表1所示。

表1 典型繼電保護屏柜技術(shù)指標

2 繼電保護升級改造

保護裝置的技術(shù)升級改造有多種類型，如軟件升級、插件更換、整屏改造等，其中整屏更換最為復雜，工作量大、涉及面廣，耗時較長。為縮短繼電保護現(xiàn)場改造的時間，國內(nèi)學者從技術(shù)和管理層面做了相關(guān)研究和應(yīng)用，如繼電保護裝置自動調(diào)試［5-6］、施工計劃管理［7-8］等，但現(xiàn)場應(yīng)用并不理想。繼電保護裝置的技術(shù)升級及改造主要分為5個層次。

1）軟件升級。軟件從低版本向高版本的更新，修復低版本的部分缺陷，提高保護裝置可靠性，不需要改動裝置外部回路。

2）裝置插件更換。如更換電源板、開入開出板、功能邏輯板等，這類改造僅對裝置局部進行升級或更換，整體功能未發(fā)生變化，無需對二次回路和屏柜接線進行施工或改造。

3）同廠家裝置更換或升級。如RCS901升級為RCS931，這類改造僅需調(diào)整屏內(nèi)線，無需對二次回路進行施工或改造。

4）不同廠家裝置更換。如CSC101升級為PCS931，對于這類改造，由于不同廠家裝置的尺寸、接口需求存在差異，改造技術(shù)難度和施工復雜度較大，實際生產(chǎn)中較少采取這種方案。

5）裝置整屏更換。一般裝置有重大缺陷或運行超期情況下進行裝置整屏更換，需重新設(shè)計、立屏、敷設(shè)電纜、接線等。

上述5類設(shè)計中，軟件升級、插件更換以及同廠家裝置更換通常情況下不需要改造二次回路，施工難度小；不同廠家裝置更換和裝置整屏更換需要調(diào)整二次回路、重新敷設(shè)電纜，施工較復雜，需要較長的停電時間。500 kV變電站典型繼電保護裝置整屏更換工藝流程如圖2所示。

圖2 500 kV變電站整屏改造工藝流程

500 kV變電站整屏改造各環(huán)節(jié)耗時情況如表2所示。

表2 500 kV變電站整屏改造耗時

由表2可以看出，500 kV變電站整屏改造從屏內(nèi)二次電纜拆除到二次工藝收尾，每面保護屏柜的工時約45人·h。

由圖2可以看出，為拆除舊屏柜，首先需將所有二次電纜退至電纜溝，新屏組立后再將所有二次電纜穿上，所有電纜需進行重新排列、做頭、二次線芯重新拉直等一系列工藝，存在“誤碰運行設(shè)備跳閘、易發(fā)生直流接地、誤傷電纜線芯、二次施工繁瑣、工作強度大、工作效率低”等一系列問題。同時由于一次設(shè)備停電時間有限，保護邏輯調(diào)試、二次回路驗證、帶開關(guān)傳動等關(guān)鍵工作時間不足，無法保證二次設(shè)備“零缺陷”投運。

3 模塊化保護屏柜設(shè)計

現(xiàn)有的保護屏柜采用冷軋板折彎焊接結(jié)構(gòu)，橫梁、立柱等骨架結(jié)構(gòu)一體化焊接，不利于現(xiàn)場二次電纜的移動、敷設(shè)，提出一種模塊化設(shè)計方案。

3.1 設(shè)計思路

新型繼電保護屏柜采用局部拼接模式替代整體焊接結(jié)構(gòu)，如圖3所示。屏柜后下橫梁改作拼裝件安裝，保證屏柜底部可調(diào)整，方便二次電纜移動和調(diào)整，其他部分保持焊接結(jié)構(gòu)不變，確保屏柜整體穩(wěn)定。

圖3 新型繼電保護屏柜結(jié)構(gòu)

3.2 設(shè)計要點

1）局部焊接。上梁、立柱、左下梁、右下梁以及前下梁采用一體化焊接結(jié)構(gòu)，后下橫梁單獨制造，設(shè)計標準插孔，如圖4所示，后下橫梁材料與其他部位一致。

圖4 屏柜后下梁部分

2）拼接接入。采用拼接方式與下梁剩余部分連接，在保證框架強度的情況下，以方便拆卸為目的，左右兩邊采用4-M6螺絲進行緊固，如圖5所示。

圖5 新型屏柜組裝方式

4 應(yīng)用案例分析

設(shè)計的新型繼電保護屏柜已在山東某500 kV變電站多個線路間隔的保護裝置改造工程中投入應(yīng)用。

4.1 施工方案

應(yīng)用新型屏柜進行改造時候，基本施工要點為：

拆除改造時，拆除舊屏柜后下橫梁，即可將屏柜整體向前拉出，二次電纜不阻礙屏體移動，不需要抽拉電纜；

屏柜組立時，將新屏柜后下橫梁拆除，向后平推即可，新屏柜就位后，安裝后下橫梁即可完成屏柜組立工作。

4.2 效果分析

以500 kV線路保護屏柜改造為例，現(xiàn)場改造平均耗時統(tǒng)計如表3所示。

表3 應(yīng)用新屏柜時的保護改造耗時統(tǒng)計

由表3可以看出，新屏柜有效節(jié)省了二次電纜抽、穿、整理及新屏組立時間，平均每面屏柜由原來的45人·h縮短為19.5人·h，效果明顯。

5 結(jié)語

繼電保護屏柜是繼電保護系統(tǒng)的重要輔助設(shè)施，對保護裝置正常發(fā)揮作用具有重要意義。提出并研制了一種局部可拼接的繼電保護屏柜，在屏柜整體改造時，將后下梁拆除，推出屏柜即可開展二次回路改造工作，無需整理二次電纜，有效縮短了二次回路改造時間。工程應(yīng)用表明，利用新型屏柜進行二次改造時，現(xiàn)場改造平均耗時由45人·h降至19.5人·h，效果明顯。