孫仲民 張曉宇 莫品豪 鄭 超 顧喬根

集成熱工功能的調(diào)相機(jī)組非電量保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

孫仲民 張曉宇 莫品豪 鄭 超 顧喬根

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

為了將調(diào)相機(jī)工程中的熱工保護(hù)與分散控制系統(tǒng)解耦，并進(jìn)一步提高熱工保護(hù)的可靠性，需要將熱工保護(hù)功能遷移至非電量保護(hù)裝置。本文設(shè)計(jì)集成熱工功能的調(diào)相機(jī)及變壓器非電量保護(hù)裝置，支持熱工開(kāi)入和非電量開(kāi)入，可兼容多類(lèi)信號(hào)采集，并針對(duì)各類(lèi)熱工信號(hào)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作元件。最后通過(guò)加強(qiáng)電源監(jiān)視及三取二輸出進(jìn)一步提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性，降低保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

繼電保護(hù)；非電量保護(hù)；熱工保護(hù)；調(diào)相機(jī)

0 引言

隨著特高壓、遠(yuǎn)距離直流輸電工程的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)大容量動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力的要求越來(lái)越高[1]。在此背景下，新一代調(diào)相機(jī)憑借其容量大、維護(hù)少、瞬時(shí)無(wú)功支撐能力強(qiáng)、暫態(tài)無(wú)功響應(yīng)快的特點(diǎn)，成為直流輸電工程中最重要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，發(fā)揮著電壓支撐作用[2-3]。

電力系統(tǒng)的電氣量是指通過(guò)電壓、電流互感器等采集獲取到的電氣參數(shù)。由電氣量構(gòu)成的保護(hù)，稱(chēng)為電氣量保護(hù)[4-5]。與之相對(duì)應(yīng)的非電量，通常是指電力系統(tǒng)中一次設(shè)備的瓦斯[6]、溫度、壓力等參數(shù)。非電量保護(hù)是大型變壓器、調(diào)相機(jī)的常見(jiàn)后備保護(hù)[7-8]，其與電量保護(hù)的原理不同，可以和電量保護(hù)配合構(gòu)成更完善的保護(hù)，因而得到廣泛應(yīng)用。就地儀表采集到的調(diào)相機(jī)相關(guān)熱工保護(hù)信號(hào)通常接入分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）裝置[9]，由DCS完成三取二邏輯處理后再輸出3路熱工保護(hù)信號(hào)至三取二裝置[10]，最后由三取二裝置完成判斷后動(dòng)作跳閘。整個(gè)過(guò)程中存在兩次三取二計(jì)算，并且DCS輸出的3個(gè)熱工信號(hào)為同源，存在單一故障導(dǎo)致“三取二”失效的情況。為了簡(jiǎn)化信號(hào)傳輸鏈路，提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性和保護(hù)運(yùn)維便利性，需要對(duì)調(diào)相機(jī)熱工保護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)使DCS和熱工保護(hù)完全解耦，并將熱工保護(hù)整體遷移至非電量保護(hù)裝置，可進(jìn)一步提高熱工保護(hù)可靠性。

本文結(jié)合熱工保護(hù)和非電量保護(hù)的特性，設(shè)計(jì)一種集熱工保護(hù)和非電量保護(hù)于一體的保護(hù)裝置，給出各個(gè)重要保護(hù)動(dòng)作元件的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)算邏輯，并針對(duì)保護(hù)可靠性，提出二次回路和出口的設(shè)計(jì)思路。采用該非電量保護(hù)裝置，可大大提高熱工保護(hù)的可靠性，并簡(jiǎn)化二次設(shè)備的運(yùn)維復(fù)雜度，減少后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的工作量。

1 熱工及非電量信號(hào)接入方案

目前，直流輸電工程中廣泛采用“三取二”保護(hù)邏輯，提高了保護(hù)動(dòng)作的可靠性[11]。鑒于調(diào)相機(jī)在高壓輸電工程中的重要性，通常也采用三取二的跳閘邏輯提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性。調(diào)相機(jī)工程中的熱工信號(hào)接入DCS后的信號(hào)傳遞示意圖如圖1所示。

圖1 熱工信號(hào)接入DCS后的信號(hào)傳遞示意圖

由圖1可知，3組熱工信號(hào)直接接入DCS，由DCS進(jìn)行三取二等邏輯運(yùn)算后輸出動(dòng)作信號(hào)，并將輸出節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展成3組后接入三取二裝置，最后由三取二裝置完成動(dòng)作出口。

從信號(hào)傳遞示意圖來(lái)看，采用熱工信號(hào)接入DCS的方案存在單一回路或者裝置異常導(dǎo)致整個(gè)三取二失效的可能性。為解決這一問(wèn)題，將熱工保護(hù)和DCS解耦，同時(shí)將熱工信號(hào)接入非電量保護(hù)裝置。改進(jìn)后的熱工及非電量保護(hù)信號(hào)接入示意圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后熱工及非電量保護(hù)信號(hào)接入示意圖

由圖2可知，集成熱工功能的非電量保護(hù)裝置需配置三臺(tái)，分別為C1套、C2套和C3套。三取二裝置需要配置兩臺(tái)，分別為A套和B套。所有模擬量和開(kāi)關(guān)量的采集由熱工及非電量保護(hù)裝置完成，所有三取二邏輯由三取二保護(hù)裝置完成，最終由后者出口跳閘。此方案工程適應(yīng)性較強(qiáng)，無(wú)論是新建站還是改造站都便于實(shí)施。

為了避免兩個(gè)以上不同類(lèi)型非電量或者熱工信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)故障導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的情況，熱工及非電量保護(hù)裝置給三取二裝置發(fā)送的為各個(gè)熱工或者非電量信號(hào)，由三取二裝置完成同一類(lèi)型信號(hào)的判斷后動(dòng)作跳閘。

三取二保護(hù)裝置的每個(gè)動(dòng)作元件都有三個(gè)模式，分別為三取二模式、二取一模式和一取一模式，具體如下。

三取二模式：?jiǎn)闻_(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置動(dòng)作情況下，三取二保護(hù)裝置可靠不動(dòng)作。在兩臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置動(dòng)作情況下，三取二保護(hù)裝置要可靠動(dòng)作。

二取一模式：當(dāng)一臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置異常，另兩臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置任一動(dòng)作時(shí)，三取二保護(hù)裝置要可靠動(dòng)作。

一取一模式：極端情況，當(dāng)兩臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置均異常，最后一臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，三取二保護(hù)裝置要可靠動(dòng)作。

此外，熱工信號(hào)由就地儀表采集后經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置可同時(shí)發(fā)送至熱工及非電量保護(hù)裝置和DCS。同時(shí)，三取二裝置也支持與DCS的通信，可發(fā)送各類(lèi)告警和動(dòng)作信號(hào)。通過(guò)上述接口及協(xié)同工作，DCS可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要信號(hào)及動(dòng)作的監(jiān)視、告警和控制。

2 非電量保護(hù)原理與設(shè)計(jì)

非電量信號(hào)可分為跳閘類(lèi)非電量信號(hào)和非跳閘類(lèi)非電量信號(hào)，采集自調(diào)相機(jī)工程中主變壓器和勵(lì)磁變壓器的本體，可直接或者通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換后，經(jīng)二次回路接入保護(hù)裝置的非電量重動(dòng)模塊。信號(hào)變位時(shí)經(jīng)過(guò)重動(dòng)模塊輸出中央信號(hào)、遠(yuǎn)方信號(hào)和事件記錄三對(duì)信號(hào)接點(diǎn)，其中，中央信號(hào)接點(diǎn)有磁保持功能，即當(dāng)非電量信號(hào)返回后，中央信號(hào)接點(diǎn)保持導(dǎo)通直至按下相應(yīng)的復(fù)歸按鈕，其他出口接點(diǎn)則立即返回。

由于變壓器針對(duì)不同的非電量信號(hào)可繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間有所不同，因此設(shè)計(jì)非電量延時(shí)動(dòng)作元件。對(duì)于需要延時(shí)跳閘的非電量信號(hào)，除了能重動(dòng)及輸出上述三對(duì)接點(diǎn)外，在滿(mǎn)足設(shè)定的延時(shí)邏輯后，能發(fā)送相應(yīng)的延時(shí)動(dòng)作報(bào)文或者啟動(dòng)專(zhuān)門(mén)的跳閘繼電器出口。需要延時(shí)跳閘的非電量開(kāi)入信號(hào)原理如圖3所示。非電量延時(shí)保護(hù)邏輯如圖4所示，非電量延時(shí)保護(hù)元件受軟硬壓板控制，可單獨(dú)出口，不受重動(dòng)繼電器影響。

圖3 需延時(shí)跳閘的非電量開(kāi)入信號(hào)原理

圖4 非電量延時(shí)保護(hù)邏輯

為了配合三取二設(shè)計(jì)，非電量開(kāi)入和非電量延時(shí)動(dòng)作信號(hào)可分別輸出，可通過(guò)硬接點(diǎn)或光纖發(fā)送至各三取二裝置。

3 熱工保護(hù)原理與設(shè)計(jì)

調(diào)相機(jī)按冷卻方式可分為空冷機(jī)組和雙水內(nèi)冷機(jī)組，兩種方式因冷卻原理和結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致熱工保護(hù)也存在不同。在設(shè)計(jì)熱工保護(hù)時(shí)需要考慮兼容調(diào)相機(jī)不同的冷卻模式。

3.1 溫度異常保護(hù)

裝置有可進(jìn)行溫度采集的測(cè)量模塊，含有多組獨(dú)立通道，可分別接入不同溫度測(cè)量信號(hào)。

溫度采集模塊主要用于采集出線端和非出線端軸瓦溫度，考慮到軸瓦溫度不會(huì)短時(shí)突變，因此當(dāng)采集的溫度變化率大于最大溫度變化率定值，或者溫度采樣信號(hào)超出采樣范圍時(shí)，置品質(zhì)異常。溫度品質(zhì)判據(jù)表達(dá)式為

溫度異常保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為：采集溫度大于溫度異常動(dòng)作定值。當(dāng)保護(hù)軟壓板、功能控制字投入且采樣品質(zhì)正常條件下，溫度監(jiān)視元件判據(jù)滿(mǎn)足時(shí)，溫度監(jiān)視保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作。溫度異常保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖5所示。

圖5 溫度異常保護(hù)動(dòng)作邏輯

此外，多通道的溫度測(cè)量信號(hào)均設(shè)置包含獨(dú)立定值的保護(hù)元件，滿(mǎn)足多組監(jiān)視需求。

3.2 油位異常保護(hù)

裝置具有可進(jìn)行潤(rùn)滑油主油箱液位采集的模塊，同樣含有多組獨(dú)立通道，通過(guò)采集的4～20mA直流電流信號(hào)反映油位情況。當(dāng)采集的小電流信號(hào)出現(xiàn)超出4～20mA范圍等異常時(shí)會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)異常。

油位異常保護(hù)還設(shè)置了“油位監(jiān)視功能切換”定值，以滿(mǎn)足對(duì)液位過(guò)高或過(guò)低不同的判斷需求。油位異常保護(hù)判據(jù)為：“油位監(jiān)視功能切換”定值整定為過(guò)量保護(hù)時(shí)，通過(guò)小電流信號(hào)計(jì)算出的位置值大于動(dòng)作定值；“油位監(jiān)視功能切換”定值整定為欠量保護(hù)時(shí)，通過(guò)小電流信號(hào)計(jì)算出的位置值小于動(dòng)作定值。當(dāng)保護(hù)軟壓板、功能控制字投入且采樣品質(zhì)正常條件下，油位異常保護(hù)元件判據(jù)滿(mǎn)足時(shí)，油位監(jiān)視保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作。油位異常保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖6所示。

圖6 油位異常保護(hù)動(dòng)作邏輯

此外，多通道的4～20mA直流信號(hào)均設(shè)置獨(dú)立保護(hù)元件，同樣支持獨(dú)立定值，滿(mǎn)足多組監(jiān)視需求。

3.3 轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)

機(jī)組的轉(zhuǎn)速探頭采集到轉(zhuǎn)速后會(huì)轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)發(fā)送給保護(hù)裝置，裝置利用4～20mA直流采集模塊采集轉(zhuǎn)速值，當(dāng)小電流信號(hào)超出采樣范圍時(shí)則認(rèn)為當(dāng)前采集的轉(zhuǎn)速品質(zhì)異常。

通過(guò)就地壓差開(kāi)關(guān)獲得轉(zhuǎn)子水壓力，若小于設(shè)定值，則送出一組開(kāi)關(guān)量信號(hào)到保護(hù)裝置，即轉(zhuǎn)子水流量低開(kāi)入。

只有當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，同時(shí)轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)水流量低時(shí)，才認(rèn)為是機(jī)組發(fā)生異常。因此，轉(zhuǎn)速高需要配合轉(zhuǎn)子水流量低開(kāi)入構(gòu)成轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)。

轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)的判據(jù)為：通過(guò)小電流信號(hào)計(jì)算出的轉(zhuǎn)速大于動(dòng)作定值，且有轉(zhuǎn)子水流量低開(kāi)入。保護(hù)軟壓板、功能控制字投入且采樣品質(zhì)正常條件下，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)的判據(jù)時(shí)，保護(hù)裝置經(jīng)延時(shí)動(dòng)作出口。轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)動(dòng)作邏輯

3.4 熱工開(kāi)入經(jīng)延時(shí)跳閘

調(diào)相機(jī)組的一部分熱工信號(hào)經(jīng)就地儀表采集后，通過(guò)二次回路直接以開(kāi)關(guān)量的方式接入熱工及非電量保護(hù)裝置，由裝置經(jīng)防抖延時(shí)等處理后用于保護(hù)動(dòng)作跳閘。以雙水內(nèi)冷機(jī)組和空冷機(jī)組為例，常見(jiàn)用于熱工保護(hù)的信號(hào)見(jiàn)表1。

表1 熱工保護(hù)常用信號(hào)

4 電源可靠性設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高可靠性，集成熱工功能的非電量保護(hù)裝置采用雙電源模塊設(shè)計(jì)，并確保接入單臺(tái)保護(hù)裝置的兩個(gè)電源模塊的交流電來(lái)自不同電源屏，任一電源丟失的情況下，不影響裝置正常運(yùn)行，并給出電源異常告警報(bào)文。

通常站內(nèi)開(kāi)入電源也來(lái)自?xún)陕凡煌娫雌?，開(kāi)入電源接入方式如圖8所示。由圖8可知，C1套非電量保護(hù)裝置開(kāi)入電源采用第一段直流電源供電，C2套非電量保護(hù)裝置開(kāi)入電源采用第二段直流電源供電，C3套非電量保護(hù)裝置開(kāi)入電源采用一、二段切換后直流電源供電，C3非電量保護(hù)屏中需配置直流電源自動(dòng)切換模塊。

圖8 開(kāi)入電源接入方式

采用雙電源模塊和雙開(kāi)入電源接入方式時(shí)，單一電源缺失可保證三臺(tái)裝置都能繼續(xù)正常運(yùn)行，但此時(shí)三臺(tái)非電量保護(hù)裝置中必然有一臺(tái)保護(hù)裝置的開(kāi)入電源消失。如圖8中的開(kāi)入電源1缺失，C3套非電量保護(hù)裝置的開(kāi)入電源經(jīng)電壓切換裝置由開(kāi)入電源2供電，C1套非電量保護(hù)裝置開(kāi)入電源缺失。

考慮到非電量保護(hù)裝置的開(kāi)入電源對(duì)保護(hù)動(dòng)作的重要性，設(shè)計(jì)具備電源監(jiān)視功能的非電量和熱工保護(hù)開(kāi)入模塊，三取二通道中發(fā)送開(kāi)關(guān)量的同時(shí)也會(huì)發(fā)送開(kāi)入電源是否異常的信號(hào)。當(dāng)與保護(hù)功能相關(guān)的開(kāi)入電源異常時(shí)，三取二保護(hù)裝置將保護(hù)功能由三取二模式切換為二取一模式，保證極端工況下保護(hù)能可靠動(dòng)作出口。

5 結(jié)論

為了將熱工保護(hù)遷移至非電量保護(hù)裝置，并進(jìn)一步提高保護(hù)可靠性，設(shè)計(jì)了集成熱工功能的非電量保護(hù)裝置，保留了原有非電量保護(hù)的特點(diǎn)，并支持非電量開(kāi)入的數(shù)字化通信。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了針對(duì)熱工保護(hù)特點(diǎn)的保護(hù)動(dòng)作元件，兼容多類(lèi)采樣模擬量接入，設(shè)計(jì)保護(hù)動(dòng)作邏輯。最后通過(guò)提高輸入、輸出可靠性來(lái)提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性，降低保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

采用該設(shè)計(jì)的集成熱工功能的非電量保護(hù)裝置已經(jīng)在調(diào)相機(jī)工程中得到試點(diǎn)應(yīng)用，目前對(duì)于老舊站的升級(jí)改造還需要進(jìn)一步研究和完善。將熱工保護(hù)集成至非電量保護(hù)，同樣有助于未來(lái)調(diào)相機(jī)熱工和非電量保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

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Design of non-electricity protection device with integrated thermal engineering function for synchronous condenser

SUN Zhongmin ZHANG Xiaoyu MO Pinhao ZHENG Chao GU Qiaogen

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In order to decouple the thermal protection from the distributed control system and further improve the reliability of the thermal protection, it is necessary to transfer the thermal protection function to the non-electricity protection device. A non-electricity protection device for synchronous condenser and transformer with integrated thermal function is designed, which supports thermal and non-electricity input and is compatible with multiple types of signal acquisition. Corresponding protective action elements are designed according to the characteristics of various thermal signals. Finally, the reliability of protection action is further improved by strengthening power monitoring and taking two outputs from three to reduce the risk of protection rejection or misoperation.

relay protection; non-electricity protection; thermal protection; synchronous condenser

2022-05-26

2022-06-14

孫仲民（1989—），男，江蘇鹽城人，博士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及二次系統(tǒng)智能運(yùn)維的研究與開(kāi)發(fā)工作。