一种集保护测控和开关状态监测装置的应用

殷志强

【摘要】介绍了一种集成保护、测控和开关状态监测功能的一体化新装置及其应用，描述了装置的防越级跳闸保护、泄漏电流监测、高压电连接测温、跳合闸线圈保护及机构特性监测等功能的技术特点和实现方式。

【关键词】保护测控；开关柜；状态监测；一体化

引言

随着电网技术的发展，状态检修也在电力系统中逐渐引起了重视。状态检修是指根据先进的状态监测和诊断技术提供的设备状态信息，判断设备的异常，预知设备的故障，在故障发生前进行检修的方式，它可以减少不必要的检修工作，节约工时和费用，使检修工作更加科学化。状态检修的基础是对设备进行有效的监测和诊断，根据有关资料记载[1]，对设备进行有效的监测和诊断，可使设备维修费减少25%～50%，设备事故率减少75%，经济效益十分显著。

煤矿供电系统的35kV、6kV等的成套开关柜上通常安装有微机保护、操显装置、带电显示、温湿度调节等一系列元件，使得仪表室及成套面板凌乱，显示不直观，设备厂家多、维护难度大，某些功能重复投资，且大多不具有通信功能，不满足更高级自动化要求。

从提高设备可靠性、降低设备投入和运维费用，以及提高自动化水平的方面考虑，本文介绍了一种适用于KYN-28A柜的集保护测控功能和开关状态监测功能的一体化装置及其应用。

1、装置功能配置

一体化装置是以微机保护测控装置为基础，结合煤矿供电的特点，采用了新的保护原理，除根据不同供用电设备，如线路、配电变、电动机、电容器等配置不同的保护、测控功能外，一体化装置对成套开关柜内部一次设备的绝缘、电连接发热、跳合闸线圈及机构特性进行状态监测，为设备的安全运行提供了告警机制，从多个方面提高了开关设备的自动化水平和可靠性。其主要功能包括：

1）防越级跳闸保护功能；

2）开关柜内绝缘子监测及预警；

3）开关柜内高压电连接测温；

4）跳合闸线圈监测及保护；

5）开关机构特性监测。

2、防越级跳闸保护功能

在我单位井工三矿6kV供电系统中，从地面变电所到井下中央变电所，以及各工作面采取变电所之间，大多采用纵向、多层级、短距离垂直供电模式。该供电模式线路距离短、截面積大、每段电缆阻抗小，往往一处短路，上游多级开关同时检测到过流信息。而传统的电流速断保护整定方式无法满足保护的选择性要求，一旦出现短路故障，往往多级开关同时跳闸，进而引发井下大面积停电，造成淹井事故和瓦斯积聚，严重影响安全生产[2]。

为解决越级跳闸问题，装置利用GOOSE[3]通信网络实现了分布式区域保护，使站区各级保护有机结合，防止事故范围扩大，提高动作速断，减少对设备的冲击。其原理如下：

对图1所示，当出线1在t0时刻发生故障，出线1与进线的一体化装置均检测到有故障存在，在t1时刻（如相对于故障发生10ms左右），出线1一体化装置给进线一体化装置发送相关故障信息，进线一体化装置于t2时刻接收到出线1一体化装置的信息，短时闭所进线保护，出线1于t3时刻（固有动作时间）动作跳闸，切除故障。

图1 区域保护原理——正常动作

对图2所示，当出线1在t0时刻发生故障，出线1与进线的一体化装置均检测到有故障存在，在t1时刻（如相对于故障发生10ms左右），出线1一体化装置给进线一体化装置发送相关故障信息，进线一体化装置于t2时刻接收到出线1一体化装置的信息，短时闭所进线保护，出线1于t3时刻（固有动作时间）动作跳闸，当一体化装置跳闸失败时，进线一体化装置在经过短延时闭锁后，于t4时间动作跳进线一体化装置，从而保证快速切除故障，并起到后备保护作用。

图2 站域保护原理——故障线路拒动

3、绝缘子监测及预警

高压开关柜内有支撑母线的绝缘子、穿墙套管等绝缘体，其绝缘程度的好坏直接影响电气设备的可靠性。而表面泄漏电流能有效的表征电气设备的绝缘状况，当表面受潮或者污秽严重时，泄漏电流将会显著增大，在临近闪络时绝缘表面会出现持续时间很短，幅度很高的电流脉冲。所以实时在线监测电力设备泄漏电流，能真实地反映运行中设备的外绝缘状况，为有效预防设备外绝缘闪络提供一种有效的手段。因此，监测绝缘体表面泄漏电流，不仅可评估绝缘状况进行预警，还可减少无谓的清扫和避免绝缘失效造成的事故的发生。

泄漏电流信号提取采用取流环方式，泄漏电流的获取原理见图2所示。由于泄露电流信号微弱易受外界干扰，尤其是处于高电压、大电流的电磁环境中，影响泄漏电流的检测效果，甚至根本无法检测出所需要的信号，因此装置采用了自适应噪声对消的处理方案以达到满意效果。

4、高压电连接测温

成套开关柜里电连接类型包括：固定连接、滑动（滚动）连接及可分合连接。当电连接状态劣化最直接的外部表现就是电连接处温度的异常过高，轻则加剧电连接处金属氧化和附近绝缘材料老化，重则导致电连接处金属熔焊，甚至引发火灾事故。因此需要对电连接处的发热进行检测，一体化装置对开关柜小车的一次插头及出线电缆接头进行了测温。测温方式采用接触式无线测温，这种方式将温度传感器安装到监测点，将传感器测得的温度通过无线方式发送到一体化装置，中间不需要考虑绝缘问题。温度传感器采用美国DALLAS公司的DS18B20数字传感器，测温精度0.5℃，无线采用ISM频段的433MHz。

监测告警的判据如下：

1）温点的温度过高超过阈值；2）度上升过快，如超过4℃/分钟；3）三相温度差过大，如超过5℃。

以上任一条件满足，即可认为电连接状态劣化。

5、跳合闸线圈监测及保护

现有的保护测控装置均未对开关设备的操作回路进行有效的监测和保护，一旦发生机构卡死，则会导致跳闸或合闸线圈烧毁。本装置利用霍尔传感器来采集跳合闸回路的电流信号，实时监测跳合闸回路电流，当检测到电流突变，即跳合闸命令到达时，开始计时，如果开关机构卡塞或辅助触点切换不正常，在计时器计时结束，跳合闸线圈电流仍没有消失，保护监控装置将发出命令断开操作回路，起到保护跳合闸线圈的作用，同时告警，提示及时检修。

6、机构特性监测

开关机械状态的变化可以通过跳合闸线圈电流波形，及分-和过程中的时间-位移波形和辅助接点转换的时间波形来反映，开关每个部位特性的变化会在波形中对应的部分产生相关的变化本装置通过将跳合闸线圈电流波形进行分段，然后对电流大小、变化时间进行分析，并与预先设定的参考值进行对比，可对操作机构因变形、卡塞等导致的动作特性劣化进行监视和预警，防止开关操作失灵。

7、结束语

除上述保护、状态监测功能外，一体化装置还集成了带电显示和闭锁、开关柜温湿度控制、人体红外感应及语言功能，用一台装置实现了开关柜的高度智能化。

该装置安装在我单位井工三矿地面变电站内，在安装调试阶段，就成功检测出某出线柜开关合闸机构卡塞引起的合闸时间长问题。在两年多的运行过程中，由于煤矿粉尘污染大，对柜内绝缘子表面污秽引起的泄漏电流起到了监测，提示了维护人员及时清扫。该一体化装置的使用，使得开关柜面板布置更加简洁，大量的设备状态数据可以上送到变电站后台监控，使得运行人员对设备的健康状况更加明了，也为一次设备尝试从定期检修向状态检修转变提供了设备支持，节省了维护费用，具有很好的应用前景。

参考文献

[1]黄雅罗，黄树红.发电设备状态检修.中国电力出版社，2000.

[2]董小秋，张伟.基于闭锁控制的煤矿供电系统防越级跳闸新方案.中州煤炭，2012，11.

[3]DL/T860.72-2004 变电站通信网络和系统 第7-2部分：变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口（ACSI）[S].