西气东输抚州分输压气站110kV变电所智能化改造

国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司南昌输气分公司 胡天明 谢聚锋 刘 琨 周仁冲 秦 涛

1 引言

作为易燃、易爆危险场所的天然气管道压气站，一般都建于距离较远、交通不便的地区，对供电安全性要求非常高。同时各地天然气企业大力推行无人值守等管理方式，减少了站场长期驻留的人数，变电站智能化提升很有必要。目前大部分站场电力设备均采用人工巡检，随着运行时间累加，电力设备的寿命也在减少，失效的危险性也逐年递增，运营单位的安全生产压力在递增，所以迫切需要找出一个切实可行的监控手段，提前发现变电站设备隐患。同时，国家电网、南方电网对老旧变电站进行智能化改造的经验丰富，并发布了大量的技术要求和设计规定，技术上可以借鉴。结合天然气管道站场变电站的实际情况，目前智能化变电站的发展趋势以及电气设备的在线监测技术相结合，西气东输二线抚州压气站进行了相关的智能化改造。

2 智能变电站改造简介

智能化改造对推进变电站高压设备管理智能化、数字化有着重大意义，能有效弥补单一停电检修的不足，能实时准确反映高压电气设备运行时的绝缘性能和健康水平。同时智能变电站具有自我诊断和报警，通过设置报警值，能够及时发现设备运行中的发展性绝缘缺陷，防止突发性绝缘事故发生，有效提高设备运行水平和可靠性，降低设备事故率，显著减少突发性事故。

本文提出了一种基于网络通信的智能化变电所自动控制系统的改造方法。除可以完成各自独立的功能之外，还可以接入综保系统，联动综保功能，及时发现问题，从而有效地降低安全隐患，保证智能化变电所的正常运转。

以西二线抚州站为例，在原有变电所变配电的设备保护、测量、遥控、遥信功能上，新增GIS 局部放电在线检测装置、SF6微水密度在线监测装置、变压器局部放电在线监测装置、变压器油色谱在线监测装置、10kV 母线绝缘在线监测装置等。通过硬件连接的方法，将设备的报警等重要信息输入到保护动作的测量控制单元中[1]。

3 改造方案

智能化改造主要是进行变压器油色谱在线监测，变压器局部放电在线监测， GIS 局部放电在线监测，SF6气体微水密度在线监测，开关柜绝缘在线监测，线缆的绝缘及温度监测等，这些在线监测系统能够将数据实时地传回，并通过监控系统对其进行分析，从而为电气设备的检修和维护提供便利，并对电气设备的异常数据进行预先的预判和报警，防止设备和人员的安全事故的发生。

在智能变电站中，同时将视频监视系统与智能巡检机器人相结合，并在其上安装有红外热成像仪、高清摄像头、交互式对讲平台等，视频监视后台与自动化系统后台展开实时通信，从而可以进行图像识别、智能巡检、故障监视等。

3.1 110kV GIS 局部放电在线监测技术

110kV GIS 是变电所中的一个重要电气设备，是由110kV 母线、断路器、隔离-接地开关、避雷器、互感器等组成，这些设备均封闭在充有SF6气体的气室中。由于GIS 是封闭式的，从外观不易发现内部故障，通过在线监测装置能清楚掌握运行情况，对GIS 实时监测[2]。

GIS 内的局部放电能激发超高频（UHF）电磁波信号，UHF 电磁波信号穿透性强，能够从盆式绝缘子和GIS 外壳接缝处泄漏到外部。使用超高频检测传感器放置在气室间法兰盘上，在UHF 频段（300MHz 以上）接收和耦合GIS 内部信号，准确测量GIS 内部放电信号。超高频率的传感器具有灵敏度高，应用范围广，精度高等特点，能精确的定位故障位置（见表1）。

表1 抚州站110kV 变电所27个GIS 气室局放检测数据

3.2 SF6微水密度在线监测技术

随着GIS 设备运行时间变长，当SF6气体中的水分含量增大或由于气体泄漏，会造成绝缘性能下降，影响GIS 的安全运行。由于绝缘性能下降而引起的GIS 故障时有发生，因而如果能够在线监测GIS 中SF6气体中的微水含量和密度就可以防患于未然。

SF6气体微水密度在线监测系统主要用于110～750kV 电压等级的断路器或GIS 中SF6气体状态在线监测，实现在不排放SF6气体的前提下，对GIS 各气室 SF6气体的微水、密度、温度及其变化趋势进行实时状态监测，并且将温度、压力、密度、微水、露点通过通信远传至综合监测单元。

当高压设备的气室充有SF6气体后，判定其是否已满足绝缘或灭弧的要求时，常常用SF6气体密度这个概念来衡量，一般以20℃时的标准压力值这个值等效为气室内SF6气体密度值；SF6气体中微水含量的浓度以SF6中所含水汽的体积与SF6气体的体积之比来表示，即用（μL/L）表示。

3.3 变压器局放在线监测技术

当变压器内部有放电发生时，内部放电信号会通过电容效应耦合到变压器铁芯、夹件上，进而通过铁芯接地线、夹件接地线传导到变压器外壳;而当外界电晕等干扰信号发生时，外界信号会经套管电容或绕组电容传导到变压器外壳通过外壳接地线流入大地；因此通过对比铁芯接地线、夹件接地线和与箱体接地线上的信号大小，即可判断出哪些信号是变压器内部放电，哪些是外界干扰信号[3]。

3.4 变压器油色谱监测技术

油色谱在线监测系统根据气相色谱原理，通过微处理器的控制，自动进行油路清洗、油气分离、气体采集、恒温控制、样气的定量与进样、基线的自动调节、数据采集与处理、定量分析与故障诊断，并定期自动校准。

变压器油中的相关气体经过滤装置脱气后进入进样装置自动进样，在标准载气的作用下通过色谱柱，色谱柱对不同的气体具有不同的亲和作用，导致采集的气体依次分离出来，气体检测器对采集气体（CO、CO2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等）按分离顺序分别进行检测，并将气体的浓度特性转换成模拟量电信号。模数转换模块将电信号转化成数字信号，通过网络上传给监控主机并存储。监控主机根据标定数据进行定量分析，分别计算出采集气体各组分含量及各自的增长率，再由故障诊断系统对变压器故障进行综合分析诊断，实现变压器故障的在线监测。

3.5 10kV 母线绝缘在线监测装置

为在线测量电力系统母线上电气设备纯阻性的绝缘，采用“直流叠加法”，每段10kV 母线PT 柜内配置三只高压隔离电阻，将高压直流（DC1500V 2500V）叠加在带电的交流高电压上，从而测量母线绝缘层微弱的直流电流，进而换算成绝缘电阻。绝缘在线监测系统能及时发现母线绝缘隐患，发出报警，减少故障处理范围和时间，避免故障扩大化，提高运维人员的工作效率，减少资源投入，提高企业经济效益。

3.6 自动化系统“一键顺控”功能

智能化变电所的“一键顺控”功能与变电所的自动控制系统相结合，包括操作票库，任务生成，模拟演练；指令执行，权限管理，防止错误锁定；具有操作日志，人机界面，与智能化的防错台，辅助设备监控等多种功能。

在已建成的110kV 输气场站变电所装置中，断路器和隔离开关都是具有远程控制功能的电气操纵装置，符合“一键顺控”规程中对断路器和隔离开关应具有远程控制功能的规定。

3.7 变电站视频监控系统

变电站视频监控系统包括视频监控主机、硬盘及各类摄像头等。所述的硬盘记录装置，用于访问和存储各种类型的照相机的影像信息，并向影像监视主机上传影像数据；监控主机通过对采集到的数据进行内部智能处理，并将其输出，从而达到预览、监控和管理的目的，实现数据的上载，如联动，智能分析等。对变电所视频监控子系统及设备进行配置，在机柜间配置一面视频系统通信屏，在各高压设备室安装摄像头及轨道摄像头等。

4 结语

随着天然气站场安全要求越来越高，天然气管道站场的智能化建设已经成为必然。变电站智能化改造正是契合管道行业发展，在110kV GIS 中，进行110kV GIS 局部放电在线监测、SF6微水密度在线监测改造；在变压器上，变压器局放在线监测、变压器油色谱监测改造；在110kV 主干线路上，利用“一键顺控”技术来进行变电站的综合控制；在10kV 开关柜上，进行10kV 母线绝缘在线监测改造等；在变电所中，增加一套视频监视系统。本文所述的改造技术具有较高的可行性，并且改造的困难并不很大，改造完后，能实时、在线地对变电所各设备状态进行不间断监测，便于及时准确发现高压设备的潜在隐患，并减轻操作人员的工作量。