高寒地區(qū)特高壓伴熱帶在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張振偉

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼028000）

0 引言

某特高壓變電站地處高緯度、高海拔地區(qū)，全站大部分的電氣設(shè)備為GIS設(shè)備或HGIS設(shè)備，冬季平均氣溫-32℃，極端最低氣溫可達(dá)-39.8℃[1-3]。在溫度極低的情況下若不采取任何措施，SF6氣體就會(huì)發(fā)生部分液化，導(dǎo)致SF6氣體濃度降低，滅弧能力減弱[4-9]，此時(shí)如果分合開關(guān)就有可能發(fā)生設(shè)備內(nèi)部局部放電或擊穿等故障，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成爆炸[10-13]。為了防止SF6的液化，高寒地區(qū)的特高壓變電站必須投入伴熱帶[14]。伴熱帶可以通過對(duì)GIS設(shè)備或HGIS設(shè)備罐體的加熱，使罐體內(nèi)的溫度升高，從而避免SF6液化，減少故障的發(fā)生[15]。

伴熱帶在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)伴熱帶實(shí)際工作狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)[16-19]。目前部分變電站通過采用電壓互感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)伴熱帶的監(jiān)測(cè)[20]，即在伴熱帶兩端并聯(lián)電壓互感器，通過電壓互感器的電壓顯示及指示燈來間接反映伴熱帶的工作狀態(tài)。但是該方法僅能反映伴熱帶兩端是否帶電，不能反映電壓互感器之間伴熱帶的虛接及斷線情況，進(jìn)而無法有效反映伴熱帶的實(shí)際工作狀態(tài)。實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)伴熱帶回路存在虛接及斷線等情況時(shí)，回路中的電流會(huì)隨之發(fā)生改變，基于此，本文提出一種通過監(jiān)測(cè)伴熱帶回路中的電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)伴熱帶實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的特高壓伴熱帶在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可反映多種故障情況，在故障報(bào)警后檢修人員可通過面板告警燈實(shí)現(xiàn)就地選相，并及時(shí)更換故障伴熱帶，既提高了故障處理速度，又減少了因伴熱帶故障導(dǎo)致罐體內(nèi)SF6液化的概率。

1 特高壓伴熱帶在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1.1 系統(tǒng)組成

特高壓伴熱帶在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用穿心式電流互感器，在不破壞伴熱帶回路的基礎(chǔ)上，通過感應(yīng)出的二次電流來驅(qū)動(dòng)電流繼電器。該系統(tǒng)由電流繼電器、電流互感器、溫度控制器、中間繼電器、智能報(bào)警裝置、測(cè)控裝置、交換機(jī)以及監(jiān)控后臺(tái)組成。伴熱帶安裝位置見圖1。

圖1 伴熱帶安裝位置

1.2 溫度參數(shù)設(shè)置

通過查閱《國(guó)網(wǎng)蒙東檢修公司特高壓變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行專用規(guī)程》[21]（以下簡(jiǎn)稱規(guī)程）、咨詢伴熱帶廠家并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，確定了伴熱帶在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)回路中溫度控制器的溫度參數(shù)。特高壓變電站內(nèi)GIS及HGIS開關(guān)氣室的額定壓力為0.55 MPa和0.6 MPa，對(duì)應(yīng)的液化溫度約為-30℃和-25℃。為了避免SF6氣體液化，規(guī)程規(guī)定當(dāng)環(huán)境溫度低于-15℃時(shí)伴熱帶投入，當(dāng)環(huán)境溫度回升至-10℃時(shí)伴熱帶退出運(yùn)行[21]。

伴熱帶在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回路中溫度控制器的溫度參數(shù)設(shè)定為啟動(dòng)溫度-15℃，停止溫度-10℃。當(dāng)溫度低于-15℃時(shí)，溫度控制器驅(qū)動(dòng)電磁接觸器勵(lì)磁，其輔助觸點(diǎn)KC閉合，主觸點(diǎn)閉合導(dǎo)通三相加熱器回路；當(dāng)溫度高于-10℃時(shí)，電磁接觸器KC不勵(lì)磁，其輔助觸點(diǎn)KC打開，主觸點(diǎn)打開切斷三相加熱器回路，以實(shí)現(xiàn)溫度控制器的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。為了防止加熱器不工作時(shí)誤發(fā)信號(hào)，將電磁接觸器的輔助觸點(diǎn)串聯(lián)在信號(hào)回路中。

1.3 設(shè)計(jì)方案

1.3.1 方案1

1.3.1.1 工作原理

方案1采用N相電流繼電器的方式（見圖2），即在N相位置設(shè)置一個(gè)電流繼電器，通過電流繼電器與電磁接觸器的常開輔助觸點(diǎn)串聯(lián)構(gòu)成信號(hào)發(fā)送回路。加熱器正常工作時(shí)，電流繼電器不勵(lì)磁，輔助觸點(diǎn)KA1斷開，報(bào)警信號(hào)回路不導(dǎo)通，此時(shí)無報(bào)警信號(hào)。

圖2 方案1工作原理圖

當(dāng)某個(gè)加熱器回路因過熱或其他原因斷開時(shí)，會(huì)有電流流經(jīng)電流繼電器，電流繼電器勵(lì)磁，輔助觸點(diǎn)KA1閉合，KC也在合位，導(dǎo)通信號(hào)告警回路。此時(shí)會(huì)給智能故障報(bào)警裝置一個(gè)開入信號(hào)，點(diǎn)亮面板上“加熱器故障”告警燈LD1，然后智能故障報(bào)警裝置通過20芯扁平電纜傳輸數(shù)據(jù)至故障報(bào)警繼電器，報(bào)警接點(diǎn)Q1閉合，同時(shí)給測(cè)控裝置一個(gè)加熱器故障的硬接點(diǎn)信號(hào)，測(cè)控裝置通過網(wǎng)線將報(bào)警信號(hào)傳至后臺(tái)，彈出報(bào)文并點(diǎn)亮伴熱帶故障的光字牌。

1.3.1.2 設(shè)計(jì)思路

三相加熱器正常工作時(shí)，沒有零序電流，電流繼電器不勵(lì)磁，不報(bào)警。當(dāng)一相、兩相或三相不同時(shí)故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生零序電流，在零序N相位置串聯(lián)的電流繼電器就會(huì)勵(lì)磁，其常開輔助觸點(diǎn)閉合導(dǎo)通信號(hào)發(fā)送回路，點(diǎn)亮面板告警燈，發(fā)送信號(hào)至監(jiān)控后臺(tái)。但是三相加熱器同時(shí)故障斷線時(shí)，由于不存在零序電流，電流繼電器不勵(lì)磁，所以面板指示燈不會(huì)點(diǎn)亮，也不會(huì)發(fā)送信號(hào)至監(jiān)控后臺(tái)。

1.3.1.3 方案優(yōu)點(diǎn)

利用單個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相加熱器的監(jiān)視，能夠檢測(cè)出一相、兩相斷線，三相不同時(shí)斷線的情況，且經(jīng)濟(jì)性較好。

1.3.1.4 方案不足

（1）方案1的接線方式不能反映三相同時(shí)斷線的故障情況，存在監(jiān)視死區(qū)；

（2）發(fā)送故障報(bào)警信號(hào)后，無法直觀看出是哪相斷線，即不能就地選相，不便于及時(shí)更換故障伴熱帶，無法及時(shí)處理故障。

1.3.2 方案2

1.3.2.1 工作原理

方案2采用三相電流繼電器的方式（見圖3），即在每相加熱器回路采用一個(gè)電流繼電器，通過電流繼電器的常閉輔助觸點(diǎn)三相并聯(lián)后與電磁接觸器的常開輔助觸點(diǎn)串聯(lián)構(gòu)成信號(hào)發(fā)送回路。加熱器正常工作時(shí)，電流繼電器三相都勵(lì)磁，輔助觸點(diǎn)均斷開，報(bào)警信號(hào)回路不導(dǎo)通，無報(bào)警信號(hào)。

圖3 方案2工作原理圖

當(dāng)某個(gè)加熱器回路因過熱燒斷或其他原因斷開時(shí)，該相的電流繼電器就會(huì)失去勵(lì)磁，輔助觸點(diǎn)KA1、KA2、KA3就會(huì)閉合，KC也在合位，導(dǎo)通信號(hào)告警回路，報(bào)警接點(diǎn)Q1、Q2或Q3閉合，并給測(cè)控裝置一個(gè)硬接點(diǎn)信號(hào)，測(cè)控裝置將報(bào)警信號(hào)傳至后臺(tái)，彈出報(bào)文并點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)光字牌。

1.3.2.2 設(shè)計(jì)思路

三相加熱器正常工作時(shí)，三相的電流繼電器都勵(lì)磁，不報(bào)警。當(dāng)一相、兩相或三相（同時(shí)或不同時(shí)）故障斷線時(shí)，對(duì)應(yīng)故障相上的電流繼電器就會(huì)失去勵(lì)磁，其輔助觸點(diǎn)閉合導(dǎo)通信號(hào)發(fā)送回路，點(diǎn)亮面板告警燈，發(fā)送信號(hào)至監(jiān)控后臺(tái)。

1.3.2.3 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）方案2接線方式可反映一相、兩相或三相同時(shí)或不同時(shí)斷線的故障情況，不存在監(jiān)視死區(qū)；

（2）發(fā)送故障報(bào)警信號(hào)后，可通過面板告警燈實(shí)現(xiàn)就地選相，便于及時(shí)更換故障伴熱帶，提高了故障處理速度，減少了因伴熱帶故障導(dǎo)致罐體內(nèi)SF6液化的可能。

1.3.2.4 方案不足

三相的每個(gè)支路均配置電流繼電器，成本高。

1.3.3 方案3

1.3.3.1 工作原理

方案3采用N+1相電流繼電器的方式（見圖4），即在N相和L1相的位置各設(shè)置一個(gè)電流繼電器，通過電流繼電器輔助觸點(diǎn)的組合，再與電磁接觸器輔助觸點(diǎn)串聯(lián)構(gòu)成信號(hào)發(fā)送回路。加熱器正常工作時(shí)，電流繼電器KA1勵(lì)磁，常開輔助觸點(diǎn)閉合，常閉輔助觸點(diǎn)斷開；電流繼電器KA2不勵(lì)磁，常開輔助觸點(diǎn)斷開，常閉輔助觸點(diǎn)閉合，報(bào)警信號(hào)回路不導(dǎo)通，無報(bào)警信號(hào)。

圖4 方案3工作原理圖

（1）當(dāng)L1相加熱器回路因過熱燒斷或其他原因斷開時(shí)，L1相電流繼電器失去勵(lì)磁，常閉輔助觸點(diǎn)KA1閉合，因此時(shí)有零序電流，電流繼電器勵(lì)磁，常開輔助觸點(diǎn)KA2閉合，KC也在合位，導(dǎo)通信號(hào)告警回路。此時(shí)點(diǎn)亮面板上“L1相加熱器故障”告警燈LD1，報(bào)警接點(diǎn)Q1閉合，發(fā)送信號(hào)至監(jiān)控后臺(tái)。

（2）當(dāng)三相相加熱器回路因過熱燒斷或其他原因斷開時(shí)，L1相電流繼電器失去勵(lì)磁，常閉輔助觸點(diǎn)閉合，因此時(shí)沒有零序電流，電流繼電器不勵(lì)磁，常閉輔助觸點(diǎn)KA2閉合，KC也在合位，導(dǎo)通信號(hào)告警回路。此時(shí)點(diǎn)亮面板上“三相加熱器故障”告警燈LD2，報(bào)警接點(diǎn)Q2閉合，發(fā)送信號(hào)至監(jiān)控后臺(tái)。

（3）當(dāng)L2相或L3相加熱器回路因過熱燒斷或其他原因斷開時(shí)，因此時(shí)有零序電流，電流繼電器勵(lì)磁，常開輔助觸點(diǎn)KA2閉合。因L1相無故障，所以電流繼電器處于勵(lì)磁狀態(tài)，常開輔助觸點(diǎn)閉合，KC也在合位，導(dǎo)通信號(hào)告警回路。此時(shí)會(huì)點(diǎn)亮面板上“L2/L3相加熱器故障”告警燈LD3，報(bào)警接點(diǎn)Q3閉合，發(fā)送信號(hào)至監(jiān)控后臺(tái)。

1.3.3.2 設(shè)計(jì)思路

三相加熱器正常工作時(shí)，L1相的電流繼電器KA1勵(lì)磁，N相的電流繼電器KA2不勵(lì)磁，通過輔助觸點(diǎn)構(gòu)成的信號(hào)回路沒有導(dǎo)通，不報(bào)警。當(dāng)一相、兩相或者三相同時(shí)或不同時(shí)故障斷線時(shí)，通過電流繼電器輔助觸點(diǎn)的組合導(dǎo)通信號(hào)回路，點(diǎn)亮面板對(duì)應(yīng)告警燈，并發(fā)送信號(hào)至監(jiān)控后臺(tái)。

1.3.3.3 方案優(yōu)點(diǎn)

（1）方案3的接線方式能反映一相、兩相或三相同時(shí)或不同時(shí)斷線的故障情況；

（2）故障報(bào)警后，可通過面板告警燈實(shí)現(xiàn)就地選相，便于及時(shí)更換故障伴熱帶，同時(shí)避免了因伴熱帶故障導(dǎo)致罐體內(nèi)SF6液化的問題；

（3）和方案2對(duì)比，在實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和就地選相功能的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性比較好，節(jié)約了電流繼電器。

1.3.3.4 方案不足

當(dāng)報(bào)“L2/L3相加熱器故障”時(shí)，需檢修人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步確認(rèn)故障相別。

1.3.4 方案的選擇

為了合理地進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，分別從方案的易用性、全面性、經(jīng)濟(jì)性、安全性四個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1所示。通過方案綜合分析對(duì)比評(píng)價(jià)，最終確定采用方案3，即“N+1相電流繼電器”方式。從方案的科學(xué)性、合理性及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，方案3減少了繼電器的使用數(shù)量，降低了成本，又滿足了就地選相的要求，同時(shí)優(yōu)化了回路的設(shè)計(jì)。采用方案3的回路設(shè)計(jì)，既能反映多種類型的故障情況，又可通過面板告警燈就地選相判斷故障相別，縮小了故障的排查范圍，提高了更換處理故障伴熱帶的速度，減少了因伴熱帶故障導(dǎo)致罐體內(nèi)SF6液化的概率，降低了事故發(fā)生的可能性。

表1 各方案評(píng)價(jià)結(jié)果

1.4 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)使用前，伴熱帶故障平均處理用時(shí)為350.6 min，使用后伴熱帶故障平均處理用時(shí)為116.8 min，大大縮短了故障處理時(shí)間。該系統(tǒng)自應(yīng)用以來運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，提高故障處理速度的同時(shí)，減少了人員的戶外作業(yè)時(shí)間，保障了作業(yè)人員的人身安全，減少了SF6因低溫導(dǎo)致液化的概率，提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

2 結(jié)語

設(shè)計(jì)的特高壓伴熱帶在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在伴熱帶不正常工作時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、并輔助檢修人員判斷故障位置以便盡快處理，保證了特高壓變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)改造易實(shí)現(xiàn)，不破壞原回路，安全性高，值得推廣應(yīng)用。