火力発電所6kV作業セクションにおけるインテリジェントスイッチギア変換の実践

長期間の使用と深刻な劣化により、ある発電所の6kV作業セクションのユニット6のスイッチには、位置決めピンの変形、接地スイッチの閉鎖位置の異常、保護装置の故障などの潜在的な安全上の危険が存在しています。これらの危険は、ユニットの安定した運転を脅かしており、改造は非常に緊急です。また、最近の中圧スイッチに関連する感電事故を考慮し、スマートスイッチギアを採用することにしました。既存のECMSにリモートでインテリジェント制御プログラムをインプラントし、電動操作機構、視覚監視、オンライン監視システムを設定して、ワンボタン操作と状態早期警告を実現し、作業者が設備自体から離れて安全な運転を確保します。

1. インテリジェントスイッチギア改造の全体目標

インテリジェントスイッチギアは、制御、測定、通信デバイスを通じて従来の設備の電気パラメータをリモートで監視できます。電動機構を使用してブレーカーのラッキングイン/アウトや接地スイッチの開閉を行い、インテリジェントな操作を実現します。この改造は、「操作自動化」と「状態監視」の2つの主要機能に焦点を当てています。また、既存のオンライン高調波監視デバイスとモーター絶縁オンライン監視デバイスを統合して、設備の状態感知能力を強化します。ケーブル端子の過熱、機構の詰まり、スイッチ特性の異常、モーター絶縁の低下などの一般的な問題については、オンライン監視データに基づいて早期警告と診断を実現し、設備の信頼性のある運転を支援します。

2. インテリジェントスイッチギアの改造計画
(1) 操作自動化の実現

私たちはリモートでECMSにインテリジェント制御プログラムをインプラントします。既存のABBのMRCユニットがハードワイヤリングのみをサポートしていることを考慮し、ケーブル敷設と追加の測定・制御デバイスのコストを削減するために、ECMS内のWislink2000産業用スイッチを使用して、同じメーカーのスイッチギア内のWDZ-5200シリーズ統合保護デバイスとのRS485通信を行います。その後、保護デバイスをハードワイヤリングでMRCユニットに接続します。最後に、ブレーカー/コンタクターおよび接地スイッチの電動操作機能を実現し、制御リンクを簡素化し、操作効率を向上させます。

(2) 状態監視と運用・保守の最適化

状態監視側では、オンライン温度監視およびブレーカー機械特性監視のためのインテリジェントセンシングデバイスを設定し、オンライン高調波監視デバイスとオンライン絶縁監視デバイスを統合します。ローカルのABB MyRemoteCareシステムを活用して、設備の健康状態をリアルタイムで評価し、設備障害の確率を予測します。この方法により、設備の運用・保守は「予防保全」モードから「積極的予測管理」モードへと進化し、運用・保守の方法を最適化し、設備障害の確率を低減し、ユニットの長期的な安定運転を確保します。

3. 操作自動化機能の説明
(1) 全電動駆動保護機構

スイッチには専門のモータードライブ保護デバイスが装備されています。詰まりなどの異常動作状況が発生すると、モータ出力電流が増加し、保護プログラムがトリガーされ、モータ電源を遮断し、電動操作をロックし、故障信号を示す保護表示灯を点灯させ、不可逆的な機械的損傷を避けることができます。

ブレーカー/コンタクターハンドカートと接地スイッチの電動操作については、以下の設計が行われています：

• ハンドカート電動切替: ハンドカートシャーシに駆動モーターを追加し、作業位置と試験位置間でのハンドカート本体の切替を牽引します。アンチスタール機能を持つインテリジェント監視ユニットを設定し、ハンドカートの機械故障の誤判定を効果的に回避します；モータ故障が発生した場合、モータと駆動機構を自動的に保護し、故障表示灯を点灯し、警報信号を発生させます。

• 接地スイッチの連動: 接地スイッチの電動操作は、ブレーカー/コンタクターハンドカートと連動します。ハンドカートと接地スイッチの完全電動操作モードは、操作効率を大幅に向上させ、操作者の安全性を確保します。操作者はスイッチ室に入ることなくリモート操作でき、負荷切り替え待機時間を短縮し、操作失敗による個人的な怪我を避けられます。

(2) プログラム化された操作論理

• ワンボタン順次操作: ブレーカーの閉鎖コマンドを受け取ると、システムはまず接地スイッチを開き、その後ブレーカーハンドカートを電動でラッキングインします；ハンドカートが位置に着いたら、DCSから閉鎖操作を実行することができます（開閉操作は逆順）。接地メンテナンス、冷備、温備、運転状態間でのリモートスイッチギアの切り替えをサポートし、順次制御を実現します。

• 操作モード要件: ブレーカー/コンタクターおよび接地スイッチの電動操作デバイスと全過程視覚監視デバイスを装備し、ブレーカーと接地スイッチのリモート可視化を実現し、直感的な操作状態追跡と日常業務管理を可能にします。安全な運用・保守要件を満たし、リモートまたはローカル集中制御が可能です；手動と電動操作を自由に切り替え、相互に連動させ、操作の安全性を確保します。

4. 状態監視機能の説明
(1) 負荷変化に基づくリアルタイム診断

潜在的な設備欠陥と隠れた危険をタイムリーに特定し、早期警告を発し、問題の悪化を防ぎ、予期せぬ停電の確率を低減するために、無線RF技術を採用して、スイッチ接触部/リード端子の温度上昇やスイッチ動特性の非同期性などのパラメータをリアルタイムで収集・監視します。また、長期運転中にオンライン監視・診断システムによって収集された運転記録は、設備の健康評価に信頼性のある基盤を提供します。

(2) スイッチギアのオンライン温度監視計画

• 温度測定点配置: ブレーカー移動接触部（上下接触部）6点、ケーブル側3点；上部バスバー分岐側3点、下部接触腕3点、コンタクターのケーブル側3点。

• 技術的特長: ブレーカーの温度測定は内蔵設計を採用し、接触腕や指への露出を避ける；すべての温度測定モジュールはバッテリー不要の自己供給型無線RF通信を使用します。ブレーカー/コンタクターを交換した場合、オンライン温度監視デバイスは新しい設備を迅速に識別し、自動的にペアリングして、監視対象のスイッチギアとブレーカーのマッチングを確保します。これは、キャビネット検出ユニットに自動的に適応することで実現され、手動介入（つまり温度測定要素の交換）なしで行われます。

(3) ビデオリモート監視論理

スイッチギア内部にビデオ監視装置を配置し、リモートで監視画像を送信して、ホストコンピュータを通じてユーザーが設備の運転状態をリアルタイムで確認し、設備の安定した運転を確保します。

• オンラインビデオ技術要件: 運用システム（ECMS）で設備操作を選択すると、コマンドが発行された後、視覚システムは自動的に操作された設備のビデオに切り替わり、操作の全過程を記録して直接観察・判断し、ブレーカー/コンタクターおよび接地スイッチの操作プロセスと状態が適切であり、接触が良好であるかどうかを確認します。カメラは高圧室に直接設置され、スイッチギアの絶縁性能と電磁適合性が検証され、イーサネットを介してビデオ監視システムに接続されて、ブレーカー/コンタクターハンドカート、スイッチギアシャッター、接地スイッチの状態を監視します。ビデオ端末は対応する部分の監視画像を呼び出してリモートで確認でき、現場の人員がいなくてもよいです。リモートでスイッチギアを操作する際、カメラは動き検知により自動的にビデオ監視画像をフィードバックし、操作者がホストコンピュータを通じて電動操作のプロセスと状態をオンラインで監視し、煩雑な現場確認を省略できます。

(4) オンライン高調波監視の原理

電気設備が異常または劣化条件下で動作すると、異なる周波数の高次高調波が生成されます。設備の劣化度は、「相対高調波含有率 → 指標値 → 標準値」の計算プロセスを通じて決定されます：最初に、各次数の電流高調波の相対高調波含有率を予め定めた次数の電流高調波総歪みで割って指標値を得ます；次に、指標値によって形成された各次数の高調波関数を、各次数の相対高調波含有率から導出した各次数の診断値で乗算して標準値を得ます；最後に、指標値と標準値を比較して設備の劣化度を決定します。

• システム構成: データ収集システム（モータ高次高調波データのリアルタイムオンライン収集を担当）とデータ分析システム（分析ソフトウェアを用いて高次高調波データのリアルタイム分析と故障早期警告を行う）で構成されています。全システムは非接触型高次高調波収集センサーを使用して運転設備データをオンラインで収集し、高次高調波成分とその含有率の包括的な分析を通じて設備の劣化度を決定し、メンテナンスの基盤を提供します。

(5) モータ絶縁オンライン監視の実践

高圧モータの絶縁状態を確認するためには、送電前と日常のスタンバイ中に行う絶縁テストが必要です。これは設備の運用・保守における重要な一環であり、システムの安全性を確保する有効な手段です。循環水ポンプモータや給水ポンプモータなどのオープンモータやユニット内の長期スタンバイモータの定期的な絶縁テストの必要性に対応して、早期に絶縁オンライン監視装置を装備しました。直流高電圧注入法を用いてケーブルまたはモータ巻線の絶縁測定を行い、回路が停止したときに絶縁監視装置が自動的にフィーダ回路の絶縁監視を開始し、スタンバイ設備の絶縁値をリアルタイムで表示して、日常の運用・保守を容易にします。

5. 改善方向に関する議論
(1) 制御電源の集中管理

DCS、ECMS、またはNCSにアクセス可能なライン制御型インテリジェントミニチュアブレーカーを導入し、制御電源の集中制御を実現します。主設備のラッキングイン/アウトとスイッチング操作と連携して全過程の順次制御を完了し、運用管理と最適化に深く組み込みます。

(2) 絶縁監視システムの改善

モータ絶縁オンライン監視端末（モータが通電しているときのモータ回路の残余電流監視をサポート）を追加して、スタンバイおよび運転中の設備の絶縁性能の全過程監視を改善します：

• 定期的な絶縁テストの作業量と操作リスクを削減します；

• 高調波監視とMRCと協働して、設備の状態ベースのメンテナンスの基盤を提供します；

• 絶縁データはRS 485信号でバックグラウンドと通信したり、ハードワイヤリングで絶縁/リーク電流の早期警告/警報信号を出力したりして、電気ヒータとモータの自動切り替え連動を実現します。

(3) システム統合の最適化

インテリジェントスイッチの全操作プロセスをホストDCSに接続して独立したECMSを置き換え、投資コストを削減し、設備の集中DCS制御と管理を容易にし、検査作業を最適化し集中化し、人的資源を削減します。

6. 結論

6kVスイッチギアは発電所の電力システムにおいて重要な役割を果たしており、日々の運用・保守において、運転監視、電力切り替え、絶縁テスト、メンテナンスは不可欠です。スマート発電所の建設において、6kVスイッチギアは、人員の安全、設備の信頼性のある運転、労働強度の低減、状態ベースのメンテナンスに焦点を当て、既存の運用・保守モードを継続的に最適化し、より安全で効率的かつ経済的な運転を実現する必要があります。