摘 要 通過微機綜保在杜兒坪礦瓦斯電站應(yīng)用的實例介紹，探索了小型瓦斯電站電氣及繼電保護的配置方案和整定方法，引進學(xué)習(xí)國外繼電保護裝置，并與國產(chǎn)微機綜保和后臺系統(tǒng)進行整合優(yōu)化，為瓦斯電站的電氣系統(tǒng)安全運行提供了有力的保證，適合在瓦斯電站推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 瓦斯發(fā)電站；微機綜保；SIEMENS；繼電保護

中圖分類號 TD712 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)062-0190-02

近年來，隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和瓦斯利用扶持鼓勵政策的相繼出臺，瓦斯作為一種綠色清潔能源開始走上了產(chǎn)業(yè)化的道路，其中使用內(nèi)燃式往復(fù)發(fā)電機組進行瓦斯發(fā)電是目前最經(jīng)濟、最有效的一種途徑。

從瓦斯氣體輸配角度考慮，煤礦瓦斯電站一般均靠近礦井瓦斯抽排站建設(shè)，發(fā)電機組單機規(guī)模不大，目前從500 kW到4000 kW可選，采用內(nèi)燃機發(fā)電，輔機設(shè)備數(shù)量不多，負荷也不大，電站主接線系統(tǒng)相對靈活。根據(jù)氣量平衡，煤礦瓦斯電站的總裝機規(guī)模一般不超過30 MW，多就近以6 kv～35 kV電壓等級接入礦井變電所，所發(fā)電力補充礦井用電。

瓦斯作為新型能源，國內(nèi)還沒有明確的瓦斯電站的設(shè)計規(guī)范可依，在進行電氣微機綜保配置和整定時只能參考相關(guān)設(shè)計規(guī)程規(guī)范和設(shè)備資料，在充分考慮電站內(nèi)人員及設(shè)備的安全的前提下摸索合理的方案。

1 電氣系統(tǒng)概述

1.1 瓦斯電站概述

杜兒坪礦瓦斯電站位于古交市北石溝村的黃土山地，北與杜兒坪礦北石溝瓦斯抽放站相鄰。電站一期工程投資建設(shè)3x1703 kW發(fā)電機組，二期工程投資建設(shè)4x1703 kW發(fā)電機組，采用進口道依茨瓦斯內(nèi)燃機組，發(fā)電機出口電壓選用6.3 kV。

1.2 電氣主接線

電站一期3臺發(fā)電機均接入6.3 kV I段母線，電站饋出1回6.3 kV聯(lián)絡(luò)線至北石溝變電所。二期工程建設(shè)時4臺發(fā)電機接入6.3 kV II段母線，兩段母線聯(lián)絡(luò)至一期預(yù)留0段開關(guān)柜后經(jīng)一臺16000 kVA變壓器升壓至38.5 kV，電站38.5 kV以線路變壓器組接線方式饋出1回聯(lián)絡(luò)線接入北石溝風(fēng)機房35 kV箱式變電站。電站正常工況下通過35 kV線路向電網(wǎng)輸電，同時保留一期工程建設(shè)的至北石溝

6 kV聯(lián)絡(luò)線作為應(yīng)急電源使用。

1.3 主要設(shè)備選型及布置

瓦斯電站內(nèi)為爆炸危險區(qū)域，考慮消防、防火等因素，電氣設(shè)備均選用干式無油化產(chǎn)品，充分考慮使用安全、布置空間、操作維護、平均無故障時間等因素，變壓器和開關(guān)設(shè)備均選用ABB公司產(chǎn)品，同時受限于山體軟基場地難于布置等實際情況，為節(jié)約場地、縮短建設(shè)周期，電站電氣系統(tǒng)設(shè)備均采用集裝箱式安裝。其中，電氣集裝箱1布置6.3 kV I段及0段母線開關(guān)設(shè)備，該箱設(shè)備隨一期機組進口；電氣集裝箱2布置電站站用低壓ABB MNS 380 V開關(guān)設(shè)備、65 Ah DC220V直流屏、38.5 kV線路變壓器組保護組屏、干式站用變壓器等；電氣集裝箱3布置6.3 kV II段母線開關(guān)設(shè)備及電站38.5 kV開關(guān)設(shè)備，考慮安全、布置及維護方便，

38.5 kV開關(guān)柜選用ABB SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備；電氣集裝箱4布置ABB SCR10-16000/35干式低損耗升壓變壓器。

2 主要繼電保護方案

電氣二次部分采用微機綜保裝置和電站綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)對電站電氣設(shè)備的保護和監(jiān)控，綜合自動化系統(tǒng)具有遠動信息接口，同時將電站電氣設(shè)備運行參數(shù)上傳至地調(diào)。

2.1 電站6.3 kV繼電保護

電站6.3 kV發(fā)電機保護裝置隨主設(shè)備供貨，設(shè)置發(fā)電機差動保護為主保護，后備保護主要包括相間短路帶時限過流保護、無時限速斷保護、頻率保護、失步保護、磁飽和V/F保護、失磁保護、電壓保護、逆功率保護、接地保護及零序保護等，機組保護裝置通過Profibus工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)接入電站綜合自動化后臺。

電站其他6.3 kV線路、母聯(lián)、站用變等回路的繼電保護裝置均使用SIEMENS公司7SJ68多功能產(chǎn)品，設(shè)置常規(guī)電流和電壓保護，整定計算根據(jù)設(shè)計手冊并參考綜保要求進行。

2.2 升壓變壓器保護配置和整定如下

1）保護配置和功能：設(shè)置差動保護為升壓變主保護，使用SIEMENS公司7UT612保護裝置，在升壓變兩側(cè)差流超過整定時聯(lián)動變壓器高、低壓側(cè)斷路器。

同時在升壓變高、低壓側(cè)各設(shè)置一套后備保護，高、低后備均選用SIEMENS公司7SJ68產(chǎn)品，設(shè)帶時限過電流保護、過負荷等常規(guī)保護。

差動保護裝置7UT612常用于兩卷變保護，其保護跳閘特性見下圖，

該跳閘特性圖中，Idiff為差動電流，Idiff = | I1+I2 | ，Istab為制動電流，Istab = | I1 | + | I2 |。其中I1和I2分別為變壓器高低壓側(cè)電流互感器的二次電流值，INTr為變壓器額定電流。

為防止二次及高次諧波造成裝置誤動，在圖中閉鎖區(qū)可以設(shè)置諧波制動，當諧波超過整定值限值可實現(xiàn)閉鎖差動出口不動作，閉鎖時間也可設(shè)定。

裝置具有CT飽和指示器，當區(qū)外故障流過很大的穿越電流引起CT飽和而產(chǎn)生差流，裝置可判別該情況。當由于CT飽和導(dǎo)致的差流，剛開始時，電流特性必落在“附加穩(wěn)定區(qū)”中，這時可閉鎖差動保護約8個周波，不致差動誤動。

當故障由區(qū)外向區(qū)內(nèi)發(fā)展時，電流點將落故障特性上，需2周波時間來確定是區(qū)內(nèi)故障，從而中斷CT飽和閉鎖，差動動作。因此，差動在這種情況下不會拒動。

2）保護整定。差動保護整定：差動保護動作門檻值Idiff>即最小保護動作電流，按躲過變壓器額定負載下的最大不平衡電流原則整定，即Idiff>=Krel*(Ker+△U)*Ie，Ie為升壓變二次額定電流，Krel可靠系數(shù)取1.3-1.5，升壓變各側(cè)電流互感器的比誤差Ker按照規(guī)程取0.06，變壓器調(diào)壓引起的誤差△U取調(diào)壓范圍中偏離額定值的最大值，經(jīng)計算并考慮防止誤動Idiff取0.55Ie。

一般變壓器空載投入時的最大勵磁涌流要大于最大不平衡電流，因此差電流速斷定值Idiff>>按照躲過變壓器空載投入時的最大勵磁涌流整定，即Idiff>>=K*Ie，考慮變壓器容量和系統(tǒng)電抗大小Idiff>>取5.5Ie，動作時間取0S。

比率制動特性曲線制動系數(shù)按照一段式比率制動特性整定，制動系數(shù)取0.3。

諧波制動比參數(shù)裝置內(nèi)用各相電流中二次諧波分量與基波分量的比值計，整定值取20%，為防止變壓器某一相涌流超過差動門檻值而二次諧波比達不到20%的情況下造成裝置誤動，需要投入交叉閉鎖時間躲過變壓器勵磁涌流的衰減時間，閉鎖時間取0.2S。

為防止故障電流引起電流互感器飽和造成誤動，首先CT二次電流選用1A，另投入CT飽和附加穩(wěn)定區(qū)制動，起始制動電流取6Ie，交叉閉鎖時間取0.16S。

2.3 線路保護配置和整定如下

1）保護配置和功能：線路相間短路主保護配置光纖縱差保護：保護裝置使用SIEMENS公司7SD610保護裝置，在線路內(nèi)部發(fā)生故障時，動作于線路兩側(cè)斷路器。

線路后備保護及解列裝置使用南瑞中德NSP788W，后備保護主要整定帶時限過流保護及高低壓、高低頻解列發(fā)電機保護。

主保護裝置安裝于線路兩側(cè)末端，對每一相分別進行測量和分析，能識別復(fù)雜的多相故障，保護抑制變壓器涌流，出現(xiàn)故障時及時雙側(cè)跳閘。兩側(cè)裝置利用專用光纜通信線路通過保護數(shù)據(jù)接口來進行測量信息的交換，當通信故障時，能自診斷報警，并能將內(nèi)置的過電流定時限保護自動切換到緊急操作狀態(tài)，直到通信正常為止，過電流定時限保護也可以在任一端獨立且并行于差動保護操作。

2）保護整定。線路光差差動保護整定：差動啟動值Idiff>整定需要考慮被保護對象的穩(wěn)態(tài)的支路電流，長線路情況下的充電電流，一般差動啟動值Idiff >必須至少是計算充電電流的2～2.5 倍，而且不應(yīng)低于15%的運行額定電流，本項目整定為0.2Ie，時限0S，其中Ie為線路運行的額定電流。差動啟動值Idiff >歸算至一次值后在線路兩端的設(shè)置相等；為避開合閘時的線路充電電流及變壓器勵磁涌流，整定合閘時差動啟動值5.5Ie，合閘后閉鎖時間0.2S再切換到差動啟動值Idiff>；差動速斷啟動值Idiff>>整定為線路正常運行電流附近，取1.2Ie；線路末端含變壓器，整定線路二次諧波制動為15%，當涌流超過1.414*In/Uk（In為變壓器額定電流，Uk為變壓器阻抗電壓）時不設(shè)閉鎖。

2.4 接入變電站繼電保護改造

瓦斯電站接入北石溝風(fēng)機房變電站536開關(guān)柜，該接入變電站為杜兒坪礦扇風(fēng)機房和瓦斯抽放站負荷供電，瓦斯發(fā)電機組的調(diào)速及勵磁系統(tǒng)調(diào)整無法適應(yīng)扇風(fēng)機房及瓦斯抽排站較大的單機負荷變化，為確保礦井重要負荷的供電安全，用戶委托接入系統(tǒng)按以下主要安全原則設(shè)置：任何故障狀態(tài)優(yōu)先切除瓦斯電站，電站不設(shè)孤網(wǎng)運行模式；536開關(guān)設(shè)線路無壓合閘閉鎖；設(shè)線路光差主保護及電流電壓后備保護；風(fēng)機房變電所兩段進線無流連跳536（帶母聯(lián)判斷）；風(fēng)機房上一級變電所至風(fēng)機房聯(lián)絡(luò)開關(guān)跳閘通過光纖傳輸斷路器輔助觸點電平信號連跳536開關(guān)（帶母聯(lián)判斷）；因上級變電所至風(fēng)機房變電所聯(lián)絡(luò)開關(guān)有可能投入自動重合閘功能，但上級變電所原先設(shè)計未考慮下側(cè)為電源，無檢同期或檢無壓閉鎖，為防止電站投入后非同期重合，增加536開關(guān)合閘后斷開上級聯(lián)絡(luò)線重合閘回路的閉鎖。

根據(jù)上述原則對接入變電站進行繼電保護改造，主要包括：設(shè)置西門子7SD610線路光差保護；設(shè)置南瑞中德NSP788W線路后備保護；設(shè)置南瑞中德NSP788W實現(xiàn)風(fēng)機房變電站兩段進線檢無流跳536；設(shè)置光纖連跳裝置TF101K實現(xiàn)上級變電所至風(fēng)機房聯(lián)絡(luò)線開關(guān)跳閘連跳536。

3 結(jié)束語

杜兒坪瓦斯電站繼電保護系統(tǒng)引進了SIEMENS公司的微機綜保裝置，并整合到國產(chǎn)綜合自動化系統(tǒng)中，自投運以來運行良好，電站電氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保證了瓦斯電站的穩(wěn)定運行，也保護了礦井生產(chǎn)的電力供應(yīng)安全。SIEMENS微機綜保在抗干擾措施、算法靈活性、邏輯嚴謹性反方面值得深入地學(xué)習(xí)和探討，以便更好地指導(dǎo)我們今后更加合理地進行瓦斯電站保護配置方案的確定，更加準確地進行繼電保護整定的計算。

參考文獻

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