252 kV高压断路器故障预警装置现场安装方法

韩晨磊，陈昊，夏冰，张若薇，孙子昌，王玮，王瑞华

(1．国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210019；2．青岛理工大学信息与控制工程学院，山东 青岛 266520)

0 引言

电力系统安全稳定运行是经济社会发展稳定的重要保障和关键动力[1-3]。在我国现行的电网构架中，220 kV电压等级的电网具有线路输送功率较大、供电范围较广等特点，构成了地区电力系统的主干网络[4-5]。高压断路器作为电力系统的“守卫者”，是切断故障电路、防止事故扩大的关键设备[6-7]。220 kV电力系统中高压断路器数量众多，一旦高压断路器自身发生故障，将会对地区供电安全产生重大影响，甚至可能会影响到上一级电网(500 kV电网)的安全运行，引发电网故障扩大，造成巨大的经济损失。因此，对252 kV断路器开展故障预警工作，提前发现并排除断路器早期潜伏性故障，对地区电网的安全稳定运行至关重要[8-9]。

机械故障、外绝缘故障和回路漏电故障是252 kV高压断路器常见的几种故障类型，具有隐蔽性强、特征不明显等特点，潜伏期故障预警难度极高[10-12]。目前，国内外应用的断路器在线监测方法，如断路器内绝缘(SF6气体)状态检测，为了保证设备运行安全，相关检测装置安装皆采取停电安装的方法。而针对机械故障、外绝缘故障和回路漏电故障等常见故障，普遍采用按照管理周期计划性地安排停电对断路器进行试验的方法来评估断路器运行状态，缺乏针对性且停电带来的附加成本高[13-14]。此外，停电试验脱离了高压断路器实际的带电运行状态，检测缺乏实时性和准确性[15-17]。基于此，对不停电的高压断路器故障预警技术的研究已经成为电力系统亟待突破的重大课题。

本文基于江苏省某220 kV变电站252 kV断路器故障预警装置现场安装实例，提出基于振动传感器、电场强度传感器和电流互感器的高压断路器故障预警装置安装方法，对现场不停电安装施工时的前期准备、土建施工、电缆排布、装置安装、调试、验收等全过程进行介绍。

1 智能电子设备柜安装

1.1 站内基本情况

高压断路器故障预警装置安装所在的江苏省某220 kV变电站站内一次设备共分3个电压等级，分别为220 kV、110 kV及35 kV。220 kV一次接线为户外敞开式单母线分段接线方式，共有2台主变压器、4回进线。站内电磁环境较为恶劣、环境温差大，考虑到原有的断路器汇控柜、端子箱均没有足够的安装条件和空间，故选择单独设立专用的智能电子设备(intelligent electronic device，IED)柜来安装断路器在线监测装置。在本文所述的220 kV变电站中，通过设立2个IED柜以满足220 kV设备区全部7台断路器故障预警装置的监控主机及就地分析系统安装。

1.2 IED柜位置选择

综合考虑加装预警装置的断路器在220 kV设备区的相对位置、设备区电缆沟走向、预警装置缆线走向、IED柜交流电源接入、地面条件、所接缆线总长度等因素，确定IED柜在现场的安装位置。

1.3 土建工作

在确定IED柜安装位置后，首先进行柜体的土建基础制作。在选定的立柜位置定位放线，开挖基槽，敷设通向电缆沟的排管，接地体预埋，安装模板，浇筑混凝土，混凝土拆模后，覆盖塑料薄膜进行养护，养护时间为10～14天。在柜体基础养护时间期满后，进行IED柜的安装。

1.4 柜体安装

提前在场外进行IED柜内部装置组装工作，使用预制托架预装断路器故障预警装置，加装预警装置所需的交流空气开关。使用插线板模拟装置通电，查验预警装置上电后运行状态，验证IED柜内设置的照明及加热排湿装置是否能正常运转。

将组装好的IED柜运输到现场，进行基础找平、定位、安装，同时做好柜体接地。需要注意的是，由于故障预警装置各部件已经提前预装在IED柜内，IED柜整体质量大幅增加，现场运输时应充分考虑大质量物件的运输问题，提前准备起重机等起重工具，规划物料运输路线。

1.5 柜体电源的引入

根据前期勘察方案，选取邻近的检修电源箱作为IED柜供电电源。根据IED柜预埋的排管、电缆沟走向敷设电源电缆，根据检修电源箱内电源负荷分配情况确定IED柜电源分配。如图1所示，从检修电源箱处引入到IED柜内的交流电源通过柜内预设的二级空气开关分别给加热照明装置、交换机、监控主机等断路器故障预警装置供电，通过2P空气开关实现对柜内装置电源取用的控制。

图1 IED柜交流空气开关设置

2 故障预警装置终端安装

2.1 线缆敷设

故障预警终端通信线缆敷设范围由IED柜至7台252 kV断路器，包括振动传感器通信数据线、电场强度传感器通信数据线及电流互感器通信数据线。线缆敷设过程中，需要对敷设工艺质量进行把控，线缆敷设需沿电缆沟保持笔直，线缆弯曲处的弯曲半径应大于线缆直径的10倍，不得出现绞拧、护层断裂、表面严重划伤等缺陷，在线缆两端增设波纹管进行保护。通信电缆敷设时在其两端做好标记以便于后期传感器安装时辨识电缆。通信数据线缆敷设的过程中，应及时采用防火防潮封堵材料对电缆沟防火墙、断路器端子箱、检修电源箱及IED柜等进行封堵，以满足户外柜体防尘、防水、防小动物的要求。

通信线缆至断路器传感器安装处敷设须对断路器原有土建基础进行重新开挖和恢复。考虑到不同断路器所在间隔原有土建基础差异，通信线缆在每个间隔内的敷设需根据实际情况进行差异化优化。以ABB公司生产的HPL-245B1型三相联动断路器为例，该断路器三相之间通常有横梁连接，仅需选择断路器三相之中最有利于施工的一相断路器处进行土建开挖、排管下埋、土建恢复即可，三相线缆敷设走线通过同一预埋排管，利用断路器三相之间的横梁完成断路器三相传感器通信线缆的走线。而对于同样由ABB公司生产的HPL-245B1型三相分相机构断路器，该三相之间无横梁连接，出线间隔断路器故障预警终端线缆的敷设需要针对A、B、C三相分别进行土建开挖、排管下埋、土建恢复工作，工作量较大。因此，现场施工之前须进行充分的现场勘查，并针对不同断路器实际安装条件来制定工作计划和施工方案。应加强施工全程监护，应使用套管保护线缆外露部分，及时封堵连接处以防止水汽灰尘进入。

2.2 传感器安装

本文中的断路器故障预警装置信号采集单元包括电场强度传感器、振动传感器和电流互感器。振动传感器可以采集断路器分、合过程中机械振动信号，通过比对高压断路器机械故障样本库对断路器机械故障进行分类、定级。电场强度传感器可以采集断路器瓷柱附近的电场强度信息，通过与正常运行状态下断路器三相电场强度分布、变化趋势等信号进行综合对比，实现对断路器外绝缘故障的判别和预警。电流互感器用于采集断路器端子箱内交流电源回路漏电流信息，可灵敏反映高压断路器二次回路的发展性漏电故障。

2.2.1安装点位选择

以ABB HPL-245B1型三相联动断路器为例，对振动传感器和电场强度传感器安装点位的选择加以说明，其他型号断路器可参照同型号断路器实验室环境安装点位优化方案。

断路器机构箱内或断路器横梁处为振动信号采集的最佳位置，考虑到振动传感器采用磁吸式固定方式，为了尽可能避免传感器对断路器机构箱内继电器正常工作的潜在干扰，一般不在机构箱内安装振动传感器，而是将安装点位范围局限于断路器横梁。在实验室环境下针对ABB HPL-245B1型三相联动断路器横梁内壁、外壁等不同安装点位分、合闸操作时产生的振动信号进行采集，提取振动信号有效特征量[18]、振动信号强度。ABB HPL-245B1型断路器振动信号传感器的安装点位如图2所示。

图2 磁吸式传感器安装点位

根据现场实测结果发现，高压断路器带电状态下，其测量点周围空间中的三相电场强度近似呈U型分布，且三相电场强度变化趋势接近[19]。在实验室环境下对ABB HPL-245B1型三相联动断路器不同点位电场强度信号进行采集，并利用采集到的电场强度信号对断路器U型曲线进行拟合复原，以找到电场强度传感器的最佳安装位置[20]，最终确定该型号断路器电场强度传感器的安装点位如图2所示。

2.2.2磁吸式传感器安装方式

考虑到磁吸式传感器在户外长期吸附的可靠性，在传感器与断路器横梁之间增配辅助磁吸片，辅助磁吸片的加装保证了传感器在多次振动条件下无位移、脱落等情况。

2.2.3电流互感器安装方式

该变电站220 kV区域端子箱交流电采用环网电源，断路器储能电源交流回路A、B、C、N四线穿过剩余电流互感器即可测得剩余电流，此时剩余电流包含长段式动力电缆本身的剩余电流及后端负载的剩余电流，为整个馈线的总剩余电流。采用单传感器采集方式，剩余电流互感器穿孔直径为2 cm，安装于断路器端子箱开关储能电源空气开关下方，使用扎带捆扎依次叠起，馈线A、B、C、N线穿过传感器。同时采集单相负荷电流，利用复合电流判据[21]判别电缆漏电故障。剩余电流互感器、单相电流互感器安装位置如图3所示。

图3 电流互感器安装

需要注意的是，对于不同型号断路器，端子箱内储能交流电源线的走线分布不同，可能存在A、B、C、N线相距较远而无法穿过同一互感器的情况。对于以上情况，要厘清现场交流动力电缆的走线情况，尝试寻找合适位置加装传感器。对于确实无法实现同一互感器钳A、B、C、N线的情况，可考虑加装转换装置，即使用多个互感器钳A、B、C、N线，将电流信息汇集后通过转换器实现剩余电流的转换和监测。

2.3 故障预警装置调试

三种类型传感器与IED柜通过数据线完成连接安装好，对断路器故障预警装置进行调试。检查装置外观及绝缘情况良好，对装置进行试上电，验证装置电源性能及故障告警功能正常。通过通信数据线的插入和拔出，验证通信通道告警功能正常。通过手动采集数据，验证装置报文形成、报文调阅及故障分析等功能正常。

2.4 结合停电安装

通过本文所述的252 kV高压断路器故障预警装置现场安装方法，可以在不停电条件下完成现场安装。当预警装置采用不停电安装方法时，应在被监测断路器预警装置安装后首次操作时，在现场验证预警装置分合操作事件生成与故障分析功能。当现场具备停电条件时，可以结合停电对相关断路器故障预警装置进行功能验证和分合闸数据采集，试验数据用以完善和补充故障预警装置数据库，同时验证装置各项功能是否正常。

3 验收

按照变电站内屏柜相关验收标准验收IED柜，需要特别关注二次接地和电缆标识；按照故障预警装置相关验收标准验收断路器故障预警装置，重点验证信息采集的连续性和正确性，以及确保故障预警装置功能正常。高压断路器故障预警装置现场安装工序如图4所示。

图4 高压断路器故障预警装置现场安装工序

4 安全施工注意事项

保障变电站工作现场人身、设备安全是现场施工的前提基础。本文所述252 kV高压断路器故障预警装置现场安装方法基于不停电条件，施工过程中的安全注意事项见表1。

表1 不停电安装安全施工注意事项

5 结语

本文依托江苏省某220 kV变电站252 kV断路器故障预警装置现场，对断路器故障预警装置不停电安装施工前期准备、土建施工、电缆排布、装置安装、调试、验收等全过程进行介绍，提供将断路器故障预警装置相关成果落地应用的可行性方案。本文提出的高压断路器故障预警装置不停电安装方法，在保证安装全过程安全性、灵活性的同时，大幅缩短了安装的停电时间并降低了停电成本，实现了对断路器早期故障的预警。该方法可以推广至10 kV及以上电压等级的断路器故障预警技术应用及装置安装，大幅提高断路器的状态监测和故障预警水平，提高断路器检修的针对性，节约检修成本，提升变电站智能运检质效。