楊長(zhǎng)存

(淮浙煤電有限責(zé)任公司鳳臺(tái)發(fā)電分公司，安徽 淮南 232131)

0 引言

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，技術(shù)人員往往是根據(jù)保護(hù)裝置所報(bào)故障類型去尋找故障點(diǎn)。如若故障點(diǎn)較隱蔽，則很難發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，導(dǎo)致工作效率降低，故障處理延誤甚至有可能引發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，系統(tǒng)解列事故。

某大型煤電一體化項(xiàng)目采用4×660 MW 燃煤機(jī)組，其廠用電系統(tǒng)故障類型主要有單相接地故障、相間短路故障，而兩相短路接地、三相短路故障大多為轉(zhuǎn)移性故障，較少出現(xiàn)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，故障點(diǎn)主要集中在外圍設(shè)備上，這些地方由于維護(hù)質(zhì)量及地理位置的特殊性，有可能會(huì)發(fā)生上述故障，且由于線路距離較長(zhǎng)，查找故障點(diǎn)較困難，故障處理效率較低。

以廠內(nèi)光伏電站為例，光伏并網(wǎng)出線要接至數(shù)公里遠(yuǎn)的變電站，當(dāng)該電纜發(fā)生絕緣問題引起的故障時(shí)，傳統(tǒng)的中壓保護(hù)如差動(dòng)保護(hù)、過流保護(hù)雖然能準(zhǔn)確地判斷出故障相別，但不能判斷出故障點(diǎn)的大致區(qū)位。查找故障點(diǎn)較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，加上處理電纜的時(shí)間，總共往往需要一天的時(shí)間，影響了光伏電站的功率輸出。同理，在發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中也存在類似的問題，如循環(huán)水泵房、補(bǔ)給水泵房、輔助廠房、脫硫小室等，距離其主廠房?jī)?nèi)電源開關(guān)距離較遠(yuǎn)，這些設(shè)備的動(dòng)力電纜如果存在故障的話，要查找故障點(diǎn)極其不容易，影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

傳統(tǒng)的中壓開關(guān)保護(hù)即便是配備了帶測(cè)距功能，由于廠內(nèi)電纜對(duì)地電容電流較大且呈現(xiàn)多分散性的問題而無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障位置的準(zhǔn)確判斷。

1 鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)介紹

針對(duì)發(fā)電廠中壓系統(tǒng)提出一種鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)，該保護(hù)具備故障點(diǎn)位置區(qū)間的判斷以及聲光報(bào)警功能，可縮短檢修維護(hù)人員處理故障的時(shí)間，保障機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)采用了多段式差動(dòng)保護(hù)原理，實(shí)現(xiàn)大區(qū)差動(dòng)和小區(qū)差動(dòng)，大區(qū)判斷故障，小區(qū)判斷范圍，兩者同時(shí)動(dòng)作時(shí)差動(dòng)保護(hù)跳閘，并發(fā)出故障區(qū)間范圍報(bào)文。由于該差動(dòng)保護(hù)不受電纜對(duì)地電容電流的影響，故靈敏度較高。該鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)具備以下特點(diǎn)：

(1) 故障時(shí)通過大區(qū)差動(dòng)加小區(qū)差動(dòng)的方式能夠準(zhǔn)確獲取故障點(diǎn)范圍。

(2) 故障時(shí)能夠通過保護(hù)裝置輸出光信號(hào)驅(qū)動(dòng)就地電流采集器上的聲光報(bào)警，便于維護(hù)人員查找故障點(diǎn)。

(3) 采用大區(qū)差動(dòng)加小區(qū)差動(dòng)實(shí)現(xiàn)的多段式差動(dòng)保護(hù)，能夠有效避免人為誤操作或者裝置本身故障引起的保護(hù)裝置誤動(dòng)作，提高保護(hù)裝置運(yùn)行的可靠性。

2 鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)實(shí)施方式

2.1 鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)主要元器件

鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)由鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)裝置、電流信號(hào)采集裝置、電流互感器、特制CT 取能線圈、大容量鋰電池組、太陽(yáng)能電池板以及相關(guān)附屬設(shè)備構(gòu)成。

鏈?zhǔn)奖Ｗo(hù)裝置具備接收模擬量信號(hào)、電流光信號(hào)輸入口，電源側(cè)電流互感器CT1 二次電流采用電纜接線方式接入到保護(hù)裝置，輸電線路及系統(tǒng)側(cè)電流互感器CT2 ～CT4 二次電流由電流采集終端進(jìn)行采集，并輸出光信號(hào)至差動(dòng)保護(hù)電流采集終端。電流采集裝置采用低功耗設(shè)備，且輸入電源為寬幅電源。通信方式為異步通信，光纖接頭方式采用FC 型，光纖類型采用單模，傳輸速率為150 kbit/s。

CT2，CT3 二次電流采集終端配套的電流互感器以及CT 取能線圈均采用開口式設(shè)計(jì)，方便現(xiàn)場(chǎng)的安裝。由于電纜較長(zhǎng)，一般會(huì)存在多個(gè)電纜接頭，且在運(yùn)行環(huán)境較差的接頭位置會(huì)加裝配電箱，箱子里面可以直接看到A，B，C 三相電纜。所以，電流信號(hào)采集裝置及其配套設(shè)備可安裝在電纜接頭配電箱內(nèi)，只需選擇好合適的安裝位置即可。

2.2 鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)CT 二次電流采集終端電源選取

CT2，CT3 差動(dòng)保護(hù)電流采集終端由于距離電源端較遠(yuǎn)，就地?zé)o固定電源可取。本項(xiàng)目提出使用CT 取能線圈和蓄電池相結(jié)合的方式給CT 采集裝置供電。通過特制CT 取能線圈從一次回路上感應(yīng)交流電壓，然后經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)后輸出能量，該CT 取能線圈鐵芯采用飽和磁導(dǎo)率高的無(wú)取向硅鋼片制成，同時(shí)具備一定的空氣氣隙，鐵芯的損耗較小且磁阻較高，可以使鐵芯線圈在一次回路電流較大時(shí)不會(huì)過早地進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此可以為差動(dòng)電流采集裝置輸入穩(wěn)定可靠的5 V 直流電源。通過多次的試驗(yàn)證明匝數(shù)在300 匝為最佳，此匝數(shù)可以在一次回路電流為30～10 000 A 范圍內(nèi)為負(fù)載提供穩(wěn)定的5 V 的輸出電壓，滿足實(shí)際的供能要求。當(dāng)CT 取能線圈二次側(cè)感應(yīng)到的電壓過大時(shí)，由配備的過壓保護(hù)繼電器切至旁路運(yùn)行，該旁路由大容量的鋰電池組成，作為備用。正常狀態(tài)時(shí)鋰電池通過太陽(yáng)能電池板進(jìn)行充電，電池組處于浮充狀態(tài)。當(dāng)取能線圈輸出電壓異常時(shí)，會(huì)自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切至蓄電池供電，整流器交流側(cè)電壓監(jiān)視繼電器動(dòng)作，經(jīng)過一定的延時(shí)后將繼電器動(dòng)作信號(hào)開入電流信號(hào)采集裝置，差動(dòng)保護(hù)裝置會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)信號(hào)采集裝置異常報(bào)警信號(hào)。如果電流信號(hào)采集裝置失電或者電流信號(hào)采集裝置本身故障引起通信異常，差動(dòng)保護(hù)裝置則發(fā)出通信異常告警，并自動(dòng)退出小差，保留大差保護(hù)功能。正常運(yùn)行時(shí)，取能線圈的輸出電壓略高于蓄電池。CT4 差動(dòng)保護(hù)采集終端的電源采用常規(guī)直流110 V 設(shè)備。鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)電源切換如圖1 所示。

圖1 鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)電源切換

2.3 保護(hù)邏輯說明

鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)邏輯如圖2 所示。

圖2 鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)邏輯

(1) CT1，CT4 輸入至大區(qū)差動(dòng)模塊，構(gòu)成大區(qū)差動(dòng)判別元件；CT1，CT2 輸入至小區(qū)差動(dòng)模塊1，構(gòu)成小區(qū)差動(dòng)判別元件1；CT2，CT3 輸入至小區(qū)差動(dòng)模塊2，構(gòu)成小區(qū)差動(dòng)判別元件2；CT3，CT4 輸入至小區(qū)差動(dòng)模塊3，構(gòu)成小區(qū)差動(dòng)判別元件3。

(2) 當(dāng)大區(qū)差動(dòng)保護(hù)元件動(dòng)作同時(shí)小區(qū)差動(dòng)判別元件1 動(dòng)作時(shí)，出口跳兩側(cè)開關(guān)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)文為：“鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)動(dòng)作”“差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作區(qū)間12”，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流采集終端2 的聲光報(bào)警。

(3) 當(dāng)大區(qū)差動(dòng)保護(hù)元件動(dòng)作同時(shí)小區(qū)差動(dòng)判別元件2 動(dòng)作時(shí)，出口跳兩側(cè)開關(guān)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)文為：“鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)動(dòng)作”“差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作區(qū)間23”，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流采集終端2、電流采集終端3的聲光報(bào)警。

(4) 當(dāng)大區(qū)差動(dòng)保護(hù)元件動(dòng)作同時(shí)小區(qū)差動(dòng)判別元件3 動(dòng)作時(shí)，出口跳兩側(cè)開關(guān)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)文為：“鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)動(dòng)作”“差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作區(qū)間34”，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流采集終端3、電流采集終端4的聲光報(bào)警。

(5) 當(dāng)小區(qū)差動(dòng)判別元件1，2，3 其中之一動(dòng)作而大區(qū)差動(dòng)判別元件未動(dòng)作時(shí)，發(fā)出鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)異常報(bào)警信號(hào)。同理，當(dāng)小區(qū)差動(dòng)判別元件1，2，3 均不動(dòng)作而大區(qū)差動(dòng)判別元件動(dòng)作時(shí)，發(fā)出鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)異常報(bào)警信號(hào)。

(6) 當(dāng)鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)功能壓板退出時(shí)，鏈?zhǔn)讲顒?dòng)切換成普通差動(dòng)保護(hù)，當(dāng)大區(qū)差動(dòng)判別元件動(dòng)作時(shí)即發(fā)出跳閘信號(hào)。

(7) CT1，CT4 構(gòu)成的大區(qū)差動(dòng)保護(hù)判別元件配置高比率制動(dòng)系數(shù)，如取0.5；其余CT 構(gòu)成的小區(qū)差動(dòng)保護(hù)判別元件配置低比率制動(dòng)系數(shù)，如取0.3。

(8) 該鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)具備CT 斷線閉鎖功能，可由保護(hù)控制字進(jìn)行投退，當(dāng)該功能退出時(shí)，不判斷CT1 至CT4 的二次回路斷線，滿足差動(dòng)動(dòng)作條件即可出口。

3 應(yīng)用前景

以該廠光伏電站并網(wǎng)出線為例，該并網(wǎng)出線采用電纜敷設(shè)方式送至附近變電站，整個(gè)電纜長(zhǎng)度約5 km，途經(jīng)省道、工業(yè)區(qū)、居民區(qū)，在該路段經(jīng)常發(fā)生由于施工問題導(dǎo)致電纜絕緣破損引起的故障以及自身電纜絕緣降低引起發(fā)的故障。檢修維護(hù)人員以前一般采取以下兩種方式查找故障點(diǎn)。

(1) 采用巡線的方式查找故障點(diǎn)。該方法較為傳統(tǒng)，需要檢修維護(hù)人員從并網(wǎng)出線電纜的一端向另一端逐步查找，如果故障點(diǎn)較為隱蔽的話，查找起來較為困難。

(2) 采用故障點(diǎn)測(cè)試儀查找故障點(diǎn)。由于該故障測(cè)試儀使用的是外加高電壓的方式進(jìn)行檢查，進(jìn)一步惡化了電纜的絕緣性能，且架設(shè)儀器較為費(fèi)事費(fèi)力，往往起到事倍功半的效果。

在該廠光伏電站并網(wǎng)出線采用此鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)，能夠迅速準(zhǔn)確地判斷出電纜相間故障點(diǎn)的大致區(qū)位，且該保護(hù)配備電纜故障區(qū)間聲光報(bào)警功能，可極大地方便維護(hù)人員對(duì)故障點(diǎn)的排查，提高消缺工作的效率，保障光伏電站的功率輸出。由于該鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)采用的是雙判據(jù)，即“大區(qū)”加“小區(qū)”的方式，能夠有效地避免檢修維護(hù)人員在日常維護(hù)保養(yǎng)過程中誤操作造成的繼電保護(hù)事故以及差動(dòng)保護(hù)模塊故障引起的保護(hù)誤出口。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的發(fā)電廠中壓開關(guān)保護(hù)雖然能判斷出故障相別，但不具備故障測(cè)距功能，無(wú)法判斷出故障點(diǎn)的大致位置所在。以上介紹的一種鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)，當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，此保護(hù)裝置能夠準(zhǔn)確獲取故障點(diǎn)范圍，并通過保護(hù)裝置輸出光信號(hào)驅(qū)動(dòng)就地電流采集器上的聲光報(bào)警，便于維護(hù)人員查找故障點(diǎn)，縮短消缺的時(shí)間。由于其采用大區(qū)差動(dòng)加小區(qū)差動(dòng)實(shí)現(xiàn)的多段式差動(dòng)保護(hù)原理，能夠有效避免人為誤操作或者裝置本身故障引起的保護(hù)裝置誤動(dòng)作，提高保護(hù)裝置運(yùn)行的可靠性。

此鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)解決了輸電線路或電纜CT 二次電流采集終端電源供電問題，通過采用特制的CT 取能線圈和高性能鋰電池兩者結(jié)合給采集器終端進(jìn)行供電。正常運(yùn)行時(shí)采用CT 取能線圈供電，電池組由太陽(yáng)能電池板進(jìn)行充電，當(dāng)CT 取能線圈輸出電壓異常時(shí)，通過切換裝置切至電池組進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)供電，保障CT 二次輸出電流的穩(wěn)定性。因此，此鏈?zhǔn)讲顒?dòng)保護(hù)可供同類型電廠借鑒。