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新型高压开关插接式开关系统应用

发布时间:2018-08-13 14:20编辑:采集侠浏览(57)

    在最近几十年中,许多高压电器产品都进行了技术改进,如断路器从空气式、少油到SF6 ,避雷器从碳化硅到氧化锌,TA和TV从油浸式到SF6,相对而言,外观却没有大的变革(GIS除外),因此,变电站的总体面貌变化不大。

    随着现代电力电子技术的发展,使许多产品的外形改变、质量减少很多,为将变电站的大部分设备组合在一起创造了条件。近年来许多公司都进行了高压开关组合电器的开发研制工作。ABB公司生产出一种新型产品——插接式开关系统(Plug And Switch System,PASS)。这种产品的特点是:将断路器、隔离开关、接地开关及电流/电压传感器等组合为一套产品,显著减少变电站的用地面积,可以进行快速安装,免于维修;同时利用现代成熟的GIS技术和先进的电力电子技术,使得系统的稳定性和可靠性得到增强。以下就ABB公司的插接式开关系统作简要介绍。

    1、插接式开关系统的基本概念

    插接式开关系统一次设备是一种不包括母线的预装SF6金属封闭高压开关设备。它将断路器、隔离开关、接地开关及电流/电压传感器装设在一个金属封闭的气室内;主要部件中,断路器部分是在GIS的基础上开发研制的(灭弧室部分完全相同),取消线路侧的隔离/接地开关;使用电流/电压传感器代替电流/电压互感器;二次设备就地安装中,使用ABB公司最新研制开发的传感器信号处理接口(Process Interface for Sensors and Actuators,PISA)进行数据的采集、处理和数字化传输。根据用户的需要,它可以提供各种不同的主接线方式。PASS的所有部件均在工厂内进行安装和试验,到现场只需将光纤电缆插入就地控制柜和主设备即可投入运行。目前,ABB公司可提供3种类型的PASS产品,其基本结构如图1所示。断路器参数见表1。

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    图1 PASS的基本结构

    表1 PASS的断路器参数

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    2、PASS与其他组合电器产品的异同点

    2.1 PASS与传统开关间隔主接线的比较(见图2)

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    图2 PASS间隔与传统间隔的比较
    1—母线侧隔离开关;2—断路器;3—电流互感器;4—电压互感器;
    5—线路侧隔离开关;6—接地开关;7—电流/电压传感器

    2.2 PASS与GIS比较

    (1) 相同点主要有:

    1) 均将断路器、隔离开关和接地开关等安装在金属封闭气体绝缘的外壳中。
    2) 断路器及灭弧室相同。
    3) 断路器操动机构均采用液压(弹簧)机构。

    (2) 不同点主要有:

    1) PASS采用一体化设计,因而体积大大减少,节省占地面积。
    2) PASS简化了元件,将线路侧隔离开关和接地开关(主要供设备检修时用)省去。
    3) PASS中使用可控操作技术使断路器可以比较准确地按各种负载工况和故障工况下分相操作,降低了合闸过电压、冲击电流或截流,从而取消了断路器的合闸电阻。
    4) PASS具有在线监测、状态检修和可靠数据通信的功能。
    5) PASS以电流/电压传感器取代传统的电流/电压互感器。
    6) PASS采用隔离/接地开关三工位设计,共用一个操动机构操作2个隔离开关和一个接地开关,传感器可以准确告知开关的位置状态。
    7) PASS是一种将一、二次设备在工厂内进行安装、试验完毕后再运输至现场的设备,在现场只需要进行简单的电缆连接就可以运行。

    2.3 PASS与传统变电站的比较

    (1) 各设备间连接线距离明显缩短,因此纵向占地面积减少。
    (2) 变电站支架减少,使所需钢材减少。
    (3) 减少了外绝缘套管,可减少因其污染而造成的事故。
    (4) 基础更小,工程量减少,混凝土用量也随之减少。
    (5) 绝缘套管、二次连接线均为插接式设计,减少了现场安装。基本不需维修,万一有设备损坏,PASS整体更换工作量也很小。

    3、PASS的组成

    3.1 一次设备

    (1) 断路器及操动机构

    断路器采用原ABB公司GIS产品中的SP型断路器灭弧室。如采用CAT控制器,可取消断路器合闸电阻。采用HMB-4型或HMB-8型液压弹簧操动机构,其突出的优点是可靠性高,含油量少(<2L),无油压表和油管,压力靠弹簧压缩量来指示,噪声低,与传统的液压、气动、弹簧操动机构相比,体积大大减小。

    (2) 隔离/接地开关

    隔离开关和接地开关采用同一操动机构,三工位设计。因为是按免维护开关设计,在GIS的可靠性日益提高,维护量大大减少的基础上,PASS去掉了线路侧的隔离/接地开关。

    (3) 电流/电压传感器

    在PASS中使用SF6 绝缘的一体化电流/电压传感器取代传统的电流/电压互感器。它的2个重要功能—— 测量电流和电压通过以下原理实现:使用罗高夫斯基线圈、电容式分压器分别进行电流、电压测量。

    同传统的互感器相比,一体化电流/电压传感器具有很小的外形,同时绝缘性能和可靠性得到一定的提高。传感器传输数字化信号的能量相当小,因此可以通过传感器取得的信号数据量非常大,可以获得动态测量精度非常高的测量结果;如果用传统的互感器,得到相同的结果所需要的设备将是相当庞大的。另外,电流/电压传感器还具有对自身SF 6 密度进行监测的密度传感器和存储传感器参数的可读写存储器。

    (4) 绝缘套管

    基于以往的实践,PASS使用复合式绝缘套管。复合式绝缘套管具有优良的电气和机械性能:内层使用将环氧注入玻璃纤维制造的筒状支柱,保证了机械和绝缘强度;而外层包以硅橡胶,保证了如爬电距离等户外电器性能;表面憎水性,防止形成潮气膜和固体沉积,免除清洗工作;外部或内部闪络不会引起套管爆破,套管重量减轻约40%。

    3.2 二次设备

    (1)智能间隔

    智能间隔结构原理如图3所示。

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    图3 智能间隔的结构原理

    ① 传感器信号处理接口。PASS有3种分别用于断路器、电流/电压传感器、隔离/接地开关的PISA装置。如果需要,可以连接2台相同的PISA 以提供足够的冗余。

    在这3种PISA中,断路器和隔离开关的PISA主要用于测量和监控断路器和隔离/接地开关的操作特性、动作次数,气体密度等,为趋势预测提供数据;而电流/电压传感器的PISA主要用于测量和监测电流、电压和气体密度。同时,这3种PISA都具有可读写存储器,可以存储一定时间内的历史数据,可以产生告警信号,都具有自检功能。PISA的电源通过变电站的直流电源提供,功耗约为10W。

    ② 电流/电压传感器的PISA的测量功能。由于采用PISA这样的数字化采样测量装置,所以测量的准确度不再由二次侧的负荷决定。由于可以影响到测量结果的因素很多,比如铁心材料的线性度、温度、气体密度,等等,因此要取得稳定可靠的测量结果必须对测量结果进行补偿。而在PISA中,所有的测量结果都是可以计算的,因此在试验的基础上,可以取得一系列的修正因子,不间断地对测量结果根据修正因子进行补偿,以取得正确可靠的测量结果。测量结果的暂态过程与传统的互感器相比,改进了许多。这一方面是因为采用罗高夫斯基线圈后,测量结果是线性的,不存在饱和的问题;另一方面是用户可以根据自己的需要调节传感器传输的时间参数,以取得所需频段的测量结果。

    ③ 监控和分析系统。智能间隔的概念在于在建设时就已经将保护功能整合在整个变电站的自动化系统中,同时,这样的间隔也可以为整个变电站范围的监视和分析系统提供所需的数据。监控系统可以实现对重要的一次设备的连续检查来代替传统的轮询,从而加强了对重要组件和回路的监察。

    智能间隔的结构为:

    ① 传感器将设备的状态量转化为电信号。
    ② 通过PISA将传感器传递来的电信号进行A/D转换为数字量,并通过在出厂时预置的数据对测量结果进行误差校正。
    ③ 通过过程总线将每个设备的PISA连接起来,传递到就地控制箱中。
    ④ 在就地控制箱中实现间隔层的线路主保护、间隔控制、断路器失灵保护、母线保护、计量功能,并为第三方保护提供接口。
    ⑤ 通过间隔总线在相同的电压等级下将所有间隔的信号连接起来,传递到变电站层的控制装置中。
    ⑥ 通过软件(包含系统数据库、人机界面和其他应用模块)激活上述功能。

    在变电站中,电流/电压测量传感器、断路器状态传感器及气体密度传感器最为重要,他们必须能够进行持续不断地工作,因此对以上三类传感器提供了足够的冗余和持续不间断的监控。同时,智能化的监控系统还实现了大范围自检、气体密度测量及趋势预测(如断路器位置情况、触头行程和速度曲线测量、操作次数、跳闸线圈电流、操作功、触头损耗和剩余寿命时间等),并可以同变电站层进行通信。

    在PASS中,所有的二次设备都使用状态维护的方法,提高了工作效率。

    (2)就地控制单元(REC580)

    就地控制单元REC580是基于数字原理的间隔层控制和保护中心设备。在装有PASS的变电站中,REC580一方面通过过程总线同PISA相连接,取得主设备信息;另一方面,它是通过间隔总线同变电站层的控制保护装置相连接。REC580可以完成以下主要功能。

    ① 控制功能:对断路器、隔离开关、接地开关进行控制;自动进行接地电抗器和电容器组等的倒闸操作,以及自动进行母线切换;进行间隔间闭锁;进行三相或单相的自动重合闸;进行同步检查。
    ② 测量功能:可以测量以下参数:电流、电压的有效值,有功功率,无功功率,视在功率,效率,功率因数和频率。
    ③ 监测功能:断路器动作记数,报警和产生状态指示信号。
    ④ 自检功能;以及可以根据用户的需要进行功能扩展。

    (3)连接

    控制和保护系统同开关本体之间是通过几条可插接式线缆(包括几条传输模拟或数字信号的光纤)进行连接的,在传输信号的同时为驱动装置提供电源。同传统的开关装置相比,其传输过程和传输信号是在系统高度监控之下进行的。另外,插接式光纤可以允许主设备与控制/保护设备间发生短暂的尖波或短暂的空白时间。同时,同传统的变电站相比,连接线的数量减少约80%,一个间隔的连接线从200~500条减少至30~60条。

    (4)智能开关控制器(CAT控制器)

    在电力系统中,开关操作是造成操作过电压/过电流的一个重要原因。在现有的系统中,避雷器和合闸电阻是防止过电压/过电流的重要措施。在PASS中,采用了利用可控开关技术制造的智能开关控制器,取消了合闸电阻。在合闸时,要求断路器合闸速度很快,使其耐受电压变化率始终大于系统电压过零时的电压变化率,在检测一相断路器的电压、电流后,经过计算向操动机构发出合闸指令,就可以使断路器在电压过零时合闸;在分闸时,断路器的分闸速度也快,足以使灭弧后第一周期2.8倍恢复电压下不发生容性电流重击穿,可以有效地避免断路器的重燃。考虑到PASS的分合闸时间的分散性如能达到<0.35ms ,使用了CAT控制器后就可以在大多数情况下有效地缩短电力系统的暂态过程,降低系统过电压/过电流。

    在以下几种情况下,使用CAT控制器可以取得良好的效果:投切电容器组、投切空载线路、切并联电抗器、切变压器。在PASS中,断路器配置CAT控制器可以分相进行分合闸操作,提高电力系统的稳定性。

    4、PASS存在的几个问题

    (1) 取消了断路器线路侧的隔离开关和接地开关,使得对整个组合电器的可靠性的要求很高。一旦组合电器中的一次元件发生故障,可能导致需要上一级的断路器跳闸停电,退出检修。
    (2) 电流/电压传感器技术是否足以取代运行多年的电流/电压互感器,有待在运行中验证。

    5、结束语

    插接式开关系统是ABB公司综合其先进的GIS技术和电力电子技术的一种新型产品。它可以为变电站提供一整套简化的开关运行方式,不仅有较高的可靠性和免维护,而且可减少占地面积和投资,加快变电站的建设速度,尽管作为成套产品在我国缺乏运行经验,但仍不失为电力系统新建和改建变电站的一个好的选择。