400 V交流智能剩余电流监测系统设计与应用

引言

变电站交流系统用于为变电站一次在线监测设备、二次保护设备供电,是保证变电站可靠供电不可或缺的环节。交流系统如若发生异常情况,将会直接影响电力系统的安全运行[1]。剩余电流是变电站交流系统常见的安全隐患,会给变电站交流系统的正常运行造成重大风险。目前,预防剩余电流过大主要使用剩余电流动作保护器,当剩余电流增大到某个阈

值时,会启动跳闸保护来保护电力系统的安全。然而,剩余电流动作保护器经常会因为多种原因发生误操作而跳闸,影响供电服务的可靠性。此外,在剩余电流动作保护器跳闸后,故障排查主要由技术人员人工手持钳形电能表进行分段排查[2]。这种测量方法不仅耗时耗力,且会因技术人员的主观偏差而造成疏漏[3]。

因此,对变电站交流系统设计智能化监测系统,实时监测系统内剩余电流大小,对保障变电站的安全稳定工作有着非常重要的价值[4]。为保障变电站低压交流系统的安全稳定运行,以变电站400 V交流系统为例,国网浙江建德市供电公司设计了智能化的剩余电流监测系统来实时监测剩余电流变化,并将剩余电流信息传送至监控主机,当用户端存在风险时予以保护和报警,能有效缩小断电范围,提高变电站供电服务的可靠性。

1低压电网剩余电流产生的原因分析

剩余电流又名漏电流,是指低压交流系统中各相电流的矢量和[5]。在正常供电条件下,以单相电为例,相线流入电流和中性线流出电流应大小相等、矢量和为0。然而,当导电体通过用电设备接触到相线时,会导出部分电流经用电设备而进入大地,导致相线电流和中性线电流不相等,并形成剩余电流。剩余电流形成的原因主要如下。

1.1输电线路老化

输电线路老化后会导致绝缘层损坏,致使相线接触到导体、潮湿空气或大地等产生剩余电流[6]。

1.2输电线路安装不规范

输电线路安装不规范会导致导线与其他金属导体、潮湿空气或与大地短接而产生剩余电流。

1.3用电设备内部存在质量隐患

当用电设备内部的元件质量不合格或长期使用老化,用电设备内部绝缘性降低时,会通过外壳或水等导电体与大地短接而产生剩余电流。

1.4操作人员无意识形成产生剩余电流

操作人员无意识地接触用电设备的金属外壳,或电气维修时维修工具因摆放不当而接触到相线,产生剩余电流。

2、400 V交流智能剩余电流监测系统的设计

2.1系统结构

本文所述400 V交流智能剩余电流监测系统总体结构如图1所示。图中,在线监测IED子系统通过RS485串口连接上CT传感器和采集终端,对不同位置的交流电流进行测量。在测量完成后传输至站端监控系统,并发送至主站系统,由主站系统进行响应和决策。

2.2硬件系统设计

本文所述400 V交流智能剩余电流监测系统是基于分布式设计,其工作原理如图2所示。分布式采集终端安装在400 V母线段与负载端之间,通过CT传感器采集400 V系统各个节点上的剩余电流信号,数据运算处理后传输到交流绝缘监测装置,通过交流绝缘监测装置把每路剩余电流信号传输给智能微机监控模块,智能微机监控模块可以设置每个用户端的保护阈值,如果剩余电流值超出阈值则发出声光报警,提醒技术人员到现场检查处理。

剩余电流有效值采集电路如图3所示,主要由运放DPA604、运放OP27、芯片AD637JRZ和芯片ADS1286组成。芯片AD637能根据波峰因数补偿方案,实现误差小于1%的任意波形均方值的计算功能。芯片ADS1286是一款12位20 KHz的模数转换器,仅消耗250μA的电源电流就能实现差分输入和采样保持的放大功能。在图3中,输入信号经运放DPA604放大后,由AD637芯片测量剩余电流的均方值,再经运放OP27进行放大,随后经ADS1286芯片采样、保持后得到剩余电流值。ADS1286不仅具有良好的精度,还具有低功耗特点,使本设计克服了频繁更换电池的不足。

2.3软件系统设计

本设计的软件系统采用Java语言进行开发,并使用Oracle数据库对节点数据进行存储管理。软件系统的功能模块组成如表1所示,主要分为数据监测、实时监控、运行管理和控制面板四个模块。

2.3.1数据监测

数据监测模块主要负责每间隔5 min对变电站400 V交流系统的运行状态参数进行监测,主要包括系统的实时电压/电流值、剩余电流、实时漏电压和漏电流,并实时监测系统中设备的运行状态。

2.3.2实时监控

实时监控模块主要承担着系统的远程试跳、远程分合闸、线路异常警报和总保复位等功能。

远程试跳既可以通过人工进行试跳,也可以通过定时来完成试跳。

远程分合闸具备对总保进行远程分合闸的功能。若保护器突发分闸停电,将对供电连续性产生负面影响,通过远程分合闸可以解决这一难题。远程分合闸既可以在剩余电流过大时立即分合闸,也可以在情况不严重时通过预约实施分合闸,方便同一线路上的电力用户做好停电准备。

线路异常警报是指当保护器监测到线路发生异常时,能够实时向主站发送警报信息,告知主站异常线路的位置,方便运维人员立即处理。

总保复位是指当保护器发生故障时,能够对保护器实施复位操作,保障保护器的正常运行。

2.3.3运行管理

运行管理模块承担着本系统的设备校对、短信通知、试跳定时设定和剩余电流警报等运行管理功能。

设备校对是指对保护器等电力设备制定恰当的时间校准方案,以确保保护器等电力设备的定时校准,保障相关电力设备的可靠运行。

短信通知是指主站系统会实时将线路异常警报、剩余电流警报等信息传送至运维人员手机上,以提醒运维人员立即响应处理相关警报。

试跳定时设定是指根据剩余电流保护器的运行管理要求,每间隔30天进行一次试跳,以确保保护器能有效实现线路剩余电流保护的功能。运维人员也可以根据需要自行设置定时试跳的时间。

2.3.4控制面板

控制面板承担着本系统信息查询、记录检索的功能。

跳闸记录查询是指当保护器成功跳闸后,系统会记录保护器成功跳闸时的运行参数,如跳闸时间、三相电压值、三相电流值和剩余电流值等,供运维人员分析跳闸的原因。

漏电记录查询是指系统会记录剩余电流超过预设门限值的情况,并向运维人员提供查询权限。

剩余电流查询是指系统会记录剩余电流取值并绘制曲线,供运维人员分析使用。

设备运行记录查询是指系统会记录变电站交流系统关键设备的运行状态,供运维人员查询分析使用。

3、400 V交流智能剩余电流监测系统的应用效果

本文所述400 V交流智能剩余电流监测系统在国网浙江建德市供电公司数个变电站进行了测试使用。

3.1故障定位测试

经测试,在新安江变电站、更楼变电站和下涯变电站发生剩余电流故障时,系统均能精确定位,方便技术人员及时定位和维修,有效缩短了跳闸时间。

3.2剩余电流采集误差测试

在新安江变电站、更楼变电站和下涯变电站发生剩余电流故障时,对一次侧加载剩余电流值和监测系统显示值记录如表2所示。

测试结果表明,与一次侧加载剩余电流值相比,监测系统显示值具有较高的精度,测试误差均小于1.5%,能够满足剩余电流保护的要求。

4结束语

本文所述400 V交流智能剩余电流监测系统,通过实时监测剩余电流变化,并将剩余电流信息传送至监控主机,当用户端存在风险时予以保护和报警,能有效缩小断电范围,不仅提高了变电站供电服务的可靠性,还能在剩余电流超限时减少人力、物力投入,降低电力公司的运营成本。