可拆卸的继电保护屏柜研究及工程应用

李乃永 ，李玉敦 ，李 伟 ，王 昕，史方芳

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；3.国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

继电保护是保障电力安全稳定的重要防线，特别是在当前特高压交直流混联大电网形势下，可靠、准确发挥继电保护系统的效用意义重大。

近十年来，中国电力工业迅猛发展，电网规模不断扩大，继电保护等二次装置的数量也呈现指数增长。根据统计［1］，截至2015年底，国家电网公司220 kV及以上电压等级系统继电保护装置共有151 405台，比2006年 （61 125台）增加90 280台，增幅为147.70%。继电保护装置的大规模增长使得继电保护装置运行维护以及升级改造的工作量增大，特别是近几年来老旧设备更换工作以及落后设备技术改造工作大规模开展，继电保护运行维护工作形势变得日益严峻。对山东电网而言，随着继电保护装置超期服役治理以及线路保护“双差动”和母差“双失灵”改造的进行，继电保护技术人员面临的现场工作压力日益突出。

继电保护屏柜是高集成度电子设备的支撑基础，目前大量的继电保护技术改造工作涉及继电保护屏柜，屏柜的产品质量、设计结构对继电保护技术改造的效率有重要影响［2-3］。

继电保护升级改造中，二次电缆敷设、接线等基础性工作占据较多工程时间，而且往往难以压缩，造成这一问题的原因有多种，其中重要的一条是保护屏柜设计工艺问题，目前的保护屏柜采用一体化整体框架结构，安装完成后结构无法调整，保护装置改造更换或者二次电缆敷设时往往先将电缆退至电缆沟，新屏组立后再将二次电缆穿上，所有电缆进行重新排列、做头、二次线芯重新拉直等一系列工艺，导致二次电缆施工工序繁琐、效率低下。与此同时，在这种条件下进行二次电缆敷设，存在 “误碰运行设备、引发直流接地、误伤电缆线芯”等一系列问题，影响保护装置检修效率和质量。

为解决上述问题，基于模块化设计方法，提出一种局部可调整的框架式保护屏柜方案，采用局部拼接模式替代整体焊接结构，屏柜后下横梁改作拼装件安装，保证屏柜底部可调整，方便二次电缆移动和调整，可有效提高二次电缆施工效率。

1 继电保护屏柜结构要求

继电保护屏柜是安装、固定、支撑和保护继电保护装置的骨架，是电力二次系统的重要辅助设施。典型继电保护屏框架结构包括：门楣、横梁（上梁和下梁）、立柱、肋条、门板（正门、后门和侧门），其中，横梁、立柱、肋条是屏柜的骨架结构，如图1所示。

图1 典型继电保护屏柜框架结构

按照DL／T 720—2013《电力系统继电保护及安全自动装置柜（屏）通用技术条件》（以下简称通用条件）要求［4］，继电保护屏柜在设计和制造时，应满足以下要求：

1）继电保护屏柜结构应简洁，布局合理；

2）柜体应采用冷轧钢板、不锈钢板等金属材料制造，具有足够的刚度和强度，使用维修方便；

3）继电保护柜的机械结构应满足产品的技术要求和使用要求，便于安装、巡视和检修；

4）根据不同的结构方式及使用条件，继电保护柜应具备有效的防腐性、耐久性、可维护性、安全性，同时满足人机工程学的要求。

目前，保护屏柜的设计标准、制造工艺等已较为成熟，根据通用条件规定，保护屏柜采用标准化、统一化制造的产品。为保证稳定性，柜体材料采用冷轧板折弯焊接结构。典型的屏柜基本参数如表1所示。

表1 典型继电保护屏柜技术指标

2 继电保护升级改造

保护装置的技术升级改造有多种类型，如软件升级、插件更换、整屏改造等，其中整屏更换最为复杂，工作量大、涉及面广，耗时较长。为缩短继电保护现场改造的时间，国内学者从技术和管理层面做了相关研究和应用，如继电保护装置自动调试［5-6］、施工计划管理［7-8］等，但现场应用并不理想。继电保护装置的技术升级及改造主要分为5个层次。

1）软件升级。软件从低版本向高版本的更新，修复低版本的部分缺陷，提高保护装置可靠性，不需要改动装置外部回路。

2）装置插件更换。如更换电源板、开入开出板、功能逻辑板等，这类改造仅对装置局部进行升级或更换，整体功能未发生变化，无需对二次回路和屏柜接线进行施工或改造。

3）同厂家装置更换或升级。如RCS901升级为RCS931，这类改造仅需调整屏内线，无需对二次回路进行施工或改造。

4）不同厂家装置更换。如CSC101升级为PCS931，对于这类改造，由于不同厂家装置的尺寸、接口需求存在差异，改造技术难度和施工复杂度较大，实际生产中较少采取这种方案。

5）装置整屏更换。一般装置有重大缺陷或运行超期情况下进行装置整屏更换，需重新设计、立屏、敷设电缆、接线等。

上述5类设计中，软件升级、插件更换以及同厂家装置更换通常情况下不需要改造二次回路，施工难度小；不同厂家装置更换和装置整屏更换需要调整二次回路、重新敷设电缆，施工较复杂，需要较长的停电时间。500 kV变电站典型继电保护装置整屏更换工艺流程如图2所示。

图2 500 kV变电站整屏改造工艺流程

500 kV变电站整屏改造各环节耗时情况如表2所示。

表2 500 kV变电站整屏改造耗时

由表2可以看出，500 kV变电站整屏改造从屏内二次电缆拆除到二次工艺收尾，每面保护屏柜的工时约45人·h。

由图2可以看出，为拆除旧屏柜，首先需将所有二次电缆退至电缆沟，新屏组立后再将所有二次电缆穿上，所有电缆需进行重新排列、做头、二次线芯重新拉直等一系列工艺，存在“误碰运行设备跳闸、易发生直流接地、误伤电缆线芯、二次施工繁琐、工作强度大、工作效率低”等一系列问题。同时由于一次设备停电时间有限，保护逻辑调试、二次回路验证、带开关传动等关键工作时间不足，无法保证二次设备“零缺陷”投运。

3 模块化保护屏柜设计

现有的保护屏柜采用冷轧板折弯焊接结构，横梁、立柱等骨架结构一体化焊接，不利于现场二次电缆的移动、敷设，提出一种模块化设计方案。

3.1 设计思路

新型继电保护屏柜采用局部拼接模式替代整体焊接结构，如图3所示。屏柜后下横梁改作拼装件安装，保证屏柜底部可调整，方便二次电缆移动和调整，其他部分保持焊接结构不变，确保屏柜整体稳定。

图3 新型继电保护屏柜结构

3.2 设计要点

1）局部焊接。上梁、立柱、左下梁、右下梁以及前下梁采用一体化焊接结构，后下横梁单独制造，设计标准插孔，如图4所示，后下横梁材料与其他部位一致。

图4 屏柜后下梁部分

2）拼接接入。采用拼接方式与下梁剩余部分连接，在保证框架强度的情况下，以方便拆卸为目的，左右两边采用4-M6螺丝进行紧固，如图5所示。

图5 新型屏柜组装方式

4 应用案例分析

设计的新型继电保护屏柜已在山东某500 kV变电站多个线路间隔的保护装置改造工程中投入应用。

4.1 施工方案

应用新型屏柜进行改造时候，基本施工要点为：

拆除改造时，拆除旧屏柜后下横梁，即可将屏柜整体向前拉出，二次电缆不阻碍屏体移动，不需要抽拉电缆；

屏柜组立时，将新屏柜后下横梁拆除，向后平推即可，新屏柜就位后，安装后下横梁即可完成屏柜组立工作。

4.2 效果分析

以500 kV线路保护屏柜改造为例，现场改造平均耗时统计如表3所示。

表3 应用新屏柜时的保护改造耗时统计

由表3可以看出，新屏柜有效节省了二次电缆抽、穿、整理及新屏组立时间，平均每面屏柜由原来的45人·h缩短为19.5人·h，效果明显。

5 结语

继电保护屏柜是继电保护系统的重要辅助设施，对保护装置正常发挥作用具有重要意义。提出并研制了一种局部可拼接的继电保护屏柜，在屏柜整体改造时，将后下梁拆除，推出屏柜即可开展二次回路改造工作，无需整理二次电缆，有效缩短了二次回路改造时间。工程应用表明，利用新型屏柜进行二次改造时，现场改造平均耗时由45人·h降至19.5人·h，效果明显。