400 V交流智能剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

變電站交流系統(tǒng)用于為變電站一次在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、二次保護(hù)設(shè)備供電,是保證變電站可靠供電不可或缺的環(huán)節(jié)。交流系統(tǒng)如若發(fā)生異常情況,將會(huì)直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。剩余電流是變電站交流系統(tǒng)常見(jiàn)的安全隱患,會(huì)給變電站交流系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成重大風(fēng)險(xiǎn)。目前,預(yù)防剩余電流過(guò)大主要使用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器,當(dāng)剩余電流增大到某個(gè)閾

值時(shí),會(huì)啟動(dòng)跳閘保護(hù)來(lái)保護(hù)電力系統(tǒng)的安全。然而,剩余電流動(dòng)作保護(hù)器經(jīng)常會(huì)因?yàn)槎喾N原因發(fā)生誤操作而跳閘,影響供電服務(wù)的可靠性。此外,在剩余電流動(dòng)作保護(hù)器跳閘后,故障排查主要由技術(shù)人員人工手持鉗形電能表進(jìn)行分段排查[2]。這種測(cè)量方法不僅耗時(shí)耗力,且會(huì)因技術(shù)人員的主觀偏差而造成疏漏[3]。

因此,對(duì)變電站交流系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)剩余電流大小,對(duì)保障變電站的安全穩(wěn)定工作有著非常重要的價(jià)值[4]。為保障變電站低壓交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,以變電站400 V交流系統(tǒng)為例,國(guó)網(wǎng)浙江建德市供電公司設(shè)計(jì)了智能化的剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)剩余電流變化,并將剩余電流信息傳送至監(jiān)控主機(jī),當(dāng)用戶端存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)予以保護(hù)和報(bào)警,能有效縮小斷電范圍,提高變電站供電服務(wù)的可靠性。

1低壓電網(wǎng)剩余電流產(chǎn)生的原因分析

剩余電流又名漏電流,是指低壓交流系統(tǒng)中各相電流的矢量和[5]。在正常供電條件下,以單相電為例,相線流入電流和中性線流出電流應(yīng)大小相等、矢量和為0。然而,當(dāng)導(dǎo)電體通過(guò)用電設(shè)備接觸到相線時(shí),會(huì)導(dǎo)出部分電流經(jīng)用電設(shè)備而進(jìn)入大地,導(dǎo)致相線電流和中性線電流不相等,并形成剩余電流。剩余電流形成的原因主要如下。

1.1輸電線路老化

輸電線路老化后會(huì)導(dǎo)致絕緣層損壞,致使相線接觸到導(dǎo)體、潮濕空氣或大地等產(chǎn)生剩余電流[6]。

1.2輸電線路安裝不規(guī)范

輸電線路安裝不規(guī)范會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線與其他金屬導(dǎo)體、潮濕空氣或與大地短接而產(chǎn)生剩余電流。

1.3用電設(shè)備內(nèi)部存在質(zhì)量隱患

當(dāng)用電設(shè)備內(nèi)部的元件質(zhì)量不合格或長(zhǎng)期使用老化,用電設(shè)備內(nèi)部絕緣性降低時(shí),會(huì)通過(guò)外殼或水等導(dǎo)電體與大地短接而產(chǎn)生剩余電流。

1.4操作人員無(wú)意識(shí)形成產(chǎn)生剩余電流

操作人員無(wú)意識(shí)地接觸用電設(shè)備的金屬外殼,或電氣維修時(shí)維修工具因擺放不當(dāng)而接觸到相線,產(chǎn)生剩余電流。

2、400 V交流智能剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所述400 V交流智能剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,在線監(jiān)測(cè)IED子系統(tǒng)通過(guò)RS485串口連接上CT傳感器和采集終端,對(duì)不同位置的交流電流進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量完成后傳輸至站端監(jiān)控系統(tǒng),并發(fā)送至主站系統(tǒng),由主站系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)和決策。

2.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所述400 V交流智能剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于分布式設(shè)計(jì),其工作原理如圖2所示。分布式采集終端安裝在400 V母線段與負(fù)載端之間,通過(guò)CT傳感器采集400 V系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的剩余電流信號(hào),數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后傳輸?shù)浇涣鹘^緣監(jiān)測(cè)裝置,通過(guò)交流絕緣監(jiān)測(cè)裝置把每路剩余電流信號(hào)傳輸給智能微機(jī)監(jiān)控模塊,智能微機(jī)監(jiān)控模塊可以設(shè)置每個(gè)用戶端的保護(hù)閾值,如果剩余電流值超出閾值則發(fā)出聲光報(bào)警,提醒技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查處理。

剩余電流有效值采集電路如圖3所示,主要由運(yùn)放DPA604、運(yùn)放OP27、芯片AD637JRZ和芯片ADS1286組成。芯片AD637能根據(jù)波峰因數(shù)補(bǔ)償方案,實(shí)現(xiàn)誤差小于1%的任意波形均方值的計(jì)算功能。芯片ADS1286是一款12位20 KHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,僅消耗250μA的電源電流就能實(shí)現(xiàn)差分輸入和采樣保持的放大功能。在圖3中,輸入信號(hào)經(jīng)運(yùn)放DPA604放大后,由AD637芯片測(cè)量剩余電流的均方值,再經(jīng)運(yùn)放OP27進(jìn)行放大,隨后經(jīng)ADS1286芯片采樣、保持后得到剩余電流值。ADS1286不僅具有良好的精度,還具有低功耗特點(diǎn),使本設(shè)計(jì)克服了頻繁更換電池的不足。

2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)采用Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā),并使用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。軟件系統(tǒng)的功能模塊組成如表1所示,主要分為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行管理和控制面板四個(gè)模塊。

2.3.1數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)每間隔5 min對(duì)變電站400 V交流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),主要包括系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電壓/電流值、剩余電流、實(shí)時(shí)漏電壓和漏電流,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊主要承擔(dān)著系統(tǒng)的遠(yuǎn)程試跳、遠(yuǎn)程分合閘、線路異常警報(bào)和總保復(fù)位等功能。

遠(yuǎn)程試跳既可以通過(guò)人工進(jìn)行試跳,也可以通過(guò)定時(shí)來(lái)完成試跳。

遠(yuǎn)程分合閘具備對(duì)總保進(jìn)行遠(yuǎn)程分合閘的功能。若保護(hù)器突發(fā)分閘停電,將對(duì)供電連續(xù)性產(chǎn)生負(fù)面影響,通過(guò)遠(yuǎn)程分合閘可以解決這一難題。遠(yuǎn)程分合閘既可以在剩余電流過(guò)大時(shí)立即分合閘,也可以在情況不嚴(yán)重時(shí)通過(guò)預(yù)約實(shí)施分合閘,方便同一線路上的電力用戶做好停電準(zhǔn)備。

線路異常警報(bào)是指當(dāng)保護(hù)器監(jiān)測(cè)到線路發(fā)生異常時(shí),能夠?qū)崟r(shí)向主站發(fā)送警報(bào)信息,告知主站異常線路的位置,方便運(yùn)維人員立即處理。

總保復(fù)位是指當(dāng)保護(hù)器發(fā)生故障時(shí),能夠?qū)ΡＷo(hù)器實(shí)施復(fù)位操作,保障保護(hù)器的正常運(yùn)行。

2.3.3運(yùn)行管理

運(yùn)行管理模塊承擔(dān)著本系統(tǒng)的設(shè)備校對(duì)、短信通知、試跳定時(shí)設(shè)定和剩余電流警報(bào)等運(yùn)行管理功能。

設(shè)備校對(duì)是指對(duì)保護(hù)器等電力設(shè)備制定恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間校準(zhǔn)方案,以確保保護(hù)器等電力設(shè)備的定時(shí)校準(zhǔn),保障相關(guān)電力設(shè)備的可靠運(yùn)行。

短信通知是指主站系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)將線路異常警報(bào)、剩余電流警報(bào)等信息傳送至運(yùn)維人員手機(jī)上,以提醒運(yùn)維人員立即響應(yīng)處理相關(guān)警報(bào)。

試跳定時(shí)設(shè)定是指根據(jù)剩余電流保護(hù)器的運(yùn)行管理要求,每間隔30天進(jìn)行一次試跳,以確保保護(hù)器能有效實(shí)現(xiàn)線路剩余電流保護(hù)的功能。運(yùn)維人員也可以根據(jù)需要自行設(shè)置定時(shí)試跳的時(shí)間。

2.3.4控制面板

控制面板承擔(dān)著本系統(tǒng)信息查詢、記錄檢索的功能。

跳閘記錄查詢是指當(dāng)保護(hù)器成功跳閘后,系統(tǒng)會(huì)記錄保護(hù)器成功跳閘時(shí)的運(yùn)行參數(shù),如跳閘時(shí)間、三相電壓值、三相電流值和剩余電流值等,供運(yùn)維人員分析跳閘的原因。

漏電記錄查詢是指系統(tǒng)會(huì)記錄剩余電流超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限值的情況,并向運(yùn)維人員提供查詢權(quán)限。

剩余電流查詢是指系統(tǒng)會(huì)記錄剩余電流取值并繪制曲線,供運(yùn)維人員分析使用。

設(shè)備運(yùn)行記錄查詢是指系統(tǒng)會(huì)記錄變電站交流系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),供運(yùn)維人員查詢分析使用。

3、400 V交流智能剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

本文所述400 V交流智能剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)網(wǎng)浙江建德市供電公司數(shù)個(gè)變電站進(jìn)行了測(cè)試使用。

3.1故障定位測(cè)試

經(jīng)測(cè)試,在新安江變電站、更樓變電站和下涯變電站發(fā)生剩余電流故障時(shí),系統(tǒng)均能精確定位,方便技術(shù)人員及時(shí)定位和維修,有效縮短了跳閘時(shí)間。

3.2剩余電流采集誤差測(cè)試

在新安江變電站、更樓變電站和下涯變電站發(fā)生剩余電流故障時(shí),對(duì)一次側(cè)加載剩余電流值和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示值記錄如表2所示。

測(cè)試結(jié)果表明,與一次側(cè)加載剩余電流值相比,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示值具有較高的精度,測(cè)試誤差均小于1.5%,能夠滿足剩余電流保護(hù)的要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文所述400 V交流智能剩余電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)剩余電流變化,并將剩余電流信息傳送至監(jiān)控主機(jī),當(dāng)用戶端存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)予以保護(hù)和報(bào)警,能有效縮小斷電范圍,不僅提高了變電站供電服務(wù)的可靠性,還能在剩余電流超限時(shí)減少人力、物力投入,降低電力公司的運(yùn)營(yíng)成本。