首台220 kV就地化主变保护在内蒙古地区应用运行分析

李智玲，江庆霞

(内蒙古电力(集团)有限责任公司 包头供电分公司，内蒙古 包头 014030)

随着电网逐步向智能化、集约化发展，就地化保护成为电力系统保护领域的主攻课题。2016年初，包头供电分公司积极响应公司系统运行部提出的研究课题，进行了就地化保护相关技术前期准备工作，对就地化保护从设计、生产、交接、应用、检修、运维管理情况等方面进行了调研，成立了由公司系统运行部保护处、局生产技术处、修试管理处、变电处技术专家组成的项目攻关小组，有效融合保护、变电运行、调度、通信、智能控制等多项专业，严格管控项目实施中方案设计、研制监造、设备验收、安装调试等环节，2018年9月内蒙古首台220 kV就地化主变保护在固北变挂网运行。

1 方案设计

就地化保护指直接安装于开关场或与一次设备集成安装的保护装置，其特征是装置防护等级高，对外采用专用连接器连接，可实现即插即用。

220 kV就地化主变保护变压器高、中、低压侧配置相同的分布式子机，子机仅执行就地采集及跳闸出口功能，不运行保护逻辑。单独配置一台主机，主机通过环网接收各子机的模拟量及开入量数据，经逻辑运算后，如果保护动作则向子机发送跳闸指令，由子机电缆直接跳闸。

图1 系统组成

该装置在防护等级、电磁兼容、热设计等方面采用了机箱一体化成型、板卡一体化设计、装置一体化散热等当前最新技术，确保该装置在恶劣的自然环境下仍保持可靠运行；装置配置了抗干扰芯片，使其抗电波、信号干扰能力得到了大幅提升；电、光缆插头采用了航空防水插头，使保护装置实现了即插即用，有效防止了误接线事故的发生。在实际操作过程中，就地化保护装置安装于一次设备附近，通过电缆直接采样直接跳闸，简化了二次回路，缩短了保护整组动作时间，提高了保护可靠性。就地化保护装置集成了合并单元和智能终端的功能，原来设备区4个端子箱和主控室3面保护屏才能实现的功能，现在只需1个室外端子箱就地化保护装置和1个室内管理机就能实现，节约了屏位和占地空间。

2 关键技术的研究

就地化保护的优势是基于就地化，针对自然环境存在温度、空气腐蚀、雷雨等影响因素，在开关厂内电磁干扰大，电缆短的特点，在这种环境下，现场级保护要能长期可靠运行、保障系统安全，重点从防护等级、抗干扰、热设计、小型化、免维护等内容研究解决方案，直接在开关场安装运行。

2.1 高防护

就地化保护装置采用全密闭外壳，一体成型。按照GB4208标准中规定的外壳防护等级，达到IP67防护等级：按完全尘密，按水下1 m设计和测试防潮。

关键部位，采用专项设计保证。即完全防止外物侵入，完全防止灰尘进入，在承受猛烈的海浪冲击或强烈喷水时电器的进水量应不致达到有害的影响，并且外部端子还要满足耐压2 500 V、浪涌4 000 V、冲击电压5 000 V等电气性能。为了达到IP67防护等级，就地化保护装置采用全封闭式整体设计，通过高IP防护重载端接头技术引出电缆、光缆供外部使用。在设计时，为了达到防止外物侵入的目的采用了全密封式金属机壳，金属机壳分为主壳及后盖，由特定磨具锻造，保证了二者保证的密合性，主壳及后盖间通过多个细螺纹螺钉紧固；重载端子与机壳间采用高性能、耐老化、耐腐蚀的密封垫进行防水密封，在主壳与后盖之间、机壳与航空插座之间均加入了与之相吻合的防水垫圈，以保证装置在受到强烈喷水时进水量的影响。

2.2 抗干扰

相对于控制室安装的保护，抗干扰薄弱环节需加强设计，如：PCB采用集成设计，取消传统模块化插件及总线，尽量减少CPU引出信号。电源部分强化防雷设计。

2.3 热设计

温度引发的问题，是导致电子产品失效的重要原因。现场级的IP和EMC防护要求，又给温度效应的控制，带来更大挑战。在极限环境温度下，设备内部的器件温度，要控制在最大允许温度范围内，确保正常工作。依据标准4中统计国内各地区户外温度值，按无防护户外运行，最高环境温度为55 ℃。本方案中，实际设计按：-40 ℃～+70 ℃规格，高于户外最严环境条件。

2.3.1 减少发热、促进散热、降低辐射吸收。为了减少发热，可以采用低功耗设计，包括：精简设计、高效电源、选用低功耗器件并优化控制。

为了增强散热，可采用多种散热手段。采用机箱一体化散热设计。外壳采用导热性能好的材料。通过导热胶与内部发热部件紧密接触，整个机箱一体成型。造型采用凹槽设计，能有效增加散热面积。材质及表面处理，考虑太阳暴晒时尽量降低辐射的吸收。

2.3.2 提高强度。物料选型与可靠性设计，确保超过环境应力并留有预度。元器件全部工业等级，进行结温测算和实验验证，无液晶、电池等易耗元器件。

2.4 小型化

就地化保护在一次开关场就地安装，体积太大，会使得加工工艺和防护难度加大，同时也给安装及运维带来不便。传统的继电保护装置的硬件结构通常由保护板、闭锁板、管理板、总线板、电源板、交流板和IO板组成。不同功能的板件相互独立，占据了较大的空间。在就地化保护中，创新采取保护板、闭锁板、管理板三板合一主控板的方式来达到设备小型化的目的。

2.5 “即插即用”技术

装置接口标准化设计，所有的端子定义统一，不同厂家装置可实现互换，实现“即插即用”。采用航空插座与航空电缆，实现快速、可靠的插接；接口密封采用特殊工艺处理，满足防水、防尘等具体要求；不同色带和容错键位设计，防止现场的误碰和误接线；更换式检修，实现少维护、易维护，现场工作量大幅降低。

3 就地化保护与其他保护比较

就地化二次设备是技术与标准结合，开启了变电站设计、建设、运维的全新模式。

3.1 技术方面

就地化保护装置集成了合并单元和智能终端以及保护装置部分功能。

图2 就地化保护与智能变保护设备比对

通过单间隔功能纵向集成，减少装置类型及数量，整体降低设备缺陷率，单装置失效影响范围减小，系统可靠性得到明显提升。

智能站继电保护速动性、可靠性较传统保护有所降低，中间传输及转化环节增多，保护动作时间长，单一设备故障影响范围扩大。就地化保护无中间环节，保护动作快、单间隔保护装置整组动作时间相较目前智能变电站可减少8 ms～10 ms。

基于无防护、开关场安装的就地化二次设备网络架构简单、就地电缆采样跳闸，解决传统保护长电缆传输信号带来的问题：如CT饱和、多点接地、回路串扰、分布电容放电等问题。

3.2 设计基建

以220 kV固北典型主变工程为例，应用就地化二次设备方案，较非就地化智能站建设模式相比：①屏柜数量。因取消间隔保护屏和智能控制柜，仅配置就地端子箱，屏柜数量降幅达60%以上。②建筑面积。因采用小型化，就地化设备建设模式，取消保护小室，缩减建筑降幅近50%。③光缆使用。因保护集成合并单元和智能终端，并通过航空插头直接采样、跳闸，光缆数量降幅近60%。

3.3 安装调试

①安装环节。长线缆大幅减少，敷设容易；装置采用无防护就地安装且大部分接线采用航空插头预制，安装简单，整站二次设备安装时间大幅缩短；采用标准化连接器，防止现场“误接线”，提升现场工作本质安全。②调试环节。专业化检修中心利用自动测试技术等提高测试效率；保护配置、调试完毕后发往现场，现场经整组传动后即可投运，调试时间缩减70%以上，提高了检修效率。

3.4 运行维护

就地化方案较非就地化建设模式智能变电站优势：①利用就地化保护便于安装和更换，现场检修工作以快速更换为主，减少设备停电时间；无间隔保护虚回路设计，简化全站SCD配置及管控难度。②配置一键式下装，实现少维护、易维护，现场工作量大幅降低；结合二次设备状态监测、虚回路可视化及配置文件管控，提高设备全生命周期管理质量、确保系统稳定安全运行。③将有效提高继电保护速动性和可靠性，使得保护动作时间缩短了25%～33%，保护屏柜数量降幅达60%以上。

4 存在的问题及努力方向

①本项目所研制就地化主变保护采用分布式方式，由传统一个主变保护设备变成了由主变各侧子机共同完成的模式，需要维护的主变保护数量变多。②就地化主变保护设备由于交流端子众多，并且采用HSR环网通信方式，因此功率较大，需要进一步改进，需要重点注意在场运行的通信可靠性。③就地化主变保护设备本身防护等级比较高，调试过程中发现航空插头故障率较高，应重点关注。④由于新设备的特殊性，已编制运行规程、明确运行和检修人员的职责分工，但随着运行经验的积累，还需继续完善设备使用流程及规范，相关技术人员使用前进行系统的培训、实操，确保设备的正常运行。

伴随着电网智能化、集约化的发展，二次设备下放就地，将成为重要的方向。其核心要求：高可靠性、无防护、免维护。基于无防护、开关场安装的就地化二次设备是技术与标准结合，开启了变电站设计、建设、运维的全新模式。依据这种理念设计的现场级二次设备，其安全性、可靠性、经济性、便利性，在220 kV固北站进行挂网试运，实际的试运行效果良好，为内蒙古其他单位推广应用提供了参考。