張偉軍
摘 要:隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)也逐日提升,小水電接入上網(wǎng)的數(shù)目與日俱增。在小水電地區(qū),易發(fā)生主供線路跳閘,小水電形成孤網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)致過電壓現(xiàn)象發(fā)生,從而燒毀用戶用電設(shè)備的事故。為解決這一問題,對(duì)小電源解列裝置進(jìn)行研究,開發(fā)出一種針對(duì)此現(xiàn)象的新型小水電高周高壓保護(hù)裝置。文章從分析孤網(wǎng)運(yùn)行的高周高壓原理出發(fā),進(jìn)而介紹了研發(fā)原理和裝置的主要功能,簡(jiǎn)要地對(duì)該新型裝置進(jìn)行了介紹,希望能使讀者對(duì)新型小水電高周高壓保護(hù)裝置有一定的了解。
關(guān)鍵詞:小水電;保護(hù)裝置;研發(fā)
中圖分類號(hào):TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-8937(2016)33-0010-02
1 概 述
韶關(guān)新豐地區(qū)位于我國(guó)南部,屬于降雨較為豐富的亞熱帶季風(fēng)氣候。且地區(qū)內(nèi)變電站由于水電裝機(jī)容量高(約為142 MW),并有大量變電站有水電上網(wǎng),約有近300個(gè)小水電站接入上網(wǎng)。這些原因?qū)е伦冸娬景l(fā)生饋線解列,連接至饋線上的負(fù)荷減小。同時(shí),水電運(yùn)行過程中出力不變,小水電站在工作過程中功率不平衡且電壓升高,產(chǎn)生了過電壓現(xiàn)象。過電壓現(xiàn)象的發(fā)生曾導(dǎo)致用電用戶的大量電器被燒毀,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,電站因此遭到了用戶的投訴。除此之外,過電壓的發(fā)生也帶來了很大的安全隱患,影響電網(wǎng)的檢無壓重合閘動(dòng)作。10 kV公用線路的一次示意圖,如圖1所示。
小水電站發(fā)電機(jī)自身帶有過電壓保護(hù)裝置,用于處理過電壓產(chǎn)生造成的隱患。該過電壓保護(hù)裝置工作原理是:預(yù)先設(shè)定過電壓值,當(dāng)小水電饋線上電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值時(shí),裝置會(huì)進(jìn)行切機(jī),將小水電切掉。但是,這種方式存在一個(gè)很大的弊端,在正常工作下容易產(chǎn)生誤動(dòng),且誤動(dòng)之后難以再次將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。通過從計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)分析,可以發(fā)現(xiàn)由于功率輸送方向限制,發(fā)電端電壓高于負(fù)荷端。由于線路末端有小電源上網(wǎng),線上電壓出現(xiàn)抬升現(xiàn)象。當(dāng)線路足夠長(zhǎng),電壓會(huì)隨線路太高,當(dāng)抬至過保護(hù)裝置預(yù)設(shè)電壓值時(shí),小水電就會(huì)被裝置切斷。水電站因此損失發(fā)電量和額外增加并網(wǎng)工作,選擇退出保護(hù),導(dǎo)致線路跳閘后無法切機(jī)。既要在線路跳閘后快速切除小水電,又要在正常方式下不發(fā)生誤動(dòng)作,現(xiàn)有的單一過電壓保護(hù)裝置無法滿足上述要求。為達(dá)到及時(shí)切機(jī)還能擁有較高的動(dòng)作可靠率,我們研發(fā)了一種新型的小水電高周高壓保護(hù)裝置。
2 孤網(wǎng)運(yùn)行的高周高壓原理分析
通過對(duì)小水電地區(qū)進(jìn)行調(diào)查,我們通過簡(jiǎn)化水電站并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模型,類比孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng),在理論上分析孤網(wǎng)運(yùn)行的高壓高周原理。
水輪機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程如下:
式(1)中J物理意義為水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,?棕物理意義為轉(zhuǎn)子的角速度,即為轉(zhuǎn)子角速度的變化率,Pm物理意義為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率,Pe物理意義為發(fā)動(dòng)機(jī)電磁功率。由式(1)我們可以知道,發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率和電磁功率的差值變化會(huì)引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化,進(jìn)而影響了孤網(wǎng)運(yùn)行的頻率。在小水電站正常運(yùn)行的情況下,水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率和電磁功率是相等的,此時(shí)轉(zhuǎn)子角速度變化率為0。當(dāng)小水電站斷開時(shí)形成了孤網(wǎng)運(yùn)行,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率暫時(shí)保持,而發(fā)動(dòng)機(jī)電磁功率會(huì)由于孤網(wǎng)運(yùn)行而有明顯下降,這將導(dǎo)致Pm-Pe>0,轉(zhuǎn)子角速度變化率變大,使得轉(zhuǎn)子角速度增加,從而增大了孤網(wǎng)運(yùn)行頻率。
式(2)中R、X分別為線路的等值電阻和電抗,P、Q分別為線路接帶的有功功率和無功功率;VN為線路負(fù)荷側(cè)電壓。小水電串接入水電站后,10 kV饋線上發(fā)生有功功率和無功功率向母線倒送的情況。一旦遇到線路發(fā)生保護(hù)動(dòng)作跳閘,該倒送過程無法完成,小水電的有功功率和無功功率無法被傳送,負(fù)荷點(diǎn)處的電壓因此被抬高。當(dāng)一些地區(qū)由于故障而形成孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí),過剩的功率無法倒送,會(huì)發(fā)生高周高壓的情況。
3 裝置研發(fā)的理論設(shè)計(jì)過程
3.1 提高保護(hù)裝置的可靠性
當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí),傳統(tǒng)的過電壓保護(hù)裝置易發(fā)生誤動(dòng)作。造成這一問題的主要原因是判定依據(jù)過于單一,只有電壓值為判據(jù),一旦線路電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值時(shí)就會(huì)進(jìn)行動(dòng)作。為解決這一問題,我們將過電壓保護(hù)裝置改進(jìn)為高頻高壓保護(hù)裝置,采取將電壓值和頻率值共同作為是否切機(jī)的判別依據(jù),只有當(dāng)電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)共同發(fā)生時(shí)才會(huì)發(fā)生解列。這樣當(dāng)跳閘沒有出現(xiàn)時(shí)就不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。通過增加動(dòng)作發(fā)生的判別依據(jù),解列裝置的可靠性有了很大的提升。
3.2 提高保護(hù)裝置的快速性
在研發(fā)時(shí)的錄波分析過程中,我們注意到頻率每增加1Hz需要大約1秒的時(shí)間,而電壓變化是瞬時(shí)的,高頻高壓保護(hù)裝置動(dòng)作的速度較慢。若電壓發(fā)生變化時(shí),高頻高壓保護(hù)裝置未及時(shí)發(fā)生動(dòng)作,仍然有可能燒壞用戶的用電設(shè)備。在經(jīng)過討論以后,我們決定保留一組過壓保護(hù)裝置,為這組過壓保護(hù)裝置設(shè)定一個(gè)較高的電壓值,一旦電壓超過了該值就可進(jìn)行切機(jī)工作,無需等待頻率變化。增加了這一改進(jìn)后,保護(hù)裝置的快速性也得到了保證。
3.3 提高保護(hù)裝置的靈敏性
我們注意到,保護(hù)裝置存在一種特殊使用情況,即跳閘后出力與負(fù)荷均衡、孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí),電壓變化不夠明顯。這種情況下雖然不會(huì)產(chǎn)生過電壓燒壞用戶的用電設(shè)備,但頻率發(fā)生波動(dòng),供電質(zhì)量較低,而且影響了重合閘的動(dòng)作。因此我們還針對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行配置了一套頻率解列保護(hù),當(dāng)頻率超過限定值時(shí),可經(jīng)延時(shí)斷開發(fā)電機(jī)開關(guān)。這樣新型小電源解列裝置的靈敏性得到了有效的提高。
通過對(duì)跳閘后嚴(yán)重過電壓、一般過電壓、沒有過電壓這三種情況均做了相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。產(chǎn)生嚴(yán)重過電壓,要快速切機(jī);一般過電壓,要可靠切機(jī);沒有過電壓,孤網(wǎng)運(yùn)行,要靈敏切機(jī)。保護(hù)裝置的動(dòng)作邏輯圖,如圖2所示。
3.4 試點(diǎn)運(yùn)行后的改良
①高周高壓保護(hù)裝置在正常工作的情況下,裝置顯示頻率存在1Hz的波動(dòng)。經(jīng)過討論后,我們認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在開發(fā)裝置的過程中,我們使用的采樣電壓質(zhì)量較高,因此頻率采樣算法的濾波考慮不足,而在實(shí)際的水電站中電壓有諧波干擾。通過擴(kuò)大采樣周期,增加一倍采樣點(diǎn),最終使正常工作時(shí)的頻率波動(dòng)控制在0.2 Hz內(nèi)。
②裝置電源取自電路,當(dāng)發(fā)生高達(dá)380 V的過電壓時(shí)解列裝置也會(huì)被燒毀,將無法達(dá)到保護(hù)的效果。在解列裝置內(nèi)部?jī)?nèi)置電力電子變換模塊及配合調(diào)制算法,使裝置穩(wěn)壓范圍變寬。在耐壓實(shí)驗(yàn)中,解列裝置在400 V交流電源下,能正常運(yùn)作至少2~3 min。
③高周高壓保護(hù)裝置與傳統(tǒng)過電壓保護(hù)裝置相比,功能更加完善成本也相應(yīng)提高。為平衡電站的投入成本,對(duì)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充,增加電壓采集、跳閘出口接點(diǎn),改進(jìn)算法。
4 高周高壓保護(hù)裝置的主要功能
保護(hù)裝置使用了整體面板及多種安裝結(jié)構(gòu),裝置選用了智能高速CPU芯片進(jìn)行計(jì)算,配有一路跳閘出口,安裝時(shí)需要配合高壓自動(dòng)化開關(guān)進(jìn)行安裝,把高周高壓保護(hù)裝置的跳閘出口接點(diǎn)并接在自動(dòng)化開關(guān)的跳閘接點(diǎn)就可以,如圖3所示。交流輸入方式有兩種,分別是單相電壓輸入和兩相電壓輸入,根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇,裝置對(duì)頻率與電壓量的判據(jù)條件也應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。為防止由于電氣化電路、沖擊負(fù)荷或是電力系統(tǒng)發(fā)生故障等問題導(dǎo)致解列裝置發(fā)生誤動(dòng)或是拒動(dòng)現(xiàn)象,我們?cè)谘b置的直流電源輸入端增設(shè)了專用的電源濾波器,除此之外,還增設(shè)了二階無源濾波器和二階有源濾波器至交流濾波回路中。
新型高周高壓保護(hù)裝置的主要功能如下:
①能測(cè)量裝置安裝處的主線和支線電壓、頻率及它們的變化率。
②在電力系統(tǒng)有些地區(qū)電網(wǎng)由于有功功率過剩引起頻率上升時(shí),裝置根據(jù)頻率升高值自動(dòng)切除水電站支線。
③本裝置具有高周高壓保護(hù)控制功能,配置兩段式高周、高壓保護(hù),具有繼電器跳閘出口和信號(hào)報(bào)警出口繼電器。
5 結(jié) 語
針對(duì)當(dāng)前小水電地區(qū)的孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)高周高壓造成用戶用電設(shè)備燒毀,電網(wǎng)的重合閘動(dòng)作受到影響等問題,研發(fā)了一種新型高周高壓保護(hù)裝置。該裝置在已有的過保護(hù)裝置上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn),當(dāng)變電站10 kV饋線開關(guān)跳閘,饋線電壓頻率升高時(shí),能及時(shí)將小水電解列,保護(hù)用戶用電設(shè)備?,F(xiàn)階段,該新型解列裝置已投入試點(diǎn)使用,有效地解決了系統(tǒng)發(fā)生電壓波動(dòng)時(shí)裝置發(fā)生誤動(dòng)現(xiàn)象,也有效避免了小水電上網(wǎng)地區(qū)用電用戶電器被過電壓燒毀的投訴,為重合閘方式提供滿足的條件,縮短線路復(fù)電時(shí)間,提高了電網(wǎng)的供電可靠性,減輕水電站監(jiān)管工作壓力,保障水電站的經(jīng)濟(jì)效率,整體上來說,使用效果良好。
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