孫健杰,袁明哲,殷攀程,張 治,陳 翔

(1. 國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司,四川 成都 610041;2. 國家電網(wǎng)有限公司西南分部,四川 成都 610041)

0 引 言

中國500 kV及以上的超(特)高壓輸電線路,距離一般長達(dá)數(shù)百公里甚至上千公里,線路容性充電功率較大,通常采取在線路首末端裝設(shè)并聯(lián)電抗器以解決無功平衡和過電壓問題[1-2]。

現(xiàn)階段城市供電逐漸向電纜化方向發(fā)展,由于電纜対地電容較大且遷改線路較長,也會導(dǎo)致線路充電功率過大的情況[3]。因此,目前有較多220 kV變電站同樣需要設(shè)置并聯(lián)電抗器對容性充電功率進(jìn)行就地消納,防止無功串行和影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行[4-6]。

目前,220 kV線路加裝并聯(lián)電抗器工程在國內(nèi)的實(shí)例較少,工程實(shí)踐應(yīng)用缺乏典型經(jīng)驗(yàn)可循。一方面,在220 kV及以下電網(wǎng)中,因容性無功功率相對較少,未在高壓側(cè)配置感性無功補(bǔ)償裝置,因此,220 kV并聯(lián)電抗器目前并無通用設(shè)計(jì)和典型設(shè)計(jì)參考;另一方面,雖然500 kV高壓電抗器應(yīng)用已然成熟,但由于其接線方式和一、二次設(shè)備配置與220 kV差別甚大,經(jīng)驗(yàn)不具備借鑒性[7]。

基于上述現(xiàn)狀,下面將以工程實(shí)踐應(yīng)用為切入點(diǎn),詳細(xì)介紹了220 kV線路高壓電抗器擴(kuò)建過程中的工程設(shè)計(jì)原則、技術(shù)要點(diǎn)及運(yùn)行典型經(jīng)驗(yàn)等,并對工程技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

1 工程設(shè)計(jì)原則

現(xiàn)國內(nèi)220 kV及以下變電站加裝高壓并聯(lián)電抗器多參照330 kV及以上高壓并聯(lián)電抗器加裝方式,具體設(shè)計(jì)原則應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)地勘察和變電站實(shí)際情況確定[8-9]。

1.1 電氣主接線方式

高壓電抗器加裝于線路側(cè),一般采用引下線“T”接方式并入,與間隔共用出線側(cè)避雷器,不改變電氣主接線方式,其主接線如圖1所示。

圖1 線路并聯(lián)高壓電抗器主接線

1.2 主要設(shè)備選擇

220 kV及以上電壓等級的并聯(lián)電抗器絕大多數(shù)采用油浸式鐵芯電抗器。為了避免與線路電容形成并聯(lián)諧振,合理選擇電抗器的容量十分重要。

在設(shè)計(jì)并聯(lián)電抗器的容量時(shí),除了要考慮限制工頻過電壓外,還涉及到系統(tǒng)的穩(wěn)定、無功功率平衡、自激電壓和諧振等問題。因此電抗器的容量選擇與安裝方式要根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及運(yùn)行情況等因素確定方案。

表1所示為單位線路長度下,電抗器容量在不同充電功率下的合理選擇范圍。其中,220 kV電壓等級電抗器一般按三相設(shè)計(jì),330 kV及以上電壓等級電抗器由于容量較大,大多數(shù)按單相設(shè)計(jì)[9]。

表1 單位線路長度容性充電功率和合理容量

1.3 二次系統(tǒng)配置

220 kV并聯(lián)電抗器配置雙重化的主、后備保護(hù)一體電抗器電氣量保護(hù)和一套非電量保護(hù)。相應(yīng)220 kV線路兩側(cè)斷路器的雙套線路保護(hù)均應(yīng)配置集成過電壓保護(hù)功能的裝置,具體配置情況見表2。

表2 220 kV高壓電抗器保護(hù)及相應(yīng)線路保護(hù)配置

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 相關(guān)保護(hù)配置不合理

2.1.1 存在問題

在某220 kV線路高壓電抗器擴(kuò)建工程前期,高壓電抗器的電量保護(hù)及非電量保護(hù)采用通過啟動對應(yīng)線路保護(hù)的遠(yuǎn)跳回路實(shí)現(xiàn)跳對側(cè)斷路器的設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)高壓電抗器保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)跳命令跳對側(cè)斷路器時(shí),需經(jīng)對側(cè)斷路器就地判據(jù),滿足就地判據(jù)后方可跳閘。就地判據(jù)就是保護(hù)裝置啟動即可跳閘,裝置啟動的判據(jù)是零序電流和電流變化量達(dá)到整定定值。在現(xiàn)有保護(hù)配置下,此方案存在以下問題:

1)在高壓電抗器發(fā)生輕微故障或者高阻接地時(shí),對側(cè)就地判據(jù)并不能可靠啟動或?qū)?cè)斷路器拒動,導(dǎo)致高壓電抗器故障時(shí)不能快速脫離電源點(diǎn),可能造成電網(wǎng)故障擴(kuò)大或者設(shè)備損壞;

2)高壓電抗器電量保護(hù)啟動采用啟動線路保護(hù)遠(yuǎn)跳方式跳對側(cè)斷路器時(shí),不能區(qū)分是否啟動對側(cè)母線失靈回路,將造成對側(cè)母線保護(hù)拒動或者誤動的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 解決方案

220 kV線路兩側(cè)斷路器的雙套線路保護(hù)均改造為集成過電壓保護(hù)功能的裝置。

集成過電壓功能的線路保護(hù)遠(yuǎn)方跳閘就地判據(jù)一般有7個(gè)判據(jù),即電流變化量、零負(fù)序電流、零負(fù)序電壓、低電流、低功率因數(shù)、低有功功率等。各個(gè)判據(jù)均可由整定方式字決定其是否投入,任何一個(gè)判據(jù)滿足時(shí)均可啟動跳閘出口,更好地保證對側(cè)斷路器不會拒動[11]。

2.2 完善高壓電抗器保護(hù)解母線保護(hù)復(fù)壓功能

2.2.1 存在問題

常規(guī)220 kV線路保護(hù)不需要接入母線保護(hù)的失靈解復(fù)壓回路。通常認(rèn)為線路故障即使可能經(jīng)高阻接地,母線電壓依然會有較明顯的變化,完全可以達(dá)到失靈保護(hù)的復(fù)壓開放條件。當(dāng)線路并接高壓電抗器后,情況則有所不同。

高壓電抗器作為一種特殊變壓器,屬于高阻元件,其鐵芯繞組阻抗極高。當(dāng)電抗器末端故障時(shí),首端的線路電壓及母線電壓可能變化不明顯,不足以達(dá)到失靈保護(hù)電壓開放的條件。同理于變壓器低壓側(cè)故障時(shí)高壓側(cè)電壓變化不明顯的情況[12]。

在這種情況下,高壓電抗器故障且斷路器失靈時(shí)可能出現(xiàn)失靈保護(hù)拒動的情況,進(jìn)而造成事故擴(kuò)大或者設(shè)備損壞。

2.2.2 解決方案

將高壓電抗器保護(hù)的一組啟動失靈備用接點(diǎn)開出至母線保護(hù)的線路失靈解閉鎖開入中,增加高壓電抗器保護(hù)至母線失靈保護(hù)的解復(fù)壓回路,實(shí)現(xiàn)高壓電抗器保護(hù)動作同時(shí)啟動失靈、解復(fù)壓的一并開出。圖2為某220 kV線路高壓電抗器保護(hù)解復(fù)壓回路。

圖2 某220 kV線路高壓電抗器保護(hù)解復(fù)壓回路

2.3 線路保護(hù)

2.3.1 存在問題

在線路輕載運(yùn)行時(shí),可能因?yàn)殚L線路的電容效應(yīng)導(dǎo)致線路末端產(chǎn)生過電壓,此時(shí)需要線路保護(hù)的過電壓保護(hù)功能切除線路兩側(cè)斷路器。

1)當(dāng)線路正常運(yùn)行時(shí),線路電壓與母線電壓相同,故保護(hù)取母線或線路二次電壓均不影響過電壓保護(hù)正常動作。

2)當(dāng)線路本側(cè)斷路器熱備用或冷備用,同時(shí)對側(cè)斷路器向線路充電時(shí),線路電壓與母線電壓則存在差異。一旦線路出現(xiàn)過電壓的情況,母線電壓依然穩(wěn)定不變,導(dǎo)致線路過電壓時(shí)線路保護(hù)拒動的可能。

2.3.2 解決方案

線路過電壓保護(hù)功能須采集線路側(cè)電壓才能正確判斷出線路過電壓狀態(tài),繼而切除線路兩側(cè)斷路器。

2.4 高壓電抗器保護(hù)遠(yuǎn)跳功能實(shí)現(xiàn)方式

2.4.1 存在問題

220 kV線路保護(hù)通過遠(yuǎn)方跳閘功能實(shí)現(xiàn)跳線路對側(cè)斷路器[13]。對于配置過電壓及遠(yuǎn)方跳閘功能的線路保護(hù)而言,當(dāng)線路對端的母線保護(hù)、電抗器保護(hù)等動作時(shí)均可通過光纖通道發(fā)遠(yuǎn)跳信號。其中,啟動遠(yuǎn)跳功能可通過3種開入實(shí)現(xiàn),分別是遠(yuǎn)跳(遠(yuǎn)方其他保護(hù)動作)、遠(yuǎn)傳1、遠(yuǎn)傳2。

遠(yuǎn)傳1開入經(jīng)遠(yuǎn)傳收信邏輯和相應(yīng)的就地判據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)跳功能,與遠(yuǎn)跳命令邏輯相同;但是遠(yuǎn)傳1經(jīng)過的就地判據(jù)條件更為多樣,增加了低電流、低功率因數(shù)、低有功功率等判據(jù)可供選擇,因此能夠更為準(zhǔn)確、快速地判斷故障情況,有效防止斷路器拒動。

遠(yuǎn)傳2開入則不經(jīng)就地判據(jù),即本端光纖通道收到對端“遠(yuǎn)傳2”命令時(shí),不經(jīng)故障判據(jù)直接三相跳閘。所以遠(yuǎn)傳2一般不用來遠(yuǎn)跳對側(cè)斷路器,可用作如啟動對側(cè)故障錄波等信息傳輸功能。

在線路加裝并聯(lián)電抗器后,高壓電抗器電量保護(hù)及非電量保護(hù)動作后如何配合線路保護(hù)實(shí)現(xiàn)跳線路兩側(cè)斷路器是工程設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。

2.4.2 解決方案

1)高壓電抗器電量保護(hù)啟動遠(yuǎn)方跳閘接入相對應(yīng)線路保護(hù)的遠(yuǎn)傳1開入(要求啟對側(cè)母線保護(hù)失靈),對應(yīng)線路保護(hù)自身遠(yuǎn)跳開入不變;對側(cè)220 kV線路保護(hù)收遠(yuǎn)傳1接點(diǎn)接入操作箱TJR跳對應(yīng)斷路器,并利用保護(hù)動作節(jié)點(diǎn)啟動母線保護(hù)的該線路間隔三相失靈。電量保護(hù)啟動遠(yuǎn)傳回路如圖3所示。

圖3 220 kV線路高壓電抗器電量保護(hù)啟動遠(yuǎn)傳回路

2)高壓電抗器非電量保護(hù)通過電纜接本側(cè)線路保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)非電量跳閘信號關(guān)聯(lián)對應(yīng)的1、2號線路保護(hù)的遠(yuǎn)傳1開入(雖然規(guī)范要求不啟動對側(cè)母線保護(hù)失靈,但目前實(shí)際設(shè)備難以滿足條件)。非電量保護(hù)啟動遠(yuǎn)傳回路如圖4所示。

圖4 220 kV線路高壓電抗器非電量保護(hù)啟動遠(yuǎn)傳回路

3)在進(jìn)行線路高壓電抗器保護(hù)檢修時(shí),電量保護(hù)和非電量保護(hù)均可通過退出啟動遠(yuǎn)方跳閘出口軟/硬壓板,實(shí)現(xiàn)防止誤跳對側(cè)斷路器及誤啟動對側(cè)母線失靈開入。

2.5 母線保護(hù)模型

2.5.1 存在問題

高壓電抗器電量保護(hù)啟動失靈回路應(yīng)關(guān)聯(lián)至相應(yīng)220 kV母線保護(hù)的本線路間隔三相啟動失靈,而線路保護(hù)則關(guān)聯(lián)為本線路間隔分相啟動失靈[14-15]。

此種情況下,可能存在母線保護(hù)硬件配置或軟件模型不支持一個(gè)支路接收不同保護(hù)各自的啟動失靈開入。對于常規(guī)站而言,母線保護(hù)的裝置硬件可能缺少相應(yīng)接口回路;對于智能站而言,母線保護(hù)模型則可能要求同一個(gè)間隔的A、B、C分相及三相啟動失靈開入必須要求關(guān)聯(lián)來自同一保護(hù)裝置GOOSE控制塊。

2.5.2 解決方案

根據(jù)工程實(shí)際情況,對母線保護(hù)硬件配置或程序版本和模型進(jìn)行升級,以實(shí)現(xiàn)每個(gè)支路支持接收兩組失靈開入的能力,并且分相和三相兩組啟動失靈需經(jīng)過獨(dú)立接收軟壓板控制,如圖5所示。

圖5 220 kV線路間隔啟動失靈回路

若更改整個(gè)母線保護(hù)模型,則與之對應(yīng)的所有間隔必須全部進(jìn)行傳動試驗(yàn);若只針對失靈開入功能模塊進(jìn)行程序和模型升級,保持母線保護(hù)輸出控制塊模型不變,則無須重復(fù)進(jìn)行傳動試驗(yàn),升級完成后與升級前出口報(bào)文比對無誤后便可投入運(yùn)行。

3 運(yùn)行注意事項(xiàng)

3.1 定值中的注意事項(xiàng)

220 kV高壓電抗器保護(hù)定值與其他保護(hù)的定值有很大的差異,具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

1)各類保護(hù)裝置的定值均需要人為進(jìn)行整定,但高壓電抗器保護(hù)僅需要整定系統(tǒng)參數(shù),各種保護(hù)定值項(xiàng)均由裝置自動生成,部分廠家通過“自動整定定值”控制字進(jìn)行控制。建議采用人工整定方式以便于根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整。

2)220 kV電抗器與500 kV電抗器結(jié)構(gòu)雖然相同,但其銘牌參數(shù)所代表的含義可能不盡相同。如500 kV電抗器銘牌容量表示分相容量[16],而220 kV電抗器銘牌容量可能表示三相容量,導(dǎo)致在定值整定時(shí)容易出現(xiàn)重大錯(cuò)誤。

3.2 送電時(shí)光纖差動保護(hù)投退注意事項(xiàng)

當(dāng)對側(cè)站或本側(cè)站對電抗器進(jìn)行空載充電時(shí),電抗器產(chǎn)生的感性電流與線路產(chǎn)生的容性電流相互補(bǔ)償,線路保護(hù)感受到的電流和差流基本為0。當(dāng)線路并聯(lián)電抗器時(shí),保護(hù)邏輯有相應(yīng)的考慮措施,通過合理整定線路保護(hù)的定值,可完全避免高壓電抗器對光纖差動保護(hù)的影響,故不用退出線路保護(hù)的光纖差動保護(hù)。

3.3 電抗器對220 kV備自投裝置功能的影響

220 kV變電站的220 kV備自投多采用進(jìn)線備自投方式,在某一進(jìn)線加裝高壓電抗器后,可能會對備自投功能造成一定影響。

在對某變電站220 kV備自投進(jìn)行傳動試驗(yàn)時(shí),通過比對備自投動作報(bào)告發(fā)現(xiàn)當(dāng)加裝高壓電抗器的A線路主供時(shí),拉開該線路對側(cè)斷路器,其跟跳斷路器動作時(shí)間相對其他傳動方式晚78 ms,具體情況見表3。

兩種情況的故障錄波波形如圖6—圖7所示。對比分析可以得出由于A線路有非線性元件電抗器,當(dāng)拉開A線路對側(cè)斷路器時(shí),因本側(cè)220 kV母線無負(fù)載,電壓不會快速下降,存在電壓下降過程。兩種情況下,從主供電源電壓消失至備自投動作成功,所用時(shí)間分別為6455 ms(A線路)和2172 ms(B線路)。

圖6 A線路(圖中265)主供時(shí)220 kV備自投動作波形

圖7 B線路(圖中263)主供時(shí)220 kV備自投動作波形

由此可得A線路并聯(lián)電抗器運(yùn)行作主供電源時(shí),由于儲能元器件的存在[17],在220 kV母線空載運(yùn)行時(shí)將導(dǎo)致220 kV備自投動作時(shí)間延長,系統(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)間遲滯。

4 結(jié) 論

上面結(jié)合國內(nèi)實(shí)際工程實(shí)例,對220 kV線路加裝并聯(lián)電抗器的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究分析,并針對現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范中無明確要求或相關(guān)要求難以實(shí)際落實(shí)的關(guān)鍵問題提出了較為合理、明確的處理思路和解決方案,以期解決現(xiàn)場設(shè)計(jì)和施工人員的相關(guān)疑惑和困擾。