用于特高壓站站用電系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

引言

特高壓輸電在優(yōu)化電力資源配置、提高輸電走廊利用率和保護(hù)環(huán)境等方面具有重要意義,故作為電力樞紐的特高壓變電站在電網(wǎng)中的地位尤為重要。而站用電系統(tǒng)是特高壓變電站的重要組成部分,其工作狀態(tài)極大地影響著特高壓變電站的運(yùn)作。站用電系統(tǒng)的絕緣出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生漏電流,漏電流會(huì)對(duì)操作人員產(chǎn)生一定威脅,小于10mA的漏電流對(duì)人的影響還不是特別嚴(yán)重,但當(dāng)漏電流達(dá)到30mA時(shí),會(huì)導(dǎo)致人員觸電并有一定的生命危險(xiǎn):除此之外,漏電流還會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損傷,導(dǎo)致電氣火災(zāi)等事故,存在著嚴(yán)重的安全隱患。因此,靈敏地檢測(cè)出漏電流并及時(shí)處理顯得十分重要,目前采取的有效措施是安裝漏電保護(hù)器。

漏電保護(hù)器在特高壓站站用電系統(tǒng)的保護(hù)中一直扮演著不可或缺的角色。傳統(tǒng)的漏電保護(hù)器依賴(lài)于交流漏電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng),而對(duì)于直流系統(tǒng),漏電流不能產(chǎn)生交變磁場(chǎng),傳統(tǒng)保護(hù)裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)保護(hù),因此直流漏電保護(hù)技術(shù)的研究已不容忽視。同時(shí),隨著站用電系統(tǒng)直流裝置的不斷增加,越來(lái)越多的交直流變換環(huán)節(jié)應(yīng)用于站用電系統(tǒng),這就使得站用電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的故障電流除了工頻故障電流外,還可能是不同頻率的交流、平滑直流、脈動(dòng)直流以及復(fù)合交直流。面對(duì)這些復(fù)雜的情況,傳統(tǒng)的Ac型以及A型漏電保護(hù)器無(wú)法形成保護(hù),甚至?xí)诎l(fā)生直流漏電時(shí)失去對(duì)交流漏電的保護(hù)功能,成為特高壓站站用電系統(tǒng)的重大隱患。

交直流混合漏保也稱(chēng)B型漏電保護(hù),國(guó)外對(duì)其研究起步較早,且制定了許多標(biāo)準(zhǔn)性的文件,目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善中。但由于該技術(shù)難度較高以及國(guó)外的壟斷,為了打破現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電網(wǎng)所必需的核心技術(shù)和核心基礎(chǔ)裝置的把控,亟需研究和開(kāi)發(fā)可靠性高、成本低的交直流漏電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及核心部件。

本研究以B型剩余電流檢測(cè)保護(hù)為突破口,開(kāi)發(fā)智能開(kāi)關(guān)與檢測(cè)保護(hù)裝置,同時(shí)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),開(kāi)發(fā)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能的在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng),推進(jìn)電網(wǎng)安全升級(jí)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

1基于磁通門(mén)電流傳感器的漏電保護(hù)技術(shù)

1.1磁通門(mén)電流傳感器的工作原理

磁通門(mén)傳感器主要應(yīng)用磁通門(mén)理論,具體來(lái)說(shuō)是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下,其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線(xiàn)性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)。相較于其他類(lèi)型磁傳感器,磁通門(mén)傳感器具有分辨率高、穩(wěn)定性良好、弱磁場(chǎng)測(cè)量范圍較寬、能夠直接測(cè)量磁場(chǎng)分量等優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí),不同于某些電流傳感器只對(duì)交流有效的情況,磁通門(mén)電流傳感器對(duì)交直流均起作用。

圖1展示了磁通門(mén)電流傳感器的工作原理:激勵(lì)繞組與檢測(cè)繞組同時(shí)纏繞在磁芯上,在與磁芯相垂直的方向上有一個(gè)電流1,它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng)Ho,進(jìn)而影響磁芯內(nèi)的磁場(chǎng)B,磁芯內(nèi)磁場(chǎng)的改變會(huì)通過(guò)檢測(cè)線(xiàn)圈的電壓信號(hào)表現(xiàn)出來(lái),信號(hào)所含各諧波中對(duì)磁芯內(nèi)磁場(chǎng)影響最大的是二次諧波,利用這一點(diǎn)可以濾除檢測(cè)線(xiàn)圈上除二次諧波以外的電壓信號(hào)。濾波后所得到的二次諧波電壓,不僅其正負(fù)可以作為要檢測(cè)的電流方向的參考,而且其幅值與要檢測(cè)的電流也是近似成正比的。

1.2漏電保護(hù)技術(shù)

直流漏電磁通門(mén)傳感器系統(tǒng)以高磁導(dǎo)率磁芯為基礎(chǔ),磁通門(mén)技術(shù)的芯片開(kāi)發(fā)為核心,進(jìn)行高度集成的磁通門(mén)原理SoC傳感芯片開(kāi)發(fā),并涉及數(shù)?；旌闲盘?hào)技術(shù)研發(fā)、單芯片SoC研發(fā)、可編程技術(shù)研發(fā),融各類(lèi)技術(shù)于一體,組成超小型模組,實(shí)現(xiàn)直流漏電磁通門(mén)傳感器模塊的自動(dòng)化、低成本和大批量生產(chǎn)。

直流漏電磁通門(mén)傳感器檢測(cè)原理如圖2所示。

漏電保護(hù)器是由電流互感器作為其檢測(cè)元件,這種互感器一般由環(huán)形鐵芯和繞組構(gòu)成:其中激勵(lì)源能夠周期性翻轉(zhuǎn)接收信號(hào),輸出絕對(duì)值相等、極性相反的方波電壓:由檢測(cè)控制模塊判斷激磁電流是否達(dá)到閾值,并分析激磁電壓或激磁電流波形。

圖3(a）為無(wú)漏電流時(shí)的波形示意圖。在正半周期中,方波激勵(lì)源發(fā)出的正電壓使得磁芯被正向磁化。磁芯正向飽和時(shí),其發(fā)出正向激磁電流的強(qiáng)度達(dá)到閾值,觸發(fā)檢測(cè)控制模塊發(fā)出翻轉(zhuǎn)信號(hào),方波信號(hào)進(jìn)入負(fù)半周期。此時(shí)磁芯被反向磁化,達(dá)到飽和時(shí),反向激磁電流再次觸發(fā)翻轉(zhuǎn)信號(hào),周期結(jié)束。由于此時(shí)輸入、輸出電流對(duì)稱(chēng),磁芯完全由方波信號(hào)磁化,故激磁電流的波形對(duì)稱(chēng)。

當(dāng)電流中存在正向漏電流時(shí),漏電流額外的磁化作用會(huì)導(dǎo)致磁芯提前達(dá)到飽和,激磁電流波形下移,如圖3(b）所示。故只要檢測(cè)激磁電流的對(duì)稱(chēng)性,就可以對(duì)各種類(lèi)型的漏電流進(jìn)行檢測(cè)。

2絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1整體功能框架設(shè)計(jì)

本研究的對(duì)象為B型剩余電流動(dòng)作斷路器,主要包括兩大部分:斷路器部分和對(duì)B型剩余電流進(jìn)行檢測(cè)以及控制斷路器執(zhí)行跳閘的電子部分(漏電檢測(cè)及執(zhí)行模塊）,兩部分的組合及接線(xiàn)方式如圖4所示。漏電檢測(cè)及執(zhí)行單元內(nèi)部含有較多的功能單元,2.2中會(huì)有單獨(dú)的介紹。斷路器部分接線(xiàn)分為進(jìn)線(xiàn)端和出線(xiàn)端,分別實(shí)現(xiàn)斷路器的進(jìn)線(xiàn)與出線(xiàn)的通斷功能,傳統(tǒng)的漏電保護(hù)斷路器電子部分采用后端取電,即從斷路器的出線(xiàn)端取電。當(dāng)斷路器跳閘后,電子部分也掉電失效,重新合閘才能恢復(fù)工作。而本研究的B型漏保(圖4）采用前端/后端雙取電,前端取電對(duì)核心處理單元等功能單元供電,保證跳閘后不斷電,實(shí)現(xiàn)智能化實(shí)時(shí)在線(xiàn)的功能:后端取電對(duì)脫扣控制單元等供電,跳閘后切斷電源,保護(hù)電子器件不受損壞。

2.2漏電檢測(cè)及執(zhí)行模塊功能設(shè)計(jì)

本研究的漏電檢測(cè)及執(zhí)行模塊,其內(nèi)部功能組成如圖5所示,包括電源單元、核心處理單元、LoRa無(wú)線(xiàn)單元、脫扣控制單元和漏電檢測(cè)單元。電源單元從進(jìn)線(xiàn)端取電,將交流電整流濾波后再進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換,變成穩(wěn)定的低壓直流電供給核心處理單元、漏電檢測(cè)單元及LoRa無(wú)線(xiàn)單元。漏電檢測(cè)單元將檢測(cè)到的漏電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換,變成核心處理單元可識(shí)別的信號(hào)后進(jìn)行采集,計(jì)算出當(dāng)前的漏電流值,核心處理單元再把漏電流值實(shí)時(shí)傳遞給LoRa無(wú)線(xiàn)單元,讓其上傳到主站。核心處理單元同時(shí)根據(jù)當(dāng)前的漏電流值與門(mén)限值進(jìn)行比較,達(dá)到跳閘門(mén)限時(shí),對(duì)脫扣控制單元進(jìn)行控制,脫扣控制單元?jiǎng)幼鲙?dòng)斷路器進(jìn)行跳閘。

2.3脫扣控制單元設(shè)計(jì)

上文提及的扣控制單元如圖6所示,在傳統(tǒng)漏保開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),增加了斷路器分合閘狀態(tài)檢測(cè)的功能,可以判斷其處于合閘狀態(tài)還是斷開(kāi)狀態(tài),再將斷路器的狀態(tài)信息傳遞給核心處理單元,最后由LoRa無(wú)線(xiàn)單元發(fā)出,目的是讓主站知道此斷路器現(xiàn)在處于何種狀態(tài)。

脫扣控制單元從出線(xiàn)端取電,進(jìn)行整流后再經(jīng)過(guò)一個(gè)反饋光耦,最終到穩(wěn)壓電路中形成狀態(tài)回路。光耦內(nèi)部由發(fā)光二極管與受光器組成,利用發(fā)光二極管狀態(tài)對(duì)受端進(jìn)行作用:當(dāng)出線(xiàn)端有電時(shí)為合閘狀態(tài),此時(shí)光耦輸出一種狀態(tài):跳閘之后,出線(xiàn)端斷電,此時(shí)光耦輸出另一種狀態(tài)。狀態(tài)信息傳輸?shù)胶诵奶幚韱卧?就可以利用光耦狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器分合閘狀態(tài)的長(zhǎng)期在線(xiàn)監(jiān)控。

2.4LoRa組網(wǎng)設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)、低功耗的遠(yuǎn)距離通信,每一個(gè)漏保開(kāi)關(guān)都組成一個(gè)節(jié)點(diǎn),內(nèi)部采用433MHzLoRa無(wú)線(xiàn)模塊,采用定制協(xié)議將漏電數(shù)據(jù)、斷路器分合閘狀態(tài)等信息傳遞給一定范圍的一個(gè)基站,再由基站通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器,云端服務(wù)器開(kāi)通接口,可以通過(guò)手機(jī)App及PC進(jìn)行訪問(wèn),查看每一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)及狀態(tài),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。圖7為L(zhǎng)oRa組網(wǎng)設(shè)計(jì)邏輯。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文首先對(duì)高靈敏自適應(yīng)磁通門(mén)傳感技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高靈敏漏電流檢測(cè),檢測(cè)靈敏度達(dá)到60μA。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了新型B型直流漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)裝置,對(duì)相關(guān)1kHz高頻剩余電流、平滑直流剩余電流、兩相整流剩余電流以及復(fù)合波進(jìn)行了檢測(cè)并執(zhí)行動(dòng)作,各類(lèi)電流波形如圖8所示,波形具體參數(shù)信息如表1所示。

然后使用B型剩余電流測(cè)試臺(tái)對(duì)研發(fā)的高可靠性B型RCD性能進(jìn)行測(cè)試,如圖9所示,測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)文件的動(dòng)作測(cè)試要求。

基于已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的B型漏電保護(hù)開(kāi)關(guān),本研究開(kāi)發(fā)了一套站用電系統(tǒng)的在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng),引入LoRa無(wú)線(xiàn)通信、邊緣計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),形成完備的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng),漏電流信息經(jīng)邊緣計(jì)算后,通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)經(jīng)外置基站由4G公網(wǎng)上傳至電力智能控制平臺(tái),具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程應(yīng)急處理等功能。圖10為本研究搭建的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖10監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)搭建

圖10僅展示了平臺(tái)一個(gè)節(jié)點(diǎn),實(shí)際運(yùn)用中每個(gè)漏保開(kāi)關(guān)都將成為一個(gè)節(jié)點(diǎn),內(nèi)部均采用433MHzLoRa無(wú)線(xiàn)模塊,并采用定制協(xié)議將漏電數(shù)據(jù)、斷路器分合閘狀態(tài)等信息傳遞給一定范圍的一個(gè)基站,再由基站通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳到云端服務(wù)器,云端服務(wù)器開(kāi)通接口,可通過(guò)手機(jī)App及Pp進(jìn)行訪問(wèn),查看每一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)及狀態(tài),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。圖11為本研究搭建平臺(tái)的上位機(jī)報(bào)警記錄展示。

圖11漏電保護(hù)動(dòng)作記錄

4結(jié)語(yǔ)

本研究開(kāi)發(fā)了B型智能漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、監(jiān)控盒等硬件裝置,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了用于特高壓站站用電系統(tǒng)的在線(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為當(dāng)前站用電系統(tǒng)的直流漏電問(wèn)題提供了低成本的完整解決方案。本研究成果可直接應(yīng)用于全國(guó)各種場(chǎng)合的站用電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè),具有廣闊的應(yīng)用前景。