南京遠(yuǎn)能電力工程有限公司 馬 迎 裴有慧
為確保電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在正常運(yùn)行狀態(tài)下,必須對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)施繼電保護(hù)。在科學(xué)技術(shù)水平不斷提升背景下,推動(dòng)繼電保護(hù)自動(dòng)化、智能化是必然趨勢(shì),即要積極在電力系統(tǒng)內(nèi)引入繼電保護(hù)自動(dòng)化策略及技術(shù),并結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況展開持續(xù)性的優(yōu)化調(diào)整,實(shí)現(xiàn)與時(shí)俱進(jìn)。
應(yīng)用于電力系統(tǒng)內(nèi)的繼電保護(hù)裝置可細(xì)化為邏輯模塊、測(cè)量模塊及執(zhí)行模塊三部分,在實(shí)際運(yùn)行中輸入信號(hào)傳遞至測(cè)量模塊內(nèi),結(jié)合整定值形成“是”、“非”、“大于”等邏輯信號(hào),由此確定出是否需對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行啟動(dòng);信號(hào)傳遞至邏輯模塊,形成“或”、“與”、“否”、“延時(shí)啟動(dòng)”等邏輯回路,由此判斷出是否要進(jìn)行斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào);信號(hào)傳遞至執(zhí)行模塊后能根據(jù)之前形成的指令做出行動(dòng),并向電力系統(tǒng)其他功能單元發(fā)出控制指令。實(shí)踐中,一旦電力系統(tǒng)中發(fā)生故障所有異常物理量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒘?,如果異常物理量超出允許范圍,繼電保護(hù)裝置動(dòng)作,迅速對(duì)故障元件、故障線路實(shí)施隔離,防止對(duì)電力系統(tǒng)中其他正常運(yùn)行的元件或線路產(chǎn)生負(fù)面影響。
為確保繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的作用可在電力系統(tǒng)中得到最大程度發(fā)揮,需重點(diǎn)控制繼電保護(hù)裝置安裝質(zhì)量,為繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的作用發(fā)揮創(chuàng)造良好條件。在選定繼電保護(hù)裝置時(shí)應(yīng)著重關(guān)注兩項(xiàng)性能:速動(dòng)性。所選用的繼電保護(hù)裝置可在故障問題發(fā)生后第一時(shí)間做出反應(yīng),迅速、準(zhǔn)確定位故障線路或元件并落實(shí)切斷合理處理,促使故障問題被控制在較小范圍內(nèi),避免對(duì)電力系統(tǒng)引發(fā)更大負(fù)面影響。通常要確保繼電保護(hù)裝置一般快速保護(hù)時(shí)間在60~120毫秒的范圍內(nèi),最快保護(hù)時(shí)間可達(dá)到1~40毫秒;選擇性。所使用的繼電保護(hù)裝置僅能對(duì)故障線路、元件做出切斷與隔離處理,而不會(huì)對(duì)正常運(yùn)行的線路與元件進(jìn)行干預(yù),有效避免故障問題大范圍擴(kuò)展的同時(shí)維護(hù)電力系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。
為自適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展提供支持。通過在電力系統(tǒng)中引入繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù),能達(dá)到優(yōu)化電力系統(tǒng)工作狀態(tài)與流程的效果,促使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)的同時(shí)推動(dòng)自適應(yīng)技術(shù)的創(chuàng)新。此時(shí)電力系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生的故障問題能得到更為迅速、精準(zhǔn)的處理,促使電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間保持在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下;推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展空間的拓展。對(duì)繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)而言,其基礎(chǔ)為信息技術(shù),因此將繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中可達(dá)到促進(jìn)電力系統(tǒng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的效果,促進(jìn)對(duì)電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能升級(jí),也賦予電力控制系統(tǒng)以更多可能性;實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀來看,自動(dòng)化、智能化是電力系統(tǒng)甚至整個(gè)電力行業(yè)的主流發(fā)展趨勢(shì)。通過在電力系統(tǒng)中引入繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù),就能達(dá)到促進(jìn)電力系統(tǒng)向著智能化與自動(dòng)化方向發(fā)展的效果,自動(dòng)完成電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的提取、分析,準(zhǔn)確、迅速定位風(fēng)險(xiǎn)問題及故障,并實(shí)施第一時(shí)間的報(bào)警、保護(hù)與處理,保證電力系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間保持在穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下。
接地保護(hù)技術(shù)。在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)生接地故障問題相對(duì)常見,通過引入繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù),能參考不同接地故障類型實(shí)施針對(duì)性處理與保護(hù)的效果。如,在電力系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常情況且產(chǎn)生零電壓背景下極易引發(fā)大面積斷電問題。而通過應(yīng)用繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)零序電壓的預(yù)警保護(hù),即便發(fā)生上述故障也能讓電力系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)保持在穩(wěn)定運(yùn)行下,同時(shí)完成故障區(qū)域的迅速定位、故障區(qū)及其附近區(qū)域的電壓檢測(cè),第一時(shí)間向管理人員、控制中心發(fā)送故障信息及警報(bào),為迅速形成有效的故障處理方案提供支持,以此達(dá)到維護(hù)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定水平的效果。
差動(dòng)保護(hù)。主要參考“電路中流入節(jié)點(diǎn)電流的總和等于零”原理形成,將受到保護(hù)的設(shè)備元件視為一個(gè)節(jié)點(diǎn),在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下,流入被保護(hù)設(shè)備元件中的電流及流出的電流始終穩(wěn)定在相等水平,此時(shí)差動(dòng)電流為零;而一旦被保護(hù)設(shè)備元件發(fā)生故障或出現(xiàn)運(yùn)行異常情況,則流入被保護(hù)設(shè)備元件中的電流及流出電流間存在差異,此時(shí)差動(dòng)電流高于零。一旦差動(dòng)電流的大小超出差動(dòng)保護(hù)裝置的整定值時(shí),上位機(jī)會(huì)立即發(fā)出動(dòng)作信號(hào),控制被保護(hù)設(shè)備元件的配套斷路器斷開,達(dá)到切斷隔離故障設(shè)備元件的效果。此時(shí)能將故障問題穩(wěn)定在較小范圍內(nèi),避免對(duì)電力系統(tǒng)造成更大負(fù)面影響。對(duì)于差動(dòng)保護(hù)來說,其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且具有更強(qiáng)的靈敏性、選擇性,實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的故障切斷隔離,整個(gè)保護(hù)啟動(dòng)過程的獨(dú)立性也相對(duì)較更高,確保相關(guān)工作人員可在故障問題大范圍傳播擴(kuò)散前完成有效、針對(duì)性處理。
熔斷器保護(hù)。通過在電力系統(tǒng)中加設(shè)熔斷器,能在電流超出預(yù)設(shè)規(guī)定條件下產(chǎn)生大量熱量促使熔體熔斷,以此達(dá)到斷開相應(yīng)故障電路的效果,完成對(duì)電力系統(tǒng)的保護(hù)。在當(dāng)前電路系統(tǒng)中,常用熔斷器類型包括插入式熔斷器、螺旋式熔斷器及封閉式熔斷器等,根據(jù)電流與電壓等級(jí)的不同所應(yīng)用的熔斷器類型也存在較大差異:對(duì)380V及以下電壓等級(jí)的線路末端,在進(jìn)行配電支線或電氣設(shè)備短路保護(hù)中更適合選用插入式熔斷器,方便后續(xù)維護(hù)以及更換;對(duì)電壓等級(jí)500V及其以下、電流等級(jí)200A以下的電路,在進(jìn)行短路保護(hù)過程中更加適合選用封閉式熔斷器,以此獲取更大的分?jǐn)嚯娏鳎粚?duì)電壓等級(jí)500V以下、電流等級(jí)600A以下的電力網(wǎng)或配電設(shè)備,不需更高分?jǐn)嗄芰?,更適用于使用無(wú)填料封閉式熔斷器;對(duì)電壓等級(jí)500V以下、電流等級(jí)1kA以下的電路,需較高分?jǐn)嗄芰?,更適用于使用有填料封閉式熔斷器。
變壓器繼電自動(dòng)保護(hù)。在繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的支持下,電力系統(tǒng)中的變壓器能得到更為理想、全面的保護(hù),并實(shí)現(xiàn)變壓器保護(hù)的自動(dòng)化。在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中,繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用對(duì)變壓器的保護(hù)作用主要體現(xiàn):變壓器接地保護(hù)。通過在電力系統(tǒng)中應(yīng)用繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)可完成對(duì)短路故障的實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè),并結(jié)合對(duì)變壓器兩側(cè)電流與電壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取及分析,達(dá)到落實(shí)零序電壓接地保護(hù)的效果;變壓器線路的短路保護(hù)。充分發(fā)揮出阻抗元件的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電,或是在變壓器配套時(shí)間元件、電流保護(hù)裝置的支持下推動(dòng)變壓器的正常運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)度增加,同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化斷電,有效規(guī)避短路故障時(shí)電流過高問題所帶來的負(fù)面影響;變壓器油箱的故障監(jiān)控。繼電自動(dòng)化保護(hù)裝置可對(duì)變壓器運(yùn)行過程中油箱中的油、絕緣材質(zhì)分解后所生成的氣體成分實(shí)施分析,在此基礎(chǔ)上確定出變壓器油箱是否存在異?,F(xiàn)象。一旦發(fā)現(xiàn)故障問題或是運(yùn)行異常情況,則能立即落實(shí)線路的自動(dòng)化切斷,防止故障影響擴(kuò)大。
發(fā)電機(jī)自動(dòng)化保護(hù)。對(duì)于發(fā)電機(jī)來說,一旦其發(fā)生故障,所產(chǎn)生的異?,F(xiàn)象更加明顯,也會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響,容易發(fā)生電量輸出平衡穩(wěn)定性大幅下降問題?;谶@樣的情況,必須重點(diǎn)落實(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù),特別是要對(duì)發(fā)電機(jī)中的定子組匝實(shí)施保護(hù)。實(shí)踐中需將繼電自動(dòng)化保護(hù)裝置加設(shè)于定子繞組內(nèi),也可在電動(dòng)機(jī)單相接地的條件下結(jié)合電流與相位的中心點(diǎn)完成對(duì)發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)操作。在繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的支持下,對(duì)發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)成為現(xiàn)實(shí),一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)生溫度異常變化等問題時(shí)能第一時(shí)間展開異?,F(xiàn)象的分析及診斷,在判定發(fā)電機(jī)存在短路故障后繼電自動(dòng)化保護(hù)裝置可迅速完成跳閘,防止由于發(fā)電機(jī)溫度持續(xù)上升而引發(fā)的更大負(fù)面影響,降低絕緣層被破壞的問題發(fā)生概率,由此達(dá)到保護(hù)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性的效果。
網(wǎng)絡(luò)母線保護(hù)。基于繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的母線保護(hù)可細(xì)化為兩種保護(hù)形式,即差動(dòng)保護(hù)與相位比較保護(hù)。其中差動(dòng)保護(hù)在前文已有說明不再贅述。對(duì)于相位比較保護(hù),其主要利用母聯(lián)開關(guān)流過的電流與差動(dòng)回路中的總差電流進(jìn)行比較,將所有支路的二次電流回路固定連接在一起,這一總的電流與母聯(lián)的二次電流方向進(jìn)行比較,也就是差動(dòng)回路的電流是反應(yīng)母線故障(Ⅰ或Ⅱ)的總電流,如果存在Ⅰ母故障則通過母聯(lián)電流方向是由Ⅱ母流向Ⅰ母;如果存在Ⅱ母故障則通過母聯(lián)電流方向是由Ⅰ母流向Ⅱ母,相位變化180°,而差動(dòng)回路中的電流相位不變,因此可選擇出故障母線[1]。
電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)。輸變電電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中的重要組成部分,其運(yùn)行安全穩(wěn)定性直接關(guān)系著電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定水平,因此須對(duì)其落實(shí)重點(diǎn)保護(hù)。實(shí)踐中,通過在輸變電電網(wǎng)構(gòu)建及運(yùn)行中應(yīng)用繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù),能達(dá)到規(guī)避電氣故障產(chǎn)生的效果,促使電網(wǎng)、整個(gè)電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間維持在穩(wěn)定運(yùn)行水平下。在選用繼電自動(dòng)化保護(hù)裝置過程中,須重點(diǎn)參考電網(wǎng)所在區(qū)域的現(xiàn)實(shí)條件、氣候條件、電磁干擾情況等,確保繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到最大程度發(fā)揮。
出于對(duì)提升繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用成效的考量,應(yīng)積極融合計(jì)算機(jī)技術(shù),在互聯(lián)網(wǎng)的支持下推動(dòng)測(cè)量、保護(hù)、控制、數(shù)據(jù)信息在電力系統(tǒng)內(nèi)集成,由此轉(zhuǎn)入一體化的狀態(tài),促使電力系統(tǒng)內(nèi)所有信息與裝置均保持統(tǒng)一。依托測(cè)量、保護(hù)、控制、數(shù)據(jù)信息一體化的實(shí)現(xiàn),電力系統(tǒng)中所有保護(hù)裝置的保護(hù)功能可得到進(jìn)一步完善,由此賦予電力系統(tǒng)更多樣的性能。實(shí)踐中,須及時(shí)完成對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行中各種測(cè)量數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、保護(hù)數(shù)據(jù)、控制參數(shù)等的提取與分析,保證在發(fā)生故障后實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間的故障識(shí)別、分析以及定位,提升繼電保護(hù)的展開速度。同時(shí),通過融合計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電保護(hù)自動(dòng)化技術(shù),不僅所有電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)能得到統(tǒng)一性管理,故障識(shí)別與分析處理過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息也能直接保存至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi),為后續(xù)繼電保護(hù)動(dòng)作的展開提供參考。
為更好滿足用電需求,電力系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)趨勢(shì),線路、設(shè)備的配置數(shù)量及種類增加,原有繼電保護(hù)裝置配置已無(wú)法滿足電力系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)需求,難以保證對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性的維護(hù)達(dá)到理想水平。基于此需在電力系統(tǒng)中配置多個(gè)繼電保護(hù)裝置,并持續(xù)強(qiáng)化各個(gè)保護(hù)裝置間的數(shù)據(jù)交換及聯(lián)系,而這需網(wǎng)絡(luò)的支持。換言之,要搭建起電力系統(tǒng)繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò),促使電力系統(tǒng)中所配置的所有繼電保護(hù)設(shè)備構(gòu)成一個(gè)整體,共同完成對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的維護(hù)[2]。
同時(shí),網(wǎng)絡(luò)化連接也是構(gòu)建自動(dòng)化繼電保護(hù)系統(tǒng)的重要內(nèi)容,促使本地電站中的保護(hù)客戶機(jī)與遠(yuǎn)端主站實(shí)現(xiàn)連接。在網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的支持下信息共享成為現(xiàn)實(shí),能在整個(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)中分享電站、線路的運(yùn)行數(shù)據(jù)。此時(shí)即使一臺(tái)機(jī)電保護(hù)裝置發(fā)生故障或無(wú)法應(yīng)用,繼電保護(hù)系統(tǒng)中的其他裝置也能達(dá)到替代故障繼電保護(hù)裝置運(yùn)行的效果,及時(shí)切斷隔離電力系統(tǒng)中發(fā)生故障或運(yùn)行異常的元件、線路,提升了繼電保護(hù)功能的可靠性。
為確保電力系統(tǒng)繼電保護(hù)自動(dòng)化性能得到最大程度發(fā)揮,降低繼電保護(hù)故障問題發(fā)生概率,須對(duì)繼電保護(hù)策略實(shí)施著重的優(yōu)化改進(jìn),維護(hù)繼電保護(hù)設(shè)備的可靠性、靈敏性、速動(dòng)性以及選擇性。
對(duì)現(xiàn)行繼電保護(hù)原理進(jìn)行改進(jìn)與完善,重點(diǎn)提升其保護(hù)性能及適應(yīng)能力。針對(duì)差動(dòng)保護(hù)可使用“制動(dòng)量?jī)?yōu)化+高阻故障精準(zhǔn)選相”方式完成優(yōu)化改進(jìn),針對(duì)距離保護(hù)可使用控制過負(fù)荷誤動(dòng)發(fā)生概率的方式完成優(yōu)化改進(jìn),針對(duì)啟動(dòng)速度可通過設(shè)置“一點(diǎn)啟動(dòng)”功能模塊達(dá)到優(yōu)化改進(jìn)的效果:差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)量化。在調(diào)整制動(dòng)電流過程中,參考線路兩側(cè)電流增幅關(guān)系實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的、自動(dòng)化的調(diào)節(jié),推動(dòng)短路電流識(shí)別能力的最小值由原有1000安培提升至300安培,促使在短路電流受限條件下線路保護(hù)的故障識(shí)別能力呈現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢(shì);線路單向高阻故障精準(zhǔn)選相方法。充分發(fā)揮負(fù)荷序差動(dòng)電流幅值作用,結(jié)合相位特征達(dá)到迅速使被單向接地故障相的效果,促使故障相的識(shí)別準(zhǔn)確率提升至100%。此時(shí)故障隔離時(shí)長(zhǎng)由原有5個(gè)周波縮減至2個(gè)周波,有效降低了因單向故障而引發(fā)的線路三相跳閘問題發(fā)生概率;故障一點(diǎn)啟動(dòng)算法。對(duì)現(xiàn)有一相多點(diǎn)啟動(dòng)算法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,充分應(yīng)用三相電流所具備的對(duì)稱性特征,依托三相同一時(shí)刻電流采樣值達(dá)到提取故障突變量特征的提取,實(shí)現(xiàn)在發(fā)生故障后第一點(diǎn)采樣值保護(hù)迅速進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài),促使故障后的一點(diǎn)啟動(dòng)成為現(xiàn)實(shí)。
積極展開原理及技術(shù)的創(chuàng)新研究,逐步形成全新的、性能優(yōu)良的保護(hù)算法:基于電壓平面的距離保護(hù)應(yīng)對(duì)過負(fù)荷的技術(shù)。在電壓余弦分量的支持下達(dá)到對(duì)過負(fù)荷、相間故障準(zhǔn)確識(shí)別的效果,結(jié)合相-序補(bǔ)償電壓相位關(guān)系對(duì)過負(fù)荷、相間故障進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別,通過這樣的方式能更為精準(zhǔn)的區(qū)別過負(fù)荷與線路故障問題,有效解決距離保護(hù)誤動(dòng)問題;基于線路固有參數(shù)交流的線路低容抗保護(hù)。低容抗保護(hù)的動(dòng)作性能穩(wěn)定性更強(qiáng),可精準(zhǔn)識(shí)別1000歐姆的過渡電阻,能準(zhǔn)確完成故障相的識(shí)別。金屬性故障動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定在1.67毫秒,相比與現(xiàn)有輸電線路保護(hù)的不低于10毫秒有著更明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
綜上,在當(dāng)前的電力系統(tǒng)運(yùn)行及保護(hù)工作中,推動(dòng)繼電保護(hù)自動(dòng)化、智能化是必然趨勢(shì),要積極在電力系統(tǒng)內(nèi)引入繼電保護(hù)自動(dòng)化策略及技術(shù)。通過在發(fā)電機(jī)、變壓器、母線等的保護(hù)中應(yīng)用接地保護(hù)技術(shù)、差動(dòng)保護(hù)、熔斷器保護(hù)等繼電自動(dòng)化保護(hù)技術(shù),提升了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。