用于特高压站站用电系统的绝缘监测系统研究

引言

特高压输电在优化电力资源配置、提高输电走廊利用率和保护环境等方面具有重要意义,故作为电力枢纽的特高压变电站在电网中的地位尤为重要。而站用电系统是特高压变电站的重要组成部分,其工作状态极大地影响着特高压变电站的运作。站用电系统的绝缘出现问题会产生漏电流,漏电流会对操作人员产生一定威胁,小于10mA的漏电流对人的影响还不是特别严重,但当漏电流达到30mA时,会导致人员触电并有一定的生命危险:除此之外,漏电流还会对设备产生损伤,导致电气火灾等事故,存在着严重的安全隐患。因此,灵敏地检测出漏电流并及时处理显得十分重要,目前采取的有效措施是安装漏电保护器。

漏电保护器在特高压站站用电系统的保护中一直扮演着不可或缺的角色。传统的漏电保护器依赖于交流漏电流产生的交变磁场,而对于直流系统,漏电流不能产生交变磁场,传统保护装置无法实现保护,因此直流漏电保护技术的研究已不容忽视。同时,随着站用电系统直流装置的不断增加,越来越多的交直流变换环节应用于站用电系统,这就使得站用电系统发生故障时的故障电流除了工频故障电流外,还可能是不同频率的交流、平滑直流、脉动直流以及复合交直流。面对这些复杂的情况,传统的Ac型以及A型漏电保护器无法形成保护,甚至会在发生直流漏电时失去对交流漏电的保护功能,成为特高压站站用电系统的重大隐患。

交直流混合漏保也称B型漏电保护,国外对其研究起步较早,且制定了许多标准性的文件,目前国内标准也在不断完善中。但由于该技术难度较高以及国外的垄断,为了打破现状,实现对交直流电网所必需的核心技术和核心基础装置的把控,亟需研究和开发可靠性高、成本低的交直流漏电保护关键技术及核心部件。

本研究以B型剩余电流检测保护为突破口,开发智能开关与检测保护装置,同时结合物联网通信技术,开发具备实时监控、远程报警等功能的在线监控系统,推进电网安全升级与泛在电力物联网建设。

1基于磁通门电流传感器的漏电保护技术

1.1磁通门电流传感器的工作原理

磁通门传感器主要应用磁通门理论,具体来说是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。相较于其他类型磁传感器,磁通门传感器具有分辨率高、稳定性良好、弱磁场测量范围较宽、能够直接测量磁场分量等优势。与此同时,不同于某些电流传感器只对交流有效的情况,磁通门电流传感器对交直流均起作用。

图1展示了磁通门电流传感器的工作原理:激励绕组与检测绕组同时缠绕在磁芯上,在与磁芯相垂直的方向上有一个电流1,它会产生一个环形磁场Ho,进而影响磁芯内的磁场B,磁芯内磁场的改变会通过检测线圈的电压信号表现出来,信号所含各谐波中对磁芯内磁场影响最大的是二次谐波,利用这一点可以滤除检测线圈上除二次谐波以外的电压信号。滤波后所得到的二次谐波电压,不仅其正负可以作为要检测的电流方向的参考,而且其幅值与要检测的电流也是近似成正比的。

1.2漏电保护技术

直流漏电磁通门传感器系统以高磁导率磁芯为基础,磁通门技术的芯片开发为核心,进行高度集成的磁通门原理SoC传感芯片开发,并涉及数模混合信号技术研发、单芯片SoC研发、可编程技术研发,融各类技术于一体,组成超小型模组,实现直流漏电磁通门传感器模块的自动化、低成本和大批量生产。

直流漏电磁通门传感器检测原理如图2所示。

漏电保护器是由电流互感器作为其检测元件,这种互感器一般由环形铁芯和绕组构成:其中激励源能够周期性翻转接收信号,输出绝对值相等、极性相反的方波电压:由检测控制模块判断激磁电流是否达到阈值,并分析激磁电压或激磁电流波形。

图3(a）为无漏电流时的波形示意图。在正半周期中,方波激励源发出的正电压使得磁芯被正向磁化。磁芯正向饱和时,其发出正向激磁电流的强度达到阈值,触发检测控制模块发出翻转信号,方波信号进入负半周期。此时磁芯被反向磁化,达到饱和时,反向激磁电流再次触发翻转信号,周期结束。由于此时输入、输出电流对称,磁芯完全由方波信号磁化,故激磁电流的波形对称。

当电流中存在正向漏电流时,漏电流额外的磁化作用会导致磁芯提前达到饱和,激磁电流波形下移,如图3(b）所示。故只要检测激磁电流的对称性,就可以对各种类型的漏电流进行检测。

2绝缘监测系统设计

2.1整体功能框架设计

本研究的对象为B型剩余电流动作断路器,主要包括两大部分:断路器部分和对B型剩余电流进行检测以及控制断路器执行跳闸的电子部分(漏电检测及执行模块）,两部分的组合及接线方式如图4所示。漏电检测及执行单元内部含有较多的功能单元,2.2中会有单独的介绍。断路器部分接线分为进线端和出线端,分别实现断路器的进线与出线的通断功能,传统的漏电保护断路器电子部分采用后端取电,即从断路器的出线端取电。当断路器跳闸后,电子部分也掉电失效,重新合闸才能恢复工作。而本研究的B型漏保(图4）采用前端/后端双取电,前端取电对核心处理单元等功能单元供电,保证跳闸后不断电,实现智能化实时在线的功能:后端取电对脱扣控制单元等供电,跳闸后切断电源,保护电子器件不受损坏。

2.2漏电检测及执行模块功能设计

本研究的漏电检测及执行模块,其内部功能组成如图5所示,包括电源单元、核心处理单元、LoRa无线单元、脱扣控制单元和漏电检测单元。电源单元从进线端取电,将交流电整流滤波后再进行AC/DC转换,变成稳定的低压直流电供给核心处理单元、漏电检测单元及LoRa无线单元。漏电检测单元将检测到的漏电流进行转换,变成核心处理单元可识别的信号后进行采集,计算出当前的漏电流值,核心处理单元再把漏电流值实时传递给LoRa无线单元,让其上传到主站。核心处理单元同时根据当前的漏电流值与门限值进行比较,达到跳闸门限时,对脱扣控制单元进行控制,脱扣控制单元动作带动断路器进行跳闸。

2.3脱扣控制单元设计

上文提及的扣控制单元如图6所示,在传统漏保开关的基础上进行改进,增加了断路器分合闸状态检测的功能,可以判断其处于合闸状态还是断开状态,再将断路器的状态信息传递给核心处理单元,最后由LoRa无线单元发出,目的是让主站知道此断路器现在处于何种状态。

脱扣控制单元从出线端取电,进行整流后再经过一个反馈光耦,最终到稳压电路中形成状态回路。光耦内部由发光二极管与受光器组成,利用发光二极管状态对受端进行作用:当出线端有电时为合闸状态,此时光耦输出一种状态:跳闸之后,出线端断电,此时光耦输出另一种状态。状态信息传输到核心处理单元中,就可以利用光耦状态来实现对断路器分合闸状态的长期在线监控。

2.4LoRa组网设计

LoRa网络可实现多节点、低功耗的远距离通信,每一个漏保开关都组成一个节点,内部采用433MHzLoRa无线模块,采用定制协议将漏电数据、断路器分合闸状态等信息传递给一定范围的一个基站,再由基站通过4G网络上传到云端服务器,云端服务器开通接口,可以通过手机App及PC进行访问,查看每一个节点开关的数据及状态,实现实时监控的目的。图7为LoRa组网设计逻辑。

3实验验证

本文首先对高灵敏自适应磁通门传感技术进行了实验验证,实验表明,系统可以实现高灵敏漏电流检测,检测灵敏度达到60μA。在此基础上开发了新型B型直流漏电保护开关装置,对相关1kHz高频剩余电流、平滑直流剩余电流、两相整流剩余电流以及复合波进行了检测并执行动作,各类电流波形如图8所示,波形具体参数信息如表1所示。

然后使用B型剩余电流测试台对研发的高可靠性B型RCD性能进行测试,如图9所示,测试结果符合标准文件的动作测试要求。

基于已经验证过的B型漏电保护开关,本研究开发了一套站用电系统的在线监控系统,引入LoRa无线通信、边缘计算等物联网技术,形成完备的实时在线监控系统,漏电流信息经边缘计算后,通过LoRa无线通信技术经外置基站由4G公网上传至电力智能控制平台,具备实时监控、远程应急处理等功能。图10为本研究搭建的系统实验平台。

图10监测系统平台搭建

图10仅展示了平台一个节点,实际运用中每个漏保开关都将成为一个节点,内部均采用433MHzLoRa无线模块,并采用定制协议将漏电数据、断路器分合闸状态等信息传递给一定范围的一个基站,再由基站通过4G网络上传到云端服务器,云端服务器开通接口,可通过手机App及Pp进行访问,查看每一个节点开关的数据及状态,实现实时监控的目的。图11为本研究搭建平台的上位机报警记录展示。

图11漏电保护动作记录

4结语

本研究开发了B型智能漏电保护开关、监控盒等硬件装置,并在此基础上开发了用于特高压站站用电系统的在线绝缘监测系统,为当前站用电系统的直流漏电问题提供了低成本的完整解决方案。本研究成果可直接应用于全国各种场合的站用电系统绝缘监测,具有广阔的应用前景。