高寒地區(qū)特高壓伴熱帶在線監(jiān)測系統設計與應用

張振偉

（國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內蒙古 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備為GIS設備或HGIS設備，冬季平均氣溫-32℃，極端最低氣溫可達-39.8℃[1-3]。在溫度極低的情況下若不采取任何措施，SF6氣體就會發(fā)生部分液化，導致SF6氣體濃度降低，滅弧能力減弱[4-9]，此時如果分合開關就有可能發(fā)生設備內部局部放電或擊穿等故障，嚴重時還會造成爆炸[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GIS設備或HGIS設備罐體的加熱，使罐體內的溫度升高，從而避免SF6液化，減少故障的發(fā)生[15]。

伴熱帶在線監(jiān)測系統可實現對伴熱帶實際工作狀態(tài)的有效監(jiān)測[16-19]。目前部分變電站通過采用電壓互感器來實現對伴熱帶的監(jiān)測[20]，即在伴熱帶兩端并聯電壓互感器，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，進而無法有效反映伴熱帶的實際工作狀態(tài)。實際運行中，當伴熱帶回路存在虛接及斷線等情況時，回路中的電流會隨之發(fā)生改變，基于此，本文提出一種通過監(jiān)測伴熱帶回路中的電流來實現對伴熱帶實際工作狀態(tài)進行監(jiān)測的特高壓伴熱帶在線監(jiān)測系統。該系統可反映多種故障情況，在故障報警后檢修人員可通過面板告警燈實現就地選相，并及時更換故障伴熱帶，既提高了故障處理速度，又減少了因伴熱帶故障導致罐體內SF6液化的概率。

1 特高壓伴熱帶在線監(jiān)測系統設計及應用

1.1 系統組成

特高壓伴熱帶在線監(jiān)測系統采用穿心式電流互感器，在不破壞伴熱帶回路的基礎上，通過感應出的二次電流來驅動電流繼電器。該系統由電流繼電器、電流互感器、溫度控制器、中間繼電器、智能報警裝置、測控裝置、交換機以及監(jiān)控后臺組成。伴熱帶安裝位置見圖1。

圖1 伴熱帶安裝位置

1.2 溫度參數設置

通過查閱《國網蒙東檢修公司特高壓變電站現場運行專用規(guī)程》[21]（以下簡稱規(guī)程）、咨詢伴熱帶廠家并結合現場實際運行情況，確定了伴熱帶在線監(jiān)測系統信號回路中溫度控制器的溫度參數。特高壓變電站內GIS及HGIS開關氣室的額定壓力為0.55 MPa和0.6 MPa，對應的液化溫度約為-30℃和-25℃。為了避免SF6氣體液化，規(guī)程規(guī)定當環(huán)境溫度低于-15℃時伴熱帶投入，當環(huán)境溫度回升至-10℃時伴熱帶退出運行[21]。

伴熱帶在線監(jiān)測系統回路中溫度控制器的溫度參數設定為啟動溫度-15℃，停止溫度-10℃。當溫度低于-15℃時，溫度控制器驅動電磁接觸器勵磁，其輔助觸點KC閉合，主觸點閉合導通三相加熱器回路；當溫度高于-10℃時，電磁接觸器KC不勵磁，其輔助觸點KC打開，主觸點打開切斷三相加熱器回路，以實現溫度控制器的自動調節(jié)功能。為了防止加熱器不工作時誤發(fā)信號，將電磁接觸器的輔助觸點串聯在信號回路中。

1.3 設計方案

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相位置設置一個電流繼電器，通過電流繼電器與電磁接觸器的常開輔助觸點串聯構成信號發(fā)送回路。加熱器正常工作時，電流繼電器不勵磁，輔助觸點KA1斷開，報警信號回路不導通，此時無報警信號。

圖2 方案1工作原理圖

當某個加熱器回路因過熱或其他原因斷開時，會有電流流經電流繼電器，電流繼電器勵磁，輔助觸點KA1閉合，KC也在合位，導通信號告警回路。此時會給智能故障報警裝置一個開入信號，點亮面板上“加熱器故障”告警燈LD1，然后智能故障報警裝置通過20芯扁平電纜傳輸數據至故障報警繼電器，報警接點Q1閉合，同時給測控裝置一個加熱器故障的硬接點信號，測控裝置通過網線將報警信號傳至后臺，彈出報文并點亮伴熱帶故障的光字牌。

1.3.1.2 設計思路

三相加熱器正常工作時，沒有零序電流，電流繼電器不勵磁，不報警。當一相、兩相或三相不同時故障時會產生零序電流，在零序N相位置串聯的電流繼電器就會勵磁，其常開輔助觸點閉合導通信號發(fā)送回路，點亮面板告警燈，發(fā)送信號至監(jiān)控后臺。但是三相加熱器同時故障斷線時，由于不存在零序電流，電流繼電器不勵磁，所以面板指示燈不會點亮，也不會發(fā)送信號至監(jiān)控后臺。

1.3.1.3 方案優(yōu)點

利用單個繼電器實現了對三相加熱器的監(jiān)視，能夠檢測出一相、兩相斷線，三相不同時斷線的情況，且經濟性較好。

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斷線的故障情況，存在監(jiān)視死區(qū)；

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

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電流繼電器，通過電流繼電器的常閉輔助觸點三相并聯后與電磁接觸器的常開輔助觸點串聯構成信號發(fā)送回路。加熱器正常工作時，電流繼電器三相都勵磁，輔助觸點均斷開，報警信號回路不導通，無報警信號。

圖3 方案2工作原理圖

當某個加熱器回路因過熱燒斷或其他原因斷開時，該相的電流繼電器就會失去勵磁，輔助觸點KA1、KA2、KA3就會閉合，KC也在合位，導通信號告警回路，報警接點Q1、Q2或Q3閉合，并給測控裝置一個硬接點信號，測控裝置將報警信號傳至后臺，彈出報文并點亮對應光字牌。

1.3.2.2 設計思路

三相加熱器正常工作時，三相的電流繼電器都勵磁，不報警。當一相、兩相或三相（同時或不同時）故障斷線時，對應故障相上的電流繼電器就會失去勵磁，其輔助觸點閉合導通信號發(fā)送回路，點亮面板告警燈，發(fā)送信號至監(jiān)控后臺。

1.3.2.3 方案優(yōu)點

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

（2）發(fā)送故障報警信號后，可通過面板告警燈實現就地選相，便于及時更換故障伴熱帶，提高了故障處理速度，減少了因伴熱帶故障導致罐體內SF6液化的可能。

1.3.2.4 方案不足

三相的每個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相的位置各設置一個電流繼電器，通過電流繼電器輔助觸點的組合，再與電磁接觸器輔助觸點串聯構成信號發(fā)送回路。加熱器正常工作時，電流繼電器KA1勵磁，常開輔助觸點閉合，常閉輔助觸點斷開；電流繼電器KA2不勵磁，常開輔助觸點斷開，常閉輔助觸點閉合，報警信號回路不導通，無報警信號。

圖4 方案3工作原理圖

（1）當L1相加熱器回路因過熱燒斷或其他原因斷開時，L1相電流繼電器失去勵磁，常閉輔助觸點KA1閉合，因此時有零序電流，電流繼電器勵磁，常開輔助觸點KA2閉合，KC也在合位，導通信號告警回路。此時點亮面板上“L1相加熱器故障”告警燈LD1，報警接點Q1閉合，發(fā)送信號至監(jiān)控后臺。

（2）當三相相加熱器回路因過熱燒斷或其他原因斷開時，L1相電流繼電器失去勵磁，常閉輔助觸點閉合，因此時沒有零序電流，電流繼電器不勵磁，常閉輔助觸點KA2閉合，KC也在合位，導通信號告警回路。此時點亮面板上“三相加熱器故障”告警燈LD2，報警接點Q2閉合，發(fā)送信號至監(jiān)控后臺。

（3）當L2相或L3相加熱器回路因過熱燒斷或其他原因斷開時，因此時有零序電流，電流繼電器勵磁，常開輔助觸點KA2閉合。因L1相無故障，所以電流繼電器處于勵磁狀態(tài)，常開輔助觸點閉合，KC也在合位，導通信號告警回路。此時會點亮面板上“L2/L3相加熱器故障”告警燈LD3，報警接點Q3閉合，發(fā)送信號至監(jiān)控后臺。

1.3.3.2 設計思路

三相加熱器正常工作時，L1相的電流繼電器KA1勵磁，N相的電流繼電器KA2不勵磁，通過輔助觸點構成的信號回路沒有導通，不報警。當一相、兩相或者三相同時或不同時故障斷線時，通過電流繼電器輔助觸點的組合導通信號回路，點亮面板對應告警燈，并發(fā)送信號至監(jiān)控后臺。

1.3.3.3 方案優(yōu)點

（1）方案3的接線方式能反映一相、兩相或三相同時或不同時斷線的故障情況；

（2）故障報警后，可通過面板告警燈實現就地選相，便于及時更換故障伴熱帶，同時避免了因伴熱帶故障導致罐體內SF6液化的問題；

（3）和方案2對比，在實現在線監(jiān)測和就地選相功能的同時，經濟性比較好，節(jié)約了電流繼電器。

1.3.3.4 方案不足

當報“L2/L3相加熱器故障”時，需檢修人員到現場進一步確認故障相別。

1.3.4 方案的選擇

為了合理地進行方案評價，分別從方案的易用性、全面性、經濟性、安全性四個方面對方案進行評價，結果如表1所示。通過方案綜合分析對比評價，最終確定采用方案3，即“N+1相電流繼電器”方式。從方案的科學性、合理性及經濟性等方面考慮，方案3減少了繼電器的使用數量，降低了成本，又滿足了就地選相的要求，同時優(yōu)化了回路的設計。采用方案3的回路設計，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致罐體內SF6液化的概率，降低了事故發(fā)生的可能性。

表1 各方案評價結果

1.4 應用效果

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

2 結語

設計的特高壓伴熱帶在線監(jiān)測系統在伴熱帶不正常工作時能夠及時發(fā)現、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)定運行。通過監(jiān)測系統的實際運用驗證了該系統的有效性和實用性。該監(jiān)測系統技術改造易實現，不破壞原回路，安全性高，值得推廣應用。