鐵芯接地電流監(jiān)測裝置低溫運行可靠性研究與應(yīng)用

高 強，劉 娟,王茂軍，劉 洋，于春來

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)鶴崗供電公司，黑龍江 鶴崗 154101；3.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150036)

隨著狀態(tài)檢修工作深入開展以及堅強智能電網(wǎng)建設(shè)，變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。其中，變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置能夠及時有效地發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯是否存在多點接地情況，已經(jīng)在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，并為保障變壓器的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮重要作用[1-2]。

由于我國地域遼闊，東北、新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)冬季平均氣溫長期處于-30 ℃，局部地區(qū)可達-50 ℃，導(dǎo)致在戶外安裝運行的變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置經(jīng)受著嚴(yán)峻的低溫考驗。變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置運行情況表明，在低溫環(huán)境影響下，裝置的長期運行可靠性明顯下降，故障率較高。目前我國對低溫環(huán)境下輸變電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的研究相對滯后，國家電網(wǎng)公司Q/GDW 540.1—2010《變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置檢驗規(guī)范》規(guī)定的在線監(jiān)測裝置考核適用溫度范圍為-40～+65 ℃[3]，無法滿足我國嚴(yán)寒地區(qū)對在線監(jiān)測裝置低溫運行環(huán)境的要求。

因此，為了提高變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測技術(shù)水平，滿足我國嚴(yán)寒地區(qū)對在線監(jiān)測裝置運行可靠性的要求。本文對影響裝置低溫長期運行可靠性的主要原因進行分析和研究，并設(shè)計和研制了一種在-55 ℃低溫環(huán)境下，能夠長期可靠運行的低溫變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置。

1 影響裝置低溫長期運行可靠性主要原因

a. 裝置元器件選型存在問題

裝置在設(shè)計和生產(chǎn)過程中，如果沒有考慮低溫工作狀態(tài)的可靠性，將導(dǎo)致部分關(guān)鍵元器件低溫環(huán)境下特性發(fā)生變化，功能失效，從而造成裝置低溫下無法正常啟動、頻繁死機和長期低溫運行環(huán)境下故障率較高等情況出現(xiàn)。

b. 裝置材料選用和工藝處理存在問題

變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置通常采用金屬殼體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料主要包括絕緣材料、金屬材料、電流互感器、電子元器件等，在低溫環(huán)境下運行時，會出現(xiàn)材料物料收縮、延展性差、脆性增加等現(xiàn)象，從而造成裝置殼體密封不嚴(yán)，內(nèi)部電路或元器件受潮損壞等情況出現(xiàn)，導(dǎo)致裝置失效。

2 低溫在線監(jiān)測裝置總體設(shè)計

2.1 裝置硬件構(gòu)成

低溫變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置主要由穿心式電流互感器、信號處理單元、ARM處理器、顯示單元、通信單元、數(shù)據(jù)存儲單元、時鐘單元及智能電加熱功能單元等組成[4]。裝置硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 裝置硬件構(gòu)成

2.2 工作原理

低溫變壓器鐵芯電流監(jiān)測裝置工作原理如圖2所示，裝置通過穿心式電流互感器將變壓器鐵芯接地線上的電流信號耦合到二次繞組后轉(zhuǎn)換為二次電流信號，該二次電流信號通過信號處理單元后，送入ARM處理器中進行計算處理。測量結(jié)果可通過顯示單元顯示，同時還將被存入數(shù)據(jù)存儲單元作為數(shù)據(jù)備份。智能電加熱功能單元用于對裝置殼體內(nèi)部進行恒溫加熱，以提高裝置在低溫環(huán)境下運行的可靠性。此外，工作人員還可通過監(jiān)測后臺對裝置的工作參數(shù)(通信參數(shù)、測量周期、電加熱啟動閾值及報警閾值等)進行配置[5]。當(dāng)測量結(jié)果異常時，裝置將發(fā)出報警信息，提醒工作人員及時處理，防止變壓器鐵芯發(fā)生多點接地故障。

2.3 裝置低溫環(huán)境下可靠性設(shè)計

a. 元器件選用

裝置全部采用軍品級(最低工作溫度-55 ℃)和工業(yè)級(最低工作溫度-40 ℃)元器件。其中，顯示單元采用耐低溫的真空熒光顯示屏(簡稱VFD)代替常用的液晶顯示器，以保證裝置在低溫環(huán)境下正常顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)；同時，裝置將根據(jù)殼體內(nèi)溫度值進行恒溫加熱，以滿足元器件正常工作溫度條件。

圖2 裝置工作原理

圖3 智能型電加熱功能單元結(jié)構(gòu)

b. 保溫隔熱措施

裝置殼體采用雙層結(jié)構(gòu)，在雙層之間嵌入新型高性能保溫隔熱材料納米氣凝膠，而對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隙，則采用聚氨酯泡沫填充；采用這種方法可以很好地將裝置內(nèi)外部隔離，冬季低溫時，可以使內(nèi)部熱量盡可能集中在殼體內(nèi)；夏季高溫時，可以很好地阻隔外部熱量向殼體內(nèi)部傳導(dǎo)，有效保證了裝置內(nèi)部元器件能夠始終處于合適的工作溫度范圍內(nèi)。

c. 智能型電加熱功能單元設(shè)計

當(dāng)外界環(huán)境溫度長期較低時，若僅依靠保溫材料的保溫隔熱效果，裝置殼體內(nèi)部的溫度將會持續(xù)下降，無法保證內(nèi)部電路正常運行。因此，在采取隔熱保溫措施的同時，本文設(shè)計和研制了一種智能型電加熱功能單元，為裝置內(nèi)部提供輔助熱源。

智能型電加熱功能單元主要由溫控系統(tǒng)、主電加熱裝置和輔助電加熱裝置3個部分組成，用于實現(xiàn)裝置內(nèi)部空間溫度調(diào)節(jié)。智能型電加熱功能單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

溫控系統(tǒng)用于實時監(jiān)測裝置內(nèi)部環(huán)境溫度，并根據(jù)設(shè)定的溫度條件和加熱方案，接通電加熱裝置電源，分別啟動主電加熱裝置和輔助電加熱裝置對內(nèi)部空間進行加熱，當(dāng)內(nèi)部環(huán)境溫度達到一定溫度時，系統(tǒng)將切斷電加熱裝置電源，停止加熱。

3 裝置低溫環(huán)境可靠性驗證

3.1 實驗室驗證

裝置在環(huán)境性能實驗室采用高低溫交變濕熱箱進行了低溫檢測試驗，試驗方案參照國標(biāo)GB/T2423.1—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗》，試驗溫度設(shè)定為-55 ℃，試驗時間設(shè)定為2 h。試驗結(jié)果表明，裝置工作正常。

3.2 現(xiàn)場驗證試驗

2016年6月，在黑龍江省漠河縣西林吉66 kV變電站開展了裝置現(xiàn)場安裝、調(diào)試和應(yīng)用，主要用于監(jiān)測站內(nèi)主變鐵芯接地電流，目的是驗證裝置在低溫條件下的工作性能，降低意外因素給試驗帶來的影響。該站主變鐵芯接地線上分別串接安裝了3臺同型號低溫鐵芯接地電流監(jiān)測裝置，3臺裝置采用級聯(lián)方式實現(xiàn)供電和RS485總線通信；同時，在站內(nèi)集控室機房內(nèi)布置了1個監(jiān)測后臺，用于集中處理監(jiān)測裝置上傳的數(shù)據(jù)，以及對監(jiān)測裝置進行參數(shù)設(shè)置和管理。裝置現(xiàn)場運行如圖4所示。

圖4 裝置現(xiàn)場運行

4 結(jié)束語

目前，低溫變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置已經(jīng)在西林吉66 kV變電站掛網(wǎng)運行近1年。現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，裝置在低溫環(huán)境下測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，各項功能正常，現(xiàn)場工作穩(wěn)定可靠。裝置設(shè)計和研制方案滿足了我國嚴(yán)寒地區(qū)現(xiàn)場對變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置長期運行可靠性的要求，并為同類裝置在低溫環(huán)境下的應(yīng)用提供參考。

[1] 張小輝，王茂軍，高 強，等.換流變鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)異常原因分析及對策[J].東北電力技術(shù)，2017,38(3)：59-62.

[2] 王茂軍，高 強，耿寶宏.變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置電磁兼容試驗與研究[J].東北電力技術(shù)，2014,35(9)：14-16.

[3] 變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置檢驗規(guī)范：GB/T2423.1—2008[S].

[4] 王茂軍，高 強，耿寶宏.基于WIA的變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測裝置應(yīng)用[J].東北電力技術(shù)，2014,35(10)：30-32.

[5] 周志強，高 強，張軍陽，等.變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法[P].中國專利：ZL201110210033.5,2014-02-12.