黃哲忱， 袁宇波， 張小易， 張 明， 汪思滿

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103;2.國(guó)網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京 210019;3. 國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153)

熱倒母線操作合閘可靠性在線預(yù)警技術(shù)研究

黃哲忱1， 袁宇波1， 張小易1， 張 明2， 汪思滿3

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103;2.國(guó)網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京 210019;3. 國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153)

熱倒母線操作中的隔刀可靠拉合檢測(cè)與防誤操作預(yù)警一直是變電站日常運(yùn)維中的難題。提出基于差動(dòng)原理的隔刀電流計(jì)算方法，研究不同系統(tǒng)運(yùn)行方式、隔刀接觸電阻對(duì)隔刀電流分配、三相不平衡程度的影響，充分利用母聯(lián)間隔、線路間隔的狀態(tài)信息，構(gòu)建基于隔刀電流、母聯(lián)間隔三相不平衡度的預(yù)警判據(jù)，結(jié)合母差保護(hù)、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)等研究熱倒母線操作遠(yuǎn)程預(yù)警技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)常規(guī)站、智能站母差保護(hù)模型，五防系統(tǒng)對(duì)熱倒母線操作中的隔刀拉合不可靠問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警，通過(guò)仿真、實(shí)際變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可靠性、安全性。

熱倒母線操作;變電運(yùn)維;五防閉鎖;母差保護(hù)

熱倒母線操作中隔刀可靠拉合的檢測(cè)與預(yù)警一直是變電站日常運(yùn)維中的難題。220 kV變電站中，通過(guò)遠(yuǎn)方操作，合上母聯(lián)開(kāi)關(guān)，母差保護(hù)投互聯(lián)，采用等電位操作原則，先合上一組母線側(cè)隔刀，再拉開(kāi)另一組母線側(cè)隔刀，在不停電的情況下實(shí)現(xiàn)倒母線[1-3]。由于隔刀接觸不良、制造、安裝等原因[2-4]，拉合時(shí)可能因?yàn)闄C(jī)械卡塞而沒(méi)有可靠合上，檢查時(shí)難以檢出，存在帶負(fù)荷拉隔刀的隱患[4]，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了影響。文中結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題[4-7]，參考常規(guī)站和智能站的五防系統(tǒng)閉鎖邏輯[8-10]，研究合閘可靠性的在線預(yù)警技術(shù)，在五防系統(tǒng)中設(shè)計(jì)集成隔刀拉合防誤操作閉鎖模塊，通過(guò)仿真和運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)不同運(yùn)行方式下母聯(lián)、隔刀接觸電阻進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于母線小差的隔刀電流計(jì)算方法

隔刀合閘不可靠時(shí)導(dǎo)致隔離開(kāi)關(guān)觸頭接觸電阻值增大，在倒閘操作中引起諸多異?，F(xiàn)象，主要體現(xiàn)在隔刀電流和母聯(lián)電流值上[3，4]。母聯(lián)電流可以通過(guò)安裝在母聯(lián)支路上的電流互感器直接測(cè)得，1隔刀(QS1)和2隔刀(QS2)各自的電流可以通過(guò)差動(dòng)原理得到。

圖1 電流互感器安裝位置

在各個(gè)支路斷路器(QF)上安裝的電流互感器(如圖1所示)可以測(cè)得各個(gè)支路的電流。對(duì)于進(jìn)行倒閘操作的支路n，由基爾霍夫電流定律可知：

(1)

(2)

式中：II表示II母上所有支路的編號(hào)所構(gòu)成的集合。由式(1)和(2)可知，在倒閘操作中，小差計(jì)算結(jié)果為隔刀電流，不停用則保護(hù)出口。因此，倒閘操作中會(huì)將母差投互聯(lián)，程序不計(jì)算小差。在預(yù)警模塊中，利用了母差計(jì)算模塊計(jì)算隔刀電流，但是保護(hù)不出口。

2 三相平衡時(shí)合閘可靠性判別

2.1 三相平衡時(shí)小電流判據(jù)

圖2 雙母線單相等值電路

當(dāng)三相平衡時(shí)，熱倒母線操作時(shí)各個(gè)支路的單相等值電路如圖2所示。由I母1隔刀接觸電阻R1、II母2隔刀接觸電阻R2及母聯(lián)開(kāi)關(guān)電阻RML構(gòu)成的回路，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律有：

(3)

對(duì)于倒閘操作的支路n由基爾霍夫電流定律得：

(4)

則隔刀電流為：

(5)

(6)

則I2/I1=R1/R2，2隔刀與1隔刀上的電流大小接近。正常情況下，母聯(lián)GIS的電阻大約為100 μΩ，整個(gè)母聯(lián)支路的電阻大約為300 μΩ。當(dāng)壓差不大(典型值IML<0.1 I時(shí))且三相平衡時(shí)，可使用判據(jù)：

I2G>Iε

(7)

當(dāng)式(7)成立時(shí)，說(shuō)明可靠合閘。Iε的整定與運(yùn)行方式相關(guān)，可依據(jù)母聯(lián)電流IML整定，典型值可以取0.1 IML。當(dāng)兩條母線壓差較大，即母聯(lián)電流IML較大時(shí)，則需要采用三相不平衡判據(jù)。

2.2 不同運(yùn)行方式下小電流判據(jù)仿真

建立三相平衡時(shí)單相等值電路的仿真模型，模型參數(shù)依據(jù)不同運(yùn)行方式確定。與運(yùn)行方式相關(guān)的模型參數(shù)有：I母電壓、II母電壓、I母其余支路有功潮流、II母其余支路有功潮流、I母其余支路無(wú)功潮流、II母其余支路無(wú)功潮流。

220 kV主變?nèi)萘看蠹s540 MV·A，倒閘的支路按有功潮流96 MW，無(wú)功潮流30 MVar(單相有功潮流32 MW，無(wú)功潮流10 MW)。母聯(lián)電阻300 μΩ。正?？煽亢祥l時(shí)，隔刀電阻100 μΩ；合閘不可靠時(shí)，隔刀接觸電阻100 Ω。表1為不同運(yùn)行方式下模型參數(shù)。

表1 三相平衡時(shí)仿真參數(shù)

上述模型參數(shù)結(jié)果如表2所示，只考慮1隔刀和2隔刀的電流幅值，未列出電流相角。由表2可知，在不同運(yùn)行方式下，當(dāng)三相平衡時(shí)，若2隔刀電流非常小時(shí)，表明合閘不可靠。

表2 三相平衡時(shí)仿真結(jié)果 A

仿真結(jié)果驗(yàn)證了：在壓差不大的運(yùn)行方式下，1隔刀和2隔刀合閘可靠時(shí)，2個(gè)隔刀均有電流通過(guò)，當(dāng)合閘不可靠時(shí)，2隔刀電流非常小。

3 三相不平衡時(shí)合閘可靠性判別

3.1 基于不平衡度的合閘不可靠判據(jù)

對(duì)式(1)和式(2)作坐標(biāo)變換，其余支路三相平衡，零序電流為0，則對(duì)于兩個(gè)隔刀有：

IML0=I1G0=I2G0

(8)

即母聯(lián)的零序電流即為兩個(gè)隔刀的零序電流。

三相不平衡度定義為任意兩相電流幅值的最大與最大電流幅值的比值[11，12]。包括母聯(lián)斷路器三相不平衡度：

ΔIML=

(9)

倒閘間隔I母隔刀三相電流不平衡度為：

ΔI1G=

(10)

倒閘間隔II母隔刀三相電流不平衡度為：

ΔI2G=

(11)

對(duì)于母聯(lián)、隔刀電流的三相不平衡度，典型值取5%～10%，即超過(guò)典型值時(shí)，可判定三相不平衡。

3.2 合閘不可靠時(shí)隔刀三相電流波形分析

合閘后三相等值電路仿真模型參數(shù)同表1。設(shè)A相接觸不良，接觸電阻變?yōu)?00 Ω，B相、C相保持不變。仿真結(jié)果表明：I母與II母壓差、負(fù)載連接方式對(duì)電流波形幾乎沒(méi)有影響。合閘不可靠時(shí)接觸電阻選為1 Ω或100 Ω對(duì)最終波形也幾乎沒(méi)有影響。

I母、II母無(wú)壓差，選用三相星型接地負(fù)載，母聯(lián)電流、1隔刀電流、2隔刀電流如表3所示。2個(gè)隔刀及母聯(lián)電流波形如圖3所示。

表3 單相合閘不可靠時(shí)仿真結(jié)果 A

圖3 單相合閘不可靠時(shí)電流波形

對(duì)A相、B相同時(shí)合閘不可靠情況進(jìn)行仿真，接觸電阻為1 Ω，仿真結(jié)果如表4所示。2個(gè)隔刀及母聯(lián)電流波形如圖4所示。

表4 兩相合閘不可靠時(shí)仿真結(jié)果 A

圖4 兩相合閘不可靠時(shí)電流波形

仿真結(jié)果驗(yàn)證了：(1)母聯(lián)零序電流與1隔刀、2隔刀零序電流相等；(2)當(dāng)單相、兩相合閘不可靠時(shí)，合閘不可靠的相電流為會(huì)明顯偏小，母聯(lián)合閘不可靠相電流會(huì)偏大。

4 合閘可靠在線預(yù)警流程

2隔刀合閘的可靠性主要反映在2個(gè)隔刀電流的分配、隔刀電流的三相不平衡度，在五防系統(tǒng)內(nèi)安裝合閘可靠評(píng)估模塊[13,14]，對(duì)2隔刀合閘可靠性進(jìn)行預(yù)警，合閘操作可靠評(píng)估判定的流程如圖5所示，其步驟如下：

步驟1，合上另一組隔刀前，母差保護(hù)小差先退出，但是計(jì)算模塊保持工作，報(bào)文制造(MMS)協(xié)議向監(jiān)控后臺(tái)發(fā)送倒閘操作開(kāi)始的情況，啟動(dòng)五防閉鎖。在現(xiàn)場(chǎng)利用測(cè)量設(shè)備測(cè)量母聯(lián)電流以及各個(gè)支路上的電流，利用母差保護(hù)的計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。

步驟2，當(dāng)母聯(lián)上無(wú)電流時(shí)，根據(jù)測(cè)量的母聯(lián)電流以及各個(gè)支路上的電流，利用差動(dòng)原理計(jì)算兩組隔刀電流，轉(zhuǎn)至步驟4。

步驟3，當(dāng)母聯(lián)上有電流時(shí)，根據(jù)母聯(lián)電流判斷兩組隔刀電流中是否存在三相不平衡，如果是，則判定合閘不可靠，熱倒操作不安全，啟動(dòng)隔刀零序電流閉鎖，發(fā)出告警，不解除五防閉鎖，評(píng)估結(jié)束；如果不是，則根據(jù)測(cè)量的母聯(lián)電流以及各個(gè)支路上的電流，利用差動(dòng)原理計(jì)算兩組隔刀電流。

步驟4，判斷兩組隔刀電流是否均超出各自整定的電流范圍，如果有一組超出，則判定熱倒操作不安全，發(fā)出告警，不解除五防閉鎖，評(píng)估結(jié)束；如果未超出，則判定合閘可靠，熱倒操作安全，解除五防閉鎖，評(píng)估結(jié)束。

圖5 合閘操作可靠評(píng)估判定流程

5 倒閘操作合閘預(yù)警實(shí)例分析

5.1 變電站運(yùn)行方式

某變電站倒閘操作前運(yùn)行方式如圖6所示，220 kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)處于運(yùn)行狀態(tài)；間隔i通過(guò)2個(gè)隔刀跨接在I母、II母運(yùn)行(正在執(zhí)行倒排操作)。此時(shí)合上II母的隔刀(2隔刀)，準(zhǔn)備拉開(kāi)I母的隔刀(1隔刀)。

圖6 某變電站運(yùn)行方式示意圖

5.2 隔刀電流計(jì)算

拉開(kāi)I母上的1隔刀之前，由故障錄波器記錄的各個(gè)支路電流如表5所示。

表5 某變電站合閘后各支路電流

由母聯(lián)電流較大并且不平衡即可初步判定拉合不可靠，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查。根據(jù)其余各支路電流，計(jì)算I母小差和II母小差電流如表6所示。

表6 某變電站隔刀電流

經(jīng)計(jì)算，I母小差計(jì)算結(jié)果的三相不平衡度為34.5%，高于典型值，可初步判定合閘不可靠，發(fā)出預(yù)警信息，閉鎖拉開(kāi)1隔刀的操作?，F(xiàn)場(chǎng)檢查為2隔刀C相接觸不良，調(diào)取合閘后錄波圖形，圖7為疊加的I母、II母各個(gè)支路三相電流波形。

圖7 I母II母各支路三相電流疊加波形

圖7顯示，II母各個(gè)支路疊加的電流波形三相不平衡不明顯，而I母各個(gè)支路疊加的電流波形C相電流波形明顯偏小，這是因?yàn)镮母小差計(jì)算結(jié)果為I母各支路電流之和(為零)加上2隔刀電流。與仿真結(jié)果一致。

圖8 母聯(lián)各相電流波形

如圖8，由故障錄波器記錄的母聯(lián)電流波形顯示，A相、B相的電流接近，C相電流明顯偏大。與仿真結(jié)果一致。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中提出一種隔刀電流計(jì)算方法，通過(guò)檢測(cè)母聯(lián)電流和各個(gè)支路電流計(jì)算隔刀電流，基于母聯(lián)電流和隔刀電流大小準(zhǔn)確地判斷熱倒母線操作中隔刀是否可靠合閘，并在合閘不可靠時(shí)發(fā)出閉鎖拉開(kāi)隔刀的操作，發(fā)出預(yù)警信息。仿真結(jié)果和案例表明，常規(guī)運(yùn)行方式下操作時(shí)，該方法能夠有效判斷隔刀是否可靠合閘，避免帶負(fù)荷拉開(kāi)隔刀的操作。后續(xù)將針對(duì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)有可能就存在三相不平衡，進(jìn)一步研究判斷隔刀合閘可靠的整定值。

[1] 胡宇航，丁海龍，唐 敏. 一種隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)缺陷的改進(jìn)措施[J]. 江蘇電機(jī)工程，2015，34(1)：13-14，17.

[2] 孫曉敏. 變電站倒閘操作過(guò)程中隔離開(kāi)關(guān)故障處理方法[J]. 廣東電力，2011，24(7)：84-89.

[3] 李 石. 一起倒閘操作中母線電壓異?，F(xiàn)象分析[J]. 繼電器，2007(12)：71-72.

[4] 于立濤，王 萍，夏曉濱. 一起特殊故障引起母差保護(hù)動(dòng)作的分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，12:105-107.

[5] 衡思坤，張自偉，周光宇，等. 變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)研究[J]. 江蘇電機(jī)工程，2016，35(2)：31-33，38.[6] 劉 奇，林少華，黃志元. 220 kV母線保護(hù)動(dòng)作分析及事故處理[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(17)：153-157，163.

[7] 胡 巨，陳宏輝. 一種新型的變電站在線式五防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(19)：118-121.

[8] 智全中，秦廣召，婁 偉，等. 五防系統(tǒng)在智能化變電站中應(yīng)用分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(23)：108-111.

[9] 宋 杰，靳 希，鮑偉等. 基于IEC61850的智能繼電保護(hù)裝置協(xié)同測(cè)試系統(tǒng)的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(5)：59-63，68.

[10] 呼士召，潮 鑄，鐘華贊，等. 電網(wǎng)調(diào)度操作的風(fēng)險(xiǎn)后果值建模及應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40(7)：54-60.

[11] GB/T 15543—2008 電能質(zhì)量三相電壓不平衡[S]． 北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)， 2008.

[12] GB/T 15543—1995 電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度[S].

[13] 五一清，楊志強(qiáng)，高海龍. 綜合自動(dòng)化變電站中隔離刀閘防誤操作的閉鎖等略分析[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，(5)：137-140.

[14] 龔 森. 變電站電動(dòng)刀閘狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2015.

黃哲忱

黃哲忱(1989 —)，男，江蘇常州人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

袁宇波(1975 —)，男，江蘇丹陽(yáng)人，博士，研究員級(jí)高工，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作；

張小易(1978 —)，男，河南許昌人，高級(jí)工程師，從事調(diào)度自動(dòng)化、 二次專業(yè)相關(guān)技術(shù)研究工作；

張 明(1976 —)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度工作；

汪思滿(1972 —)，男，江蘇鹽城人，高級(jí)工程師，從事母線保護(hù)的研究與開(kāi)發(fā)工作。

Research of Online Alerting Technology for Bus Switching Reliability

HUANG Zhechen1, YUAN Yubo1, ZHANG Xiaoyi1, ZHANG Ming2, WANG Siman3

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China;2. State Grid Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, China;3. Nanjing Guodian Nanzi Grid Automation Co. Ltd., Nanjing 211153, China)

Reliable pull-up detection and prevention of misuse warning in the operation of heat-drop bus has been a difficult problem of daily operation and maintenance of substations. In this paper, a computation method is proposed based on research on influence of system operation and contact resistor on switch currents and unbalance of three phase. With state information in bus coupler and transmission line collected, a remote forewarning method for bus switching is studied based on switcher current and degree of three-phase unbalance. The technology combined with bus protection and background monitoring system, is integrated in the model of bus protection of traditional substation or smart substation, and installed in five-anti system to forewarning the danger in bus switching. The reliability of the method is verified by simulation and operation data of actual substation.

bus switching; substation operation; five-anti lock; bus protection

2016-08-16；

2016-10-11

TM77

A

2096-3203(2017)01-0065-05