國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司西氣東輸分公司南昌輸氣分公司 胡天明 謝聚鋒 劉 琨 周仁沖 秦 濤

1 引言

作為易燃、易爆危險(xiǎn)場(chǎng)所的天然氣管道壓氣站，一般都建于距離較遠(yuǎn)、交通不便的地區(qū)，對(duì)供電安全性要求非常高。同時(shí)各地天然氣企業(yè)大力推行無(wú)人值守等管理方式，減少了站場(chǎng)長(zhǎng)期駐留的人數(shù)，變電站智能化提升很有必要。目前大部分站場(chǎng)電力設(shè)備均采用人工巡檢，隨著運(yùn)行時(shí)間累加，電力設(shè)備的壽命也在減少，失效的危險(xiǎn)性也逐年遞增，運(yùn)營(yíng)單位的安全生產(chǎn)壓力在遞增，所以迫切需要找出一個(gè)切實(shí)可行的監(jiān)控手段，提前發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備隱患。同時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)對(duì)老舊變電站進(jìn)行智能化改造的經(jīng)驗(yàn)豐富，并發(fā)布了大量的技術(shù)要求和設(shè)計(jì)規(guī)定，技術(shù)上可以借鑒。結(jié)合天然氣管道站場(chǎng)變電站的實(shí)際情況，目前智能化變電站的發(fā)展趨勢(shì)以及電氣設(shè)備的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，西氣東輸二線(xiàn)撫州壓氣站進(jìn)行了相關(guān)的智能化改造。

2 智能變電站改造簡(jiǎn)介

智能化改造對(duì)推進(jìn)變電站高壓設(shè)備管理智能化、數(shù)字化有著重大意義，能有效彌補(bǔ)單一停電檢修的不足，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映高壓電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)的絕緣性能和健康水平。同時(shí)智能變電站具有自我診斷和報(bào)警，通過(guò)設(shè)置報(bào)警值，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的發(fā)展性絕緣缺陷，防止突發(fā)性絕緣事故發(fā)生，有效提高設(shè)備運(yùn)行水平和可靠性，降低設(shè)備事故率，顯著減少突發(fā)性事故。

本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)通信的智能化變電所自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造方法。除可以完成各自獨(dú)立的功能之外，還可以接入綜保系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)綜保功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而有效地降低安全隱患，保證智能化變電所的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

以西二線(xiàn)撫州站為例，在原有變電所變配電的設(shè)備保護(hù)、測(cè)量、遙控、遙信功能上，新增GIS 局部放電在線(xiàn)檢測(cè)裝置、SF6微水密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置、變壓器局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置、變壓器油色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置、10kV 母線(xiàn)絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置等。通過(guò)硬件連接的方法，將設(shè)備的報(bào)警等重要信息輸入到保護(hù)動(dòng)作的測(cè)量控制單元中[1]。

3 改造方案

智能化改造主要是進(jìn)行變壓器油色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，變壓器局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)， GIS 局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，SF6氣體微水密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，開(kāi)關(guān)柜絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，線(xiàn)纜的絕緣及溫度監(jiān)測(cè)等，這些在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳回，并通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分析，從而為電氣設(shè)備的檢修和維護(hù)提供便利，并對(duì)電氣設(shè)備的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先的預(yù)判和報(bào)警，防止設(shè)備和人員的安全事故的發(fā)生。

在智能變電站中，同時(shí)將視頻監(jiān)視系統(tǒng)與智能巡檢機(jī)器人相結(jié)合，并在其上安裝有紅外熱成像儀、高清攝像頭、交互式對(duì)講平臺(tái)等，視頻監(jiān)視后臺(tái)與自動(dòng)化系統(tǒng)后臺(tái)展開(kāi)實(shí)時(shí)通信，從而可以進(jìn)行圖像識(shí)別、智能巡檢、故障監(jiān)視等。

3.1 110kV GIS 局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)

110kV GIS 是變電所中的一個(gè)重要電氣設(shè)備，是由110kV 母線(xiàn)、斷路器、隔離-接地開(kāi)關(guān)、避雷器、互感器等組成，這些設(shè)備均封閉在充有SF6氣體的氣室中。由于GIS 是封閉式的，從外觀(guān)不易發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障，通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置能清楚掌握運(yùn)行情況，對(duì)GIS 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。

GIS 內(nèi)的局部放電能激發(fā)超高頻（UHF）電磁波信號(hào)，UHF 電磁波信號(hào)穿透性強(qiáng)，能夠從盆式絕緣子和GIS 外殼接縫處泄漏到外部。使用超高頻檢測(cè)傳感器放置在氣室間法蘭盤(pán)上，在UHF 頻段（300MHz 以上）接收和耦合GIS 內(nèi)部信號(hào)，準(zhǔn)確測(cè)量GIS 內(nèi)部放電信號(hào)。超高頻率的傳感器具有靈敏度高，應(yīng)用范圍廣，精度高等特點(diǎn)，能精確的定位故障位置（見(jiàn)表1）。

表1 撫州站110kV 變電所27個(gè)GIS 氣室局放檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 SF6微水密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著GIS 設(shè)備運(yùn)行時(shí)間變長(zhǎng)，當(dāng)SF6氣體中的水分含量增大或由于氣體泄漏，會(huì)造成絕緣性能下降，影響GIS 的安全運(yùn)行。由于絕緣性能下降而引起的GIS 故障時(shí)有發(fā)生，因而如果能夠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)GIS 中SF6氣體中的微水含量和密度就可以防患于未然。

SF6氣體微水密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于110～750kV 電壓等級(jí)的斷路器或GIS 中SF6氣體狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在不排放SF6氣體的前提下，對(duì)GIS 各氣室 SF6氣體的微水、密度、溫度及其變化趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并且將溫度、壓力、密度、微水、露點(diǎn)通過(guò)通信遠(yuǎn)傳至綜合監(jiān)測(cè)單元。

當(dāng)高壓設(shè)備的氣室充有SF6氣體后，判定其是否已滿(mǎn)足絕緣或滅弧的要求時(shí)，常常用SF6氣體密度這個(gè)概念來(lái)衡量，一般以20℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力值這個(gè)值等效為氣室內(nèi)SF6氣體密度值；SF6氣體中微水含量的濃度以SF6中所含水汽的體積與SF6氣體的體積之比來(lái)表示，即用（μL/L）表示。

3.3 變壓器局放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)

當(dāng)變壓器內(nèi)部有放電發(fā)生時(shí)，內(nèi)部放電信號(hào)會(huì)通過(guò)電容效應(yīng)耦合到變壓器鐵芯、夾件上，進(jìn)而通過(guò)鐵芯接地線(xiàn)、夾件接地線(xiàn)傳導(dǎo)到變壓器外殼;而當(dāng)外界電暈等干擾信號(hào)發(fā)生時(shí)，外界信號(hào)會(huì)經(jīng)套管電容或繞組電容傳導(dǎo)到變壓器外殼通過(guò)外殼接地線(xiàn)流入大地；因此通過(guò)對(duì)比鐵芯接地線(xiàn)、夾件接地線(xiàn)和與箱體接地線(xiàn)上的信號(hào)大小，即可判斷出哪些信號(hào)是變壓器內(nèi)部放電，哪些是外界干擾信號(hào)[3]。

3.4 變壓器油色譜監(jiān)測(cè)技術(shù)

油色譜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)氣相色譜原理，通過(guò)微處理器的控制，自動(dòng)進(jìn)行油路清洗、油氣分離、氣體采集、恒溫控制、樣氣的定量與進(jìn)樣、基線(xiàn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集與處理、定量分析與故障診斷，并定期自動(dòng)校準(zhǔn)。

變壓器油中的相關(guān)氣體經(jīng)過(guò)濾裝置脫氣后進(jìn)入進(jìn)樣裝置自動(dòng)進(jìn)樣，在標(biāo)準(zhǔn)載氣的作用下通過(guò)色譜柱，色譜柱對(duì)不同的氣體具有不同的親和作用，導(dǎo)致采集的氣體依次分離出來(lái)，氣體檢測(cè)器對(duì)采集氣體（CO、CO2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等）按分離順序分別進(jìn)行檢測(cè)，并將氣體的濃度特性轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控主機(jī)并存儲(chǔ)。監(jiān)控主機(jī)根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，分別計(jì)算出采集氣體各組分含量及各自的增長(zhǎng)率，再由故障診斷系統(tǒng)對(duì)變壓器故障進(jìn)行綜合分析診斷，實(shí)現(xiàn)變壓器故障的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

3.5 10kV 母線(xiàn)絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置

為在線(xiàn)測(cè)量電力系統(tǒng)母線(xiàn)上電氣設(shè)備純阻性的絕緣，采用“直流疊加法”，每段10kV 母線(xiàn)PT 柜內(nèi)配置三只高壓隔離電阻，將高壓直流（DC1500V 2500V）疊加在帶電的交流高電壓上，從而測(cè)量母線(xiàn)絕緣層微弱的直流電流，進(jìn)而換算成絕緣電阻。絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)母線(xiàn)絕緣隱患，發(fā)出報(bào)警，減少故障處理范圍和時(shí)間，避免故障擴(kuò)大化，提高運(yùn)維人員的工作效率，減少資源投入，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3.6 自動(dòng)化系統(tǒng)“一鍵順控”功能

智能化變電所的“一鍵順控”功能與變電所的自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，包括操作票庫(kù)，任務(wù)生成，模擬演練；指令執(zhí)行，權(quán)限管理，防止錯(cuò)誤鎖定；具有操作日志，人機(jī)界面，與智能化的防錯(cuò)臺(tái)，輔助設(shè)備監(jiān)控等多種功能。

在已建成的110kV 輸氣場(chǎng)站變電所裝置中，斷路器和隔離開(kāi)關(guān)都是具有遠(yuǎn)程控制功能的電氣操縱裝置，符合“一鍵順控”規(guī)程中對(duì)斷路器和隔離開(kāi)關(guān)應(yīng)具有遠(yuǎn)程控制功能的規(guī)定。

3.7 變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)

變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控主機(jī)、硬盤(pán)及各類(lèi)攝像頭等。所述的硬盤(pán)記錄裝置，用于訪(fǎng)問(wèn)和存儲(chǔ)各種類(lèi)型的照相機(jī)的影像信息，并向影像監(jiān)視主機(jī)上傳影像數(shù)據(jù)；監(jiān)控主機(jī)通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部智能處理，并將其輸出，從而達(dá)到預(yù)覽、監(jiān)控和管理的目的，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上載，如聯(lián)動(dòng)，智能分析等。對(duì)變電所視頻監(jiān)控子系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行配置，在機(jī)柜間配置一面視頻系統(tǒng)通信屏，在各高壓設(shè)備室安裝攝像頭及軌道攝像頭等。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著天然氣站場(chǎng)安全要求越來(lái)越高，天然氣管道站場(chǎng)的智能化建設(shè)已經(jīng)成為必然。變電站智能化改造正是契合管道行業(yè)發(fā)展，在110kV GIS 中，進(jìn)行110kV GIS 局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、SF6微水密度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)改造；在變壓器上，變壓器局放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、變壓器油色譜監(jiān)測(cè)改造；在110kV 主干線(xiàn)路上，利用“一鍵順控”技術(shù)來(lái)進(jìn)行變電站的綜合控制；在10kV 開(kāi)關(guān)柜上，進(jìn)行10kV 母線(xiàn)絕緣在線(xiàn)監(jiān)測(cè)改造等；在變電所中，增加一套視頻監(jiān)視系統(tǒng)。本文所述的改造技術(shù)具有較高的可行性，并且改造的困難并不很大，改造完后，能實(shí)時(shí)、在線(xiàn)地對(duì)變電所各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)高壓設(shè)備的潛在隱患，并減輕操作人員的工作量。