趙補(bǔ)石， 賀儒飛， 畢智偉， 王方

(1. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司， 廣東 廣州510950；2. 湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙410004；3. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙410007)

0 引言

抽水蓄能電站是促進(jìn)新能源消納, 推動(dòng)新型能源戰(zhàn)略的關(guān)鍵力量[1-2], 由于新能源場(chǎng)站的負(fù)荷存在不確定性和隨機(jī)波動(dòng)性, 電力負(fù)荷峰谷特性更加復(fù)雜, 抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換更加頻繁[3-4], 機(jī)組及變壓器保護(hù)的投退頻率也隨之增多。 抽水蓄能機(jī)組及主變壓器保護(hù)系統(tǒng)需要判別機(jī)組運(yùn)行工況[5-6], 以自動(dòng)投退相應(yīng)的保護(hù)[7-10], 這是抽水蓄能保護(hù)的基本技術(shù)要求。 其工況判別目前的主流方法是采集機(jī)組主回路上的各個(gè)開關(guān)刀閘的位置信號(hào), 由位置特征來(lái)判別運(yùn)行工況。 開關(guān)刀閘的位置信號(hào)一般取自開關(guān)刀閘自身的位置輔助接點(diǎn), 但這些接點(diǎn)的數(shù)量往往是有限的, 因此需要采用重動(dòng)繼電器對(duì)接點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。 在某些抽水蓄能電廠, 部分保護(hù)設(shè)備就采用了擴(kuò)展接點(diǎn), 但是這種方式會(huì)給保護(hù)帶來(lái)一定的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

1 基本情況

某抽水蓄能電站采用ABB 公司生產(chǎn)的GCB(Generator Circuit Breaker, 發(fā)電機(jī)出口斷路器),其機(jī)構(gòu)本體直接提供的分位輔助接點(diǎn)有12 付,由于機(jī)組的勵(lì)磁、 調(diào)速器、 監(jiān)控、 保護(hù)、 電氣閉鎖等多個(gè)二次控制保護(hù)系統(tǒng)都需要用到分位接點(diǎn), 且往往這些系統(tǒng)都是雙重化[11], 甚至三重化配置, 所以造成本體位置輔助接點(diǎn)數(shù)量不夠用, 誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)高[12-15]。 以主變保護(hù)B 套為例, 該保護(hù)需要采集GCB 的分位位置信號(hào), 由于GCB 自帶的分位輔助接點(diǎn)數(shù)量不夠, 故采用了擴(kuò)展接點(diǎn)。 如圖1 所示, GCB 分位、 合位接點(diǎn)接至擴(kuò)展繼電器K602、 K602 的61-62 常閉接點(diǎn)再接入主變保護(hù)B套, 該分位信號(hào)主要用于主變差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作邏輯。

圖1 主變保護(hù)B 套采用CCB 分位擴(kuò)展接點(diǎn)示意圖

1.1 GCB 位置接點(diǎn)動(dòng)作行程

圖2 為GCB 位置輔助接點(diǎn)動(dòng)作行程圖, 黑色表示閉合, 白色表示斷開。 如果從GCB 主觸頭位置來(lái)區(qū)分, 主觸頭斷開表明GCB 一次回路處于分位, 主觸頭合上表明GCB 一次回路處于合位, 所以主觸頭的分合代表了GCB 的實(shí)際位置。 但GCB位置輔助接點(diǎn)并不安裝在主觸頭上, 而是安裝在GCB 操動(dòng)機(jī)構(gòu)上, 其動(dòng)作行程與GCB 主觸頭行程不完全同步, 主觸頭變位與位置輔助接點(diǎn)變位不在同一時(shí)刻, 存在一定超前或滯后, 主觸頭位置分界點(diǎn)實(shí)際處于位置輔助接點(diǎn)的合位和分位之間。 而保護(hù)不可能直接檢測(cè)主觸頭位置, 只能檢測(cè)位置輔助接點(diǎn)的信號(hào), 也就是說(shuō), 在GCB 分合過(guò)程中, 保護(hù)測(cè)得的GCB 位置, 必然會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的過(guò)渡過(guò)程, 既不在合位也不在分位。

圖2 GCB 位置輔助接點(diǎn)動(dòng)作行程圖

1.2 主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作邏輯

抽水蓄能機(jī)組的主變壓器保護(hù)通常安裝有大差和小差兩種差動(dòng)保護(hù), 其中大差保護(hù)的保護(hù)范圍包括GCB。 當(dāng)機(jī)組未并網(wǎng)時(shí), 即抽水蓄能機(jī)組換相刀分閘位置＝1 或GCB 分閘位置＝1, 機(jī)端電流不流經(jīng)主變(如變頻啟動(dòng)和電氣制動(dòng)過(guò)程), 機(jī)端電流不計(jì)入大差保護(hù)的差流計(jì)算。 保護(hù)裝置對(duì)開關(guān)刀閘位置等開入信號(hào)的變位, 通常設(shè)置有10 ms的防抖延時(shí), 即信號(hào)翻轉(zhuǎn)之后, 需經(jīng)過(guò)10 ms 才能夠正式確認(rèn)信號(hào)的狀態(tài)。 另外, 主變差動(dòng)保護(hù)差流值達(dá)到動(dòng)作值后, 一般要經(jīng)過(guò)20 ～30 ms 的運(yùn)算處理, 保護(hù)才會(huì)動(dòng)作出口。 而當(dāng)機(jī)組已經(jīng)并網(wǎng), 機(jī)端電流會(huì)流過(guò)主變, 如果主變大差保護(hù)還沒有計(jì)入機(jī)端電流, 由于機(jī)端電流缺失造成的差流有可能達(dá)到動(dòng)作門檻(取決于機(jī)端電流的大小), 則保護(hù)會(huì)在20 ms后動(dòng)作。 可見, GCB 位置信號(hào)的變位延時(shí)與保護(hù)的動(dòng)作邏輯密切相關(guān), GCB 位置信號(hào)與機(jī)端電流的變化應(yīng)保持同步, 兩者的時(shí)間差越小越好。

2 采用GCB 本體位置輔助接點(diǎn)的動(dòng)作行為分析

2.1 開關(guān)由分到合過(guò)程分析

如圖3 所示, t1為分位接點(diǎn)由閉合到斷開的時(shí)刻, t2為主觸頭由斷開到合上的時(shí)刻, t3為合位接點(diǎn)由斷開到閉合的時(shí)刻。 在GCB 合閘操作過(guò)程中,t1時(shí)分位接點(diǎn)首先斷開, 經(jīng)10 ms 防抖延時(shí), 即t1+10 ms時(shí), 保護(hù)經(jīng)防抖延時(shí)確認(rèn)GCB 分閘位置＝0, 機(jī)端電流開始計(jì)入差流。 t2時(shí)主觸頭閉合, 機(jī)端開始流過(guò)并網(wǎng)沖擊電流, 如果t1+10 ms＞t2, 則從t2至t1+10 ms 這端時(shí)間內(nèi), 機(jī)端電流尚未計(jì)入差流, 但實(shí)際已有電流故差流可能超過(guò)動(dòng)作門檻。但差動(dòng)保護(hù)至少需要20 ms 才能動(dòng)作。 因t2＞t1, 故t1+10 ms-t2＜20 ms, 差流不足以維持20 ms, 如圖4所示。 主變差動(dòng)保護(hù)即使已經(jīng)啟動(dòng), 仍然會(huì)在20 ms內(nèi)復(fù)歸, 差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

圖3 GCB 本體位置接點(diǎn)動(dòng)作行程與電流 變化時(shí)序圖

圖4 采用本體接點(diǎn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖

2.2 開關(guān)由合到分過(guò)程分析

GCB 分閘操作過(guò)程中, 由于分位接點(diǎn)閉合晚于GCB 主觸頭分?jǐn)? 即晚于機(jī)端電流切除, 當(dāng)機(jī)端電流不計(jì)入差流時(shí), 機(jī)端確已無(wú)電流, 因此差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

綜上, 采用GCB 本體位置輔助接點(diǎn)時(shí), 無(wú)論GCB 由分到合, 還是由合到分, 差動(dòng)保護(hù)均不會(huì)誤動(dòng)。

3 采用GCB 位置擴(kuò)展接點(diǎn)動(dòng)作行為分析

3.1 開關(guān)由分到合過(guò)程分析

如圖5—6 所示, t1、 t2、 t3代表的意義同圖3,t4為擴(kuò)展分位接點(diǎn)由閉合到斷開的時(shí)刻。 GCB合閘操作過(guò)程中, t1時(shí)GCB 本體分位接點(diǎn)首先斷開, t2時(shí)主觸頭閉合, 機(jī)端流過(guò)并網(wǎng)沖擊電流, 開始產(chǎn)生差流。 由于采用了雙穩(wěn)態(tài)繼電器的常閉接點(diǎn)作為分位擴(kuò)展接點(diǎn), 至t3時(shí)GCB 本體合位接點(diǎn)閉合, 雙穩(wěn)態(tài)繼電器K602 勵(lì)磁才能狀態(tài)翻轉(zhuǎn), 再經(jīng)一定的繼電器動(dòng)作時(shí)間(一般為10～20 ms), 直至t4時(shí)繼電器內(nèi)的擴(kuò)展分位接點(diǎn)才斷開, 再經(jīng)10 ms防抖延時(shí), 保護(hù)才判斷GCB 分閘位置＝0, 將機(jī)端電流計(jì)入差流后差流消失。 從t2開始有差流直到t4+10 ms 差流消失, 經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)的時(shí)間, 完全有可能超過(guò)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間20 ms, 即(t4+10 ms)-t2＞20 ms, 這樣就有可能造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

圖5 GCB 擴(kuò)展分位接點(diǎn)動(dòng)作行程與電流 變化時(shí)序圖

圖6 采用擴(kuò)展接點(diǎn)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖

3.2 開關(guān)由合到分過(guò)程分析

開關(guān)分閘過(guò)程中, 由于擴(kuò)展分位接點(diǎn)需要在本體分位接點(diǎn)閉合使位置繼電器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)之后才能閉合, 那么一定會(huì)晚于機(jī)端電流切除, 且晚于本體分位接點(diǎn)閉合, 機(jī)端電流將一直計(jì)入差流計(jì)算直至確認(rèn)擴(kuò)展分位接點(diǎn)已變位, 保護(hù)不會(huì)誤動(dòng), 也不存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

綜上, 采用GCB 擴(kuò)展位置接點(diǎn)時(shí), GCB 由分到合, 差動(dòng)保護(hù)有較大誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn), 由合到分, 差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

4 避免保護(hù)誤動(dòng)的應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)對(duì)GCB 開關(guān)位置原生接點(diǎn)和擴(kuò)展接點(diǎn)動(dòng)作行為分析可知, 抽水蓄能保護(hù)的開關(guān)位置信號(hào)如果采用擴(kuò)展接點(diǎn), 受動(dòng)作行程和動(dòng)作時(shí)序的影響,會(huì)導(dǎo)致較高的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。 在本例中, 機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程中在GCB 開關(guān)由分至合過(guò)程中, 由于擴(kuò)展分位接點(diǎn)斷開較慢, 大大滯后于機(jī)端電流出現(xiàn), 差動(dòng)保護(hù)容易誤動(dòng), 而采用本體輔助接點(diǎn)則無(wú)此隱患。 為消除采用擴(kuò)展接點(diǎn)帶來(lái)的誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn), 確保在開關(guān)切換過(guò)程中保護(hù)不發(fā)生誤動(dòng), 電站對(duì)各臺(tái)機(jī)組的開關(guān)接點(diǎn)回路進(jìn)行全面篩查和整改, 一些原本采用了本體接點(diǎn)但對(duì)時(shí)滯要求不高的回路改為采用擴(kuò)展接點(diǎn),留出本體接點(diǎn)給保護(hù)回路用, 而保護(hù)回路原采用了擴(kuò)展接點(diǎn)的全部改為本體接點(diǎn), 消除誤動(dòng)隱患, 提高保護(hù)動(dòng)作可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

抽水蓄能保護(hù)判別運(yùn)行工況需要判斷開關(guān)位置, 實(shí)際工程應(yīng)用中, 有采用開關(guān)本體位置輔助接點(diǎn)信號(hào)及擴(kuò)展位置接點(diǎn)信號(hào)這兩種做法。 開關(guān)位置信號(hào)變位與開關(guān)實(shí)際位置變化相比存在一定時(shí)差,當(dāng)采用擴(kuò)展接點(diǎn)時(shí), 時(shí)滯大幅增加, 保護(hù)不能及時(shí)判別出工況的變化, 無(wú)法執(zhí)行正確的動(dòng)作邏輯, 從而使保護(hù)存在誤動(dòng)或拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn), 為避免保護(hù)不正確動(dòng)作, 建議: ①開關(guān)刀閘設(shè)備選型時(shí)原生接點(diǎn)的數(shù)量預(yù)留應(yīng)充足, 以滿足控制保護(hù)設(shè)備的需要。 ②盡量采用開關(guān)刀閘位置的本體接點(diǎn), 避免采用擴(kuò)展接點(diǎn)。 原來(lái)已經(jīng)采用了擴(kuò)展接點(diǎn)的, 如具備條件應(yīng)進(jìn)行技改更換為本體接點(diǎn), 或采取其他有效防誤措施, 例如延長(zhǎng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間或抬高動(dòng)作門檻, 但有可能會(huì)造成保護(hù)性能降低。 ③抽水蓄能保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要注意保護(hù)的動(dòng)作邏輯和工況判別條件, 充分考慮開關(guān)刀閘位置轉(zhuǎn)換過(guò)程中的狀態(tài)變化對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為的影響。