智能電氣設備在核電廠的應用研究

魏 巍,劉愛芬

(華龍國際核電技術有限公司,北京 100036)

0 引言

隨著科技的發展和用戶對供電可靠性的要求越來越高,傳統配電方案的保護不靈敏、操作維護復雜的問題越來越突顯,核電廠對智能化電氣設備的需求也越來越大[1-3]。目前,智能電氣設備已經在鐵路、醫院、博物館、機場、燃氣輪機電廠、石化廠、煤炭工廠、污水處理廠等多個領域有所應用,反饋效果良好。為了提高核電廠的電氣智能化水平,本文對智能電氣設備在核電廠應用的可行性進行研究。

1 智能電氣設備的現狀分析

目前,中壓智能電氣設備有智能斷路器和智能中壓開關柜,低壓智能電氣設備有智能電機管理控制器、智能饋電線路保護控制器、智能電表、智能低壓斷路器和智能低壓開關柜。用于采集智能電氣設備數據的傳感器可以外置在智能電氣設備上,也可以集成到電氣設備內部。智能本地控制系統可以使用現有集成的,也可以根據用戶需求進行個性化定制。目前大環境下云平臺是公有云平臺。

2 使用智能電氣設備的智能配電方案優勢

使用智能電氣設備的智能配電能夠全方位改善配電系統,通過對電氣系統故障的預警、預防以及預測,實現預防性維護,整體提高運行維護的主動性;通過對設備的運行和內在狀態進行實時追蹤和分析,實時評估設備的健康狀態,根據評估結果將維修工作從“預防”化為“預測”,從而預測設備的可持續性和換新需求;通過對設備數據信息的存檔、能源使用效率管理等,提升能源運行效率、降低能源成本,全面提升運營體系整體的高效性。

3 智能電氣設備應用方案

智能電氣設備在核電廠的配電方案主要包括三個層級,分別為智能電氣設備層、智能本地控制系統以及云平臺,如圖1 所示。

圖1 智能電氣設備配電方案

3.1 智能電氣設備層

(1)中壓智能電氣設備應用方案

中壓配電系統采用智能中壓斷路器,通過內嵌式溫度傳感器對斷路器進行溫度采集和在線監測。智能中壓斷路器可對斷路器的分合閘線圈、儲能電機進行智能監測。在就地實時顯示智能中壓斷路器的特性,包括斷路器合分閘線圈波形、斷路器合分閘線圈的電流和動作時間、斷路器分合閘時間和速度及行程、斷路器合分閘線圈的健康指數、儲能電機儲能電流波形、儲能電機的電流和動作次數、儲能電機的健康指數等。同時,將采集到的數據傳輸到智能本地控制系統中進行在線監測,通過對斷路器合分閘線圈和儲能電機歷史操作數據趨勢進行分析,能夠快速、直觀地掌握斷路器的健康狀態,并對斷路器的健康趨勢進行動態診斷。

中壓系統采用智能中壓開關柜,通過內嵌式的溫度傳感器對母排、電纜等溫度進行采集和在線監測。通過智能中壓開關柜對斷路器與開關柜的配合狀態進行在線監測;通過柜內視頻對手車和接地開關的位置進行在線監測;通過遠程或就地控制對斷路器的分合閘進行電動操作;通過直觀的顯示斷路器剩余電壽命,對斷路器的剩余電壽命進行在線監測;具有單獨的弧光保護,通過電流弧光雙重判據快速做出響應,快速切除故障;通過微機綜保,對回路電流、電壓等電氣參量進行測量來實現多種保護;可對避雷器的泄露電流和放電次數進行在線監測。同時,將采集到的數據傳輸到智能本地控制系統中進行在線監測。

(2)低壓智能電氣設備應用方案

對于電動機回路,采用智能電機管理控制器來實現對低壓電動機的控制、保護和監測。智能電機管理控制器可實現從簡單到復雜的多種電動機啟動方案,實現完善的保護功能,并可對電動機回路電氣參量進行監測,包括電流、電壓、功率因數、有功、視在功率、接地故障電流、電度、頻率等。還可對熱過載脫扣時間、熱過載復位時間、電機狀態、主開關狀態等進行監控。另外,可記錄電動機的運行時間、啟動次數、脫扣次數、停機時間等,方便后期維護。智能電機管理控制器以以太網替代傳統的硬接線,來減少控制連接電纜,實現高速和海量的數據傳輸。將采集到的數據傳輸到智能本地控制系統,對設備運行狀況進行大數據分析,進而提高設備使用率和管理質量。即便在設備發生故障的情況下,也能在第一時間提供故障根本原因分析,可以縮短維護時間,從而有效地確保維持產能。智能電機管理控制器預留了擴展接口,用于后期可能增加的功能。

對于饋線回路,采用智能饋電線路保護控制器來實現對饋線回路的監測、保護和告警。智能饋電線路保護控制器可實現對饋線回路的測量,包括電流、電壓、頻率、有功、無功、視在功率、功率因數、溫度、有功電度量、無功電度量、視在電度量等。智能饋電線路保護控制器可實現對線路的保護功能,包括過電壓、低電壓、過流、接地故障、溫度管理、漏電保護、通信中斷、相序保護等。智能饋電線路保護控制器可監控開關量的狀態、主開關的狀態以及各功能的告警和脫扣。另外,還可顯示維護信息,包括運行時間、停機時間、抽屜插拔次數、參數下載次數、干擾記錄等。智能饋電線路保護控制器預留了擴展接口,用于后期可能增加的功能。

對于進線回路,采用智能電表對進線回路的電氣參量進行測量,包括電流和電壓的瞬時值、平均值、最大值和不平衡率、頻率的瞬時值、平均值、最大值,有功、無功、視在功率、功率因數的瞬時值、平均值、最大值和負荷曲線、溫度、有功電度量、無功電度量、視在電度量等?？稍谥悄茈姳砩巷@示電氣參量,同時,將采集到的數據傳輸到智能本地控制系統中進行在線監測和存儲。

低壓智能配電方案采用智能低壓斷路器,通過內嵌式溫度傳感器對斷路器進行溫度采集和在線監測。在就地實時顯示智能低壓斷路器相關的電氣狀態參量。同時,將采集到的數據傳輸到智能本地控制系統中進行在線監測,可快速、直觀地掌握斷路器的健康狀態。

低壓智能配電方案采用智能低壓開關柜,通過柜內集成的溫度控制系統,連續對抽屜內環境以及電氣設備的溫度進行在線監測,并將采集到的數據傳輸到智能本地控制系統,同時對于溫度偏差進行計算,從而實現超溫預警,及時發現潛在故障點。智能低壓開關柜的故障抽屜無需斷電即可更換,可減少斷電時間,提高設備運行連續性和可靠性。智能低壓開關柜可將綜合能耗情況傳輸至智能本地控制系統,進行能耗數據分析,方便用戶優化能源使用,提高能源效率。

3.2 智能本地控制系統

本方案采用獨立的智能本地控制系統來接收智能電氣設備傳輸過來的數據,并進行處理和分析。智能本地控制系統具有能源效率管理、運行維護管理、電能質量管理和電氣設備管理等功能。

(1)能源效率管理

能源效率管理通過可視化的界面,按照負載類型、計量區域、不同工況等統計能耗,對能源使用情況進行分析,明確系統中的能源流向,快速找出系統中的用能大戶,挖掘能效提高空間,從而優化能源效率及運營決策,以減少能耗達到節能的目的。可按照不同班次或不同設備生成能耗對標報告,以便進行統計和分析。

(2)運行維護管理

運行維護管理系統顯示系統單線圖、柜面圖、通訊網絡構架圖等,可查看電力系統運行狀態、電氣設備運行狀態及參數、設備通訊狀態等。在單線圖及柜面圖上,可查看斷路器老化程度以及設備磨損程度,便于運行人員后期維護管理。遠程圖形界面控制開關的分合閘,使系統使用更加安全。可從通電設備的安全距離遠程操作斷路器,將潛在的電弧閃光風險降到最低。用戶可自定義各電氣設備的報警限值,實現對運維人員實時提醒及報警,減少突發事故帶來的財產損失。系統可記錄近期報警、近期事故以及近期事件,方便運行人員查閱?？筛鶕r間、嚴重程度、設備狀態、優先級等對告警進行過濾、分類和分析,并形成報警報告便于查閱。

通過智能監控取代人工定期巡檢,可減少運維人力及時間成本,并提前預警設備故障,實現前瞻性維護,替代了事后維修模式,減少計劃外停機時間,確保安全、可靠、持續的用電需求。

(3)電能質量管理

電能質量管理可對電能質量進行實時監測,包括功率因數和總諧波畸變率等。對電能質量發生時間以及事件類型進行捕捉和記錄,并生成電能質量波形報告、諧波報告、電能質量報告等。另外,可查閱近期發生的電壓擾動事件、電壓暫降事件、電壓波動事件、過電壓事件、欠電壓事件、電壓不平衡事件、電壓閃變事件以及頻率變化等。還可對電能質量治理設備(如無功補償柜、濾波器等)以及柜內的電子設備進行監測。通過電能質量管理,可遠程實現高效電能管理策略。

(4)電氣設備管理

電氣設備管理聚合了不同的電氣設備,能夠呈現電氣設備的運行健康情況,還可以呈現關鍵設備信息及運行參數。實現對中壓開關柜健康狀態、中壓斷路器老化情況、低壓配電柜健康狀態、低壓斷路器老化情況等進行分析。

3.3 云平臺

由于目前大環境下云平臺是公有云平臺,考慮到核電數據的安全問題,本方案采用專用云平臺。智能電氣設備采集到的數據通過核電廠無線通信5G 網絡傳輸到專用云平臺。專用云平臺提供了統一的設備管理、數據的收集以及分析能力,將從設備采集的數據統一匯聚在云平臺上,進行存儲和分析。專用云平臺主要有監測、優化、管理和預測等功能。

4 智能電氣設備應用的可行性分析

(1)技術方面

目前,智能電氣設備的產品較為成熟,功能也較為全面,能夠滿足核電廠的需求,而且在其他行業有眾多成功應用的經驗,效果反饋良好,故可將其應用在核電廠電氣系統中。

(2)經濟方面

本方案前期投資成本高,但會帶來多方面經濟效益,如可減少計劃外停電帶來的損失,可降低能耗成本、運維成本、管理成本,可減少維修和運行人員的成本等。因此,經濟上需要多方面綜合考慮做出決策。

(3)布置方面

中壓配電系統:本方案中使用的智能中壓斷路器與傳統中壓斷路器的尺寸相同,因此所占中壓開關柜的空間不變,不會增加中壓開關柜的數量。本方案中使用的智能中壓開關柜與傳統中壓開關柜的尺寸相同,因此所占中壓開關柜的布置空間不變。

低壓配電系統:本方案中使用的智能電機管理控制器、智能饋電線路保護控制器、智能低壓斷路器和智能電表,所占低壓開關柜抽屜的尺寸與原有配電方案相同,因此不會增加低壓開關柜的數量。本方案中使用的智能低壓開關柜與傳統低壓開關柜的尺寸相同,因此所占低壓開關柜的布置空間不變。

智能本地控制系統與專用云平臺共用一臺設備,該設備預留有傳輸5G 的網絡接口,在考慮布置方案時,需為智能本地控制系統的相關設備預留空間。

綜上所述,電氣設備布置方案可采用原有布置方案,所需布置空間不變,需預留智能本地控制系統相關設備的空間。

(4)對其他專業的影響方面

本方案的智能電氣設備在運行時所需環境溫度為5～35℃,原方案的電氣設備在運行時所需環境溫度為5～35℃,因此對暖通專業沒有影響;

本方案需為智能本地控制系統的相關設備預留空間,需土建專業配合在設計階段對方案進行調整;

本方案考慮到后期可能需要將數據傳輸到主控室,需要儀控專業預留相關的接口。

(5)存在的風險

對于在運核電廠,現有電氣方案是否能夠改造成智能化電氣方案,存在技術風險。另外,需要為智能本地控制系統預留布置空間,現有布置方案是否有改造預留空間,存在風險。

對于新建核電廠,可直接采購智能電氣設備,在設計階段為智能本地控制系統預留空間,不存在風險。

5 結論

本文提出了智能電氣設備在核電廠中的應用方案,分析了在技術方面、經濟方面、布置方面、對其他專業的影響,對于在運核電廠存在一定的風險,但新建核電廠具備可行性。由于核電的特殊性,對安全要求較高,故可以先在核島非安全級電氣系統中應用,待智能電氣設備通過核級鑒定并積累一定運行維護經驗后,再逐步應用于核島安全級電氣系統。