某特高压变电站地处高纬度、高海拔地区，全站大部分的电气设备为GIS设备或HGIS设备，冬季平均气温-32 ℃，极端最低气温可达-39.8 ℃[1-3]。在温度极低的情况下若不采取任何措施，SF6气体就会发生部分液化，导致SF6气体浓度降低，灭弧能力减弱[4-9]，此时如果分合开关就有可能发生设备内部局部放电或击穿等故障，严重时还会造成爆炸[10-13]。为了防止SF6的液化，高寒地区的特高压变电站必须投入伴热带[14]。伴热带可以通过对GIS设备或HGIS设备罐体的加热，使罐体内的温度升高，从而避免SF6液化，减少故障的发生[15]。
伴热带在线监测系统可实现对伴热带实际工作状态的有效监测[16-19]。目前部分变电站通过采用电压互感器来实现对伴热带的监测[20]，即在伴热带两端并联电压互感器，通过电压互感器的电压显示及指示灯来间接反映伴热带的工作状态。但是该方法仅能反映伴热带两端是否带电，不能反映电压互感器之间伴热带的虚接及断线情况，进而无法有效反映伴热带的实际工作状态。实际运行中，当伴热带回路存在虚接及断线等情况时，回路中的电流会随之发生改变，基于此，本文提出一种通过监测伴热带回路中的电流来实现对伴热带实际工作状态进行监测的特高压伴热带在线监测系统。该系统可反映多种故障情况，在故障报警后检修人员可通过面板告警灯实现就地选相，并及时更换故障伴热带，既提高了故障处理速度，又减少了因伴热带故障导致罐体内SF6液化的概率。
1 特高压伴热带在线监测系统设计及应用 1.1 系统组成特高压伴热带在线监测系统采用穿心式电流互感器，在不破坏伴热带回路的基础上，通过感应出的二次电流来驱动电流继电器。该系统由电流继电器、电流互感器、温度控制器、中间继电器、智能报警装置、测控装置、交换机以及监控后台组成。伴热带安装位置见图 1。
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| 图 1 伴热带安装位置 |
通过查阅《国网蒙东检修公司特高压变电站现场运行专用规程》[21(] 以下简称规程)、咨询伴热带厂家并结合现场实际运行情况，确定了伴热带在线监测系统信号回路中温度控制器的温度参数。特高压变电站内GIS及HGIS开关气室的额定压力为0.55 MPa和0.6 MPa，对应的液化温度约为-30 ℃和-25 ℃。为了避免SF6气体液化，规程规定当环境温度低于-15 ℃时伴热带投入，当环境温度回升至-10 ℃时伴热带退出运行[21]。
伴热带在线监测系统回路中温度控制器的温度参数设定为启动温度-15 ℃，停止温度-10 ℃。当温度低于-15 ℃时，温度控制器驱动电磁接触器励磁，其辅助触点KC闭合，主触点闭合导通三相加热器回路；当温度高于-10 ℃时，电磁接触器KC不励磁，其辅助触点KC打开，主触点打开切断三相加热器回路，以实现温度控制器的自动调节功能。为了防止加热器不工作时误发信号，将电磁接触器的辅助触点串联在信号回路中。
1.3 设计方案 1.3.1 方案1 1.3.1.1 工作原理方案1采用N相电流继电器的方式(见图 2)，即在N相位置设置一个电流继电器，通过电流继电器与电磁接触器的常开辅助触点串联构成信号发送回路。加热器正常工作时，电流继电器不励磁，辅助触点KA1断开，报警信号回路不导通，此时无报警信号。
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| 图 2 方案1工作原理图 |
当某个加热器回路因过热或其他原因断开时，会有电流流经电流继电器，电流继电器励磁，辅助触点KA1闭合，KC也在合位，导通信号告警回路。此时会给智能故障报警装置一个开入信号，点亮面板上“加热器故障”告警灯LD1，然后智能故障报警装置通过20芯扁平电缆传输数据至故障报警继电器，报警接点Q1闭合，同时给测控装置一个加热器故障的硬接点信号，测控装置通过网线将报警信号传至后台，弹出报文并点亮伴热带故障的光字牌。
1.3.1.2 设计思路三相加热器正常工作时，没有零序电流，电流继电器不励磁，不报警。当一相、两相或三相不同时故障时会产生零序电流，在零序N相位置串联的电流继电器就会励磁，其常开辅助触点闭合导通信号发送回路，点亮面板告警灯，发送信号至监控后台。但是三相加热器同时故障断线时，由于不存在零序电流，电流继电器不励磁，所以面板指示灯不会点亮，也不会发送信号至监控后台。
1.3.1.3 方案优点利用单个继电器实现了对三相加热器的监视，能够检测出一相、两相断线，三相不同时断线的情况，且经济性较好。
1.3.1.4 方案不足(1) 方案1的接线方式不能反映三相同时断线的故障情况，存在监视死区；
(2) 发送故障报警信号后，无法直观看出是哪相断线，即不能就地选相，不便于及时更换故障伴热带，无法及时处理故障。
1.3.2 方案2 1.3.2.1 工作原理方案2采用三相电流继电器的方式(见图 3)，即在每相加热器回路采用一个电流继电器，通过电流继电器的常闭辅助触点三相并联后与电磁接触器的常开辅助触点串联构成信号发送回路。加热器正常工作时，电流继电器三相都励磁，辅助触点均断开，报警信号回路不导通，无报警信号。
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| 图 3 方案2工作原理图 |
当某个加热器回路因过热烧断或其他原因断开时，该相的电流继电器就会失去励磁，辅助触点KA1、KA2、KA3就会闭合，KC也在合位，导通信号告警回路，报警接点Q1、Q2或Q3闭合，并给测控装置一个硬接点信号，测控装置将报警信号传至后台，弹出报文并点亮对应光字牌。
1.3.2.2 设计思路三相加热器正常工作时，三相的电流继电器都励磁，不报警。当一相、两相或三相(同时或不同时)故障断线时，对应故障相上的电流继电器就会失去励磁，其辅助触点闭合导通信号发送回路，点亮面板告警灯，发送信号至监控后台。
1.3.2.3 方案优点(1) 方案2接线方式可反映一相、两相或三相同时或不同时断线的故障情况，不存在监视死区；
(2) 发送故障报警信号后，可通过面板告警灯实现就地选相，便于及时更换故障伴热带，提高了故障处理速度，减少了因伴热带故障导致罐体内SF6液化的可能。
1.3.2.4 方案不足三相的每个支路均配置电流继电器，成本高。
1.3.3 方案3 1.3.3.1 工作原理方案3采用N+1相电流继电器的方式(见图 4)，即在N相和L1相的位置各设置一个电流继电器，通过电流继电器辅助触点的组合，再与电磁接触器辅助触点串联构成信号发送回路。加热器正常工作时，电流继电器KA1励磁，常开辅助触点闭合，常闭辅助触点断开；电流继电器KA2不励磁，常开辅助触点断开，常闭辅助触点闭合，报警信号回路不导通，无报警信号。
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| 图 4 方案3工作原理图 |
(1) 当L1相加热器回路因过热烧断或其他原因断开时，L1相电流继电器失去励磁，常闭辅助触点KA1闭合，因此时有零序电流，电流继电器励磁，常开辅助触点KA2闭合，KC也在合位，导通信号告警回路。此时点亮面板上“L1相加热器故障”告警灯LD1，报警接点Q1闭合，发送信号至监控后台。
(2) 当三相相加热器回路因过热烧断或其他原因断开时，L1相电流继电器失去励磁，常闭辅助触点闭合，因此时没有零序电流，电流继电器不励磁，常闭辅助触点KA2闭合，KC也在合位，导通信号告警回路。此时点亮面板上“三相加热器故障”告警灯LD2，报警接点Q2闭合，发送信号至监控后台。
(3) 当L2相或L3相加热器回路因过热烧断或其他原因断开时，因此时有零序电流，电流继电器励磁，常开辅助触点KA2闭合。因L1相无故障，所以电流继电器处于励磁状态，常开辅助触点闭合，KC也在合位，导通信号告警回路。此时会点亮面板上“L2/L3相加热器故障”告警灯LD3，报警接点Q3闭合，发送信号至监控后台。
1.3.3.2 设计思路三相加热器正常工作时，L1相的电流继电器KA1励磁，N相的电流继电器KA2不励磁，通过辅助触点构成的信号回路没有导通，不报警。当一相、两相或者三相同时或不同时故障断线时，通过电流继电器辅助触点的组合导通信号回路，点亮面板对应告警灯，并发送信号至监控后台。
1.3.3.3 方案优点(1) 方案3的接线方式能反映一相、两相或三相同时或不同时断线的故障情况；
(2) 故障报警后，可通过面板告警灯实现就地选相，便于及时更换故障伴热带，同时避免了因伴热带故障导致罐体内SF6液化的问题；
(3) 和方案2对比，在实现在线监测和就地选相功能的同时，经济性比较好，节约了电流继电器。
1.3.3.4 方案不足当报“L2/L3相加热器故障”时，需检修人员到现场进一步确认故障相别。
1.3.4 方案的选择为了合理地进行方案评价，分别从方案的易用性、全面性、经济性、安全性四个方面对方案进行评价，结果如表 1所示。通过方案综合分析对比评价，最终确定采用方案3，即“N+1相电流继电器”方式。从方案的科学性、合理性及经济性等方面考虑，方案3减少了继电器的使用数量，降低了成本，又满足了就地选相的要求，同时优化了回路的设计。采用方案3的回路设计，既能反映多种类型的故障情况，又可通过面板告警灯就地选相判断故障相别，缩小了故障的排查范围，提高了更换处理故障伴热带的速度，减少了因伴热带故障导致罐体内SF6液化的概率，降低了事故发生的可能性。
| 表 1 各方案评价结果 |
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该系统使用前，伴热带故障平均处理用时为350.6 min，使用后伴热带故障平均处理用时为116.8 min，大大缩短了故障处理时间。该系统自应用以来运行稳定，安全可靠，提高故障处理速度的同时，减少了人员的户外作业时间，保障了作业人员的人身安全，减少了SF6因低温导致液化的概率，提高了设备的运行可靠性。
2 结语设计的特高压伴热带在线监测系统在伴热带不正常工作时能够及时发现、并辅助检修人员判断故障位置以便尽快处理，保证了特高压变电站的安全稳定运行。通过监测系统的实际运用验证了该系统的有效性和实用性。该监测系统技术改造易实现，不破坏原回路，安全性高，值得推广应用。
| [1] |
李鸿鹏, 丰驰尧, 李宝锋, 等. SF6混合气体的液化特性研究[J].
电气技术, 2020(11): 57-60 DOI:10.3969/j.issn.1673-3800.2020.11.011 (  0)
|
| [2] |
薛庆宽. 高寒地区SF6断路器防液化技术研究与控制系统实现[D]. 郑州: 郑州大学, 2018.
( 0)
|
| [3] |
张志宇. SF6断路器低温环境下气体液化问题分析及解决方案[D]. 天津: 南开大学, 2016.
( 0)
|
| [4] |
王军飞, 姜晨曦, 张黎, 等. 550 kV GIS设备抗低温措施研究[J].
山东电力技术, 2016(8): 54-55 DOI:10.3969/j.issn.1007-9904.2016.08.013 ( 0)
|
| [5] |
胡昌伦. SF6断路器低温环境下运行的应对措施初探[J].
通讯世界, 2019(5): 205-206 DOI:10.3969/j.issn.1006-4222.2019.05.133 ( 0)
|
| [6] |
刘旭, 卢鹏, 张海宾, 等. 浅谈GIS设备低温应对措施[J].
科技创新导报, 2018(33): 15-17 ( 0)
|
| [7] |
王凯. 防止126 kV GIS断路器SF6气体液化加热结构的设计[J].
山东工业技术, 2017(2): 193-194 ( 0)
|
| [8] |
范钦晓, 田刚领, 黄文力, 等. 252 kV罐式SF6断路器直热式加热系统的设计[J].
电力安全技术, 2017(3): 28-31 DOI:10.3969/j.issn.1008-6226.2017.03.009 ( 0)
|
| [9] |
陈志国. SF6潜在可替代气体电学性质对电击穿强度影响[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2017.
( 0)
|
| [10] |
谢辉, 刘伟, 张红飞, 等. SF6混合绝缘气体现场运维技术的研究[J].
安徽电气工程职业技术学院学报, 2017(1): 7-12 DOI:10.3969/j.issn.1672-9706.2017.01.002 ( 0)
|
| [11] |
刘富浩. 普冷温区气体电气特性试验系统的研制[D]. 北京: 华北电力大学, 2016.
( 0)
|
| [12] |
陈益群. 寒冷地区220 kV变电站户外SF6断路器的选型研究[J].
通讯世界, 2017(5): 177-178 ( 0)
|
| [13] |
阳以歆. SF6/CF4混合气体在工频交流电压下的绝缘特性研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2017.
( 0)
|
| [14] |
赵坚, 余长厅, 颜海俊, 等. 电伴热带在SF6互感器微水含量异常处理中的应用[J].
广西电力, 2019(2): 58-60 ( 0)
|
| [15] |
张莹. 冰冻寒冷地区水泥生产线电伴热带保温技术研究[J].
中国水泥, 2020(4): 100-102 ( 0)
|
| [16] |
代俊雯. 高压断路器SF6气体状态监测系统设计[D]. 大连: 大连理工大学, 2017.
( 0)
|
| [17] |
贾明, 李文超, 周兴, 等. 变电站SF6断路器检修技术研究[J].
低碳世界, 2016(26): 44-45 ( 0)
|
| [18] |
戴美胜. 变电站SF6断路器的运行维护要求及异常处理方法研究[J].
科学技术创新, 2020(5): 168-169 ( 0)
|
| [19] |
王志斌. 低温环境下SF6断路器报警及闭锁故障分析[J].
黑龙江电力, 2018(2): 157-160 ( 0)
|
| [20] |
林升. 东北高寒地区500 kV变电站罐式断路器伴热带的应用方式及运行监控研究[J].
中国科技投资, 2019(34): 97 ( 0)
|
| [21] |
国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司. 国网蒙东检修公司特高压变电站现场运行专用规程[Z]. 通辽: 国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司, 2018.
( 0)
|