官地水電站500 kVGIS設(shè)備3/2接線出線保護配置方案

翁利國,鄧叢林

(1.蕭山供電公司,浙江 杭州 311215;2.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院,四川 成都 610072)

1 問題的提出

官地水電站首臺機已于2012年3月投入商業(yè)運營。電站裝設(shè)4臺600 MW混流式水輪發(fā)電機組,發(fā)電機和主變壓器采用單元接線方式,發(fā)電機出口設(shè)斷路器;主變壓器高壓側(cè)經(jīng)500 kV高壓電纜接入開關(guān)站GIS設(shè)備;GIS采用3/2接線;2回出線至月城變。

500 kV 3/2接線出線保護配置通常有2種方案:一種是短引線保護+線路保護;另一種是T區(qū)保護+線路保護。官地水電站500 kV GIS設(shè)備3/2接線出線保護配置采用第一種方案。

2 GIS組合設(shè)備內(nèi)部故障特點

GIS組合設(shè)備又稱為SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備,自20世紀(jì)60年代開始使用至今已有50多年歷史。由于其體積緊湊,大大節(jié)省了占地面積和空間,并且外觀整潔,不受大氣和環(huán)境污染的影響,故障率較低,因此獲得廣泛應(yīng)用。500 kV的GIS設(shè)備是分相布置的,僅有單相接地故障。

考慮到運行維護和運輸?shù)姆奖?GIS設(shè)備按每個小室來設(shè)計,每個小室有1個獨立的SF6氣體供應(yīng)系統(tǒng)。如果某個小室出現(xiàn)漏氣,不會影響整個系統(tǒng)。當(dāng)小室出現(xiàn)漏氣使絕緣強度降低,500 kV的GIS設(shè)備會出現(xiàn)單相接地故障。從GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)來看,每個小室的導(dǎo)體對外的支撐靠端部的盤式絕緣子,如果組裝時不清潔或SF6氣體含水分較高就會引起盤式絕緣子閃爍而造成短路。此外,為了使GIS內(nèi)部電場均衡,在每個小室端部均設(shè)有均壓罩。由于均壓罩對GIS母管的內(nèi)壁電氣距離較短,如果組裝時不清潔或SF6氣體壓力較低,就會引起均壓罩對GIS母管的內(nèi)壁放電而造成單相接地故障。通常,GIS對母管的內(nèi)壁放電所允許的時間(一般稱為燒穿時間)在最大開關(guān)遮斷電流下為0.5 s[1]。

由此可見,如果GIS設(shè)備內(nèi)部故障多屬永久性單相接地故障。GIS的內(nèi)部短路不僅會燒壞設(shè)備(如GIS母管內(nèi)壁變薄或燒穿等),還會使GIS內(nèi)部氣體壓力增加,使GIS的防爆膜爆裂,后果很嚴(yán)重,應(yīng)盡量減少GIS承受故障電流時間。一般斷路器開斷短路電流的操作壽命只有幾次,重合于永久故障會額外增加了一次斷路器合、分短路電流操作,減少斷路器使用壽命。因此,GIS設(shè)備內(nèi)部故障時一般不考慮重合閘。

3 短引線保護+線路保護方案

3.1 CT布置及保護接線

對于500 kV 3/2接線方式,若采用短引線保護+線路保護方案時,CT布置在串內(nèi)(見圖1)。

L1出線兩側(cè)電流互感器CT1和CT2分別接入短引線保護裝置后,再引出合電流接入線路保護裝置。出線隔刀合上,線路正常運行時,投入線路保護,退出短引線保護;當(dāng)出線隔刀斷開,線路退出運行時,退出線路保護,投入短引線保護。

國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計500千伏變電站二次系統(tǒng)部分》中第21章GIS典型設(shè)計方案即為串內(nèi)式CT布置。

圖1 串內(nèi)式布置圖

3.2 性能分析

采用短引線+線路保護方案的優(yōu)點是,線路內(nèi)部故障時,線路保護瞬時動作于跳開本側(cè)2斷路器和對側(cè)斷路器,快速切除故障;缺點是在GIS設(shè)備內(nèi)部K1部位故障時啟動斷路器重合閘,對GIS設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。

對于敞開式開關(guān)站,這種方式是合理的,但對GIS設(shè)備來說,由于內(nèi)部故障不考慮重合,采用這種方式是不合適的。

3.3 故障電流累積持續(xù)時間

線路保護CT布置在串內(nèi),GIS設(shè)備T區(qū)內(nèi)發(fā)生永久故障,線路保護動作跳本側(cè)及對側(cè)斷路器,本側(cè)保護第一次動作切除故障時間約80 ms(近端故障線路保護動作時間約20 ms,操作箱及機構(gòu)繼電器延時約20 ms,斷路器分閘時間約40ms);對側(cè)保護第一次動作切除故障時間約90 ms(遠(yuǎn)端故障線路保護動作時間約30 ms,操作箱及機構(gòu)繼電器延時約20ms,斷路器分閘時間約40 ms)?？紤]斷路器重合,則2次故障電流累加持續(xù)時間最長約180 ms,將對GIS設(shè)備造成嚴(yán)重沖擊。

4 T區(qū)保護+線路保護方案

4.1 CT布置及保護接線

對于500 kV 3/2接線方式,若采用T區(qū)保護+線路保護方案時,CT布置在串外(見圖2)。

圖2 串外式布置圖

L1線路保護采用布置在線路側(cè)的CT4,而母線保護所用的CT與通常的CT布置一樣布置在每一串的GIS串內(nèi)。由于母線保護與線路保護之間的T區(qū)內(nèi)沒有保護重疊區(qū),所以需要在T區(qū)內(nèi)增加三側(cè)差動T區(qū)保護,采用CT1、CT2和CT3電流互感器電流。當(dāng)在GIS設(shè)備T區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時,由T區(qū)保護動作跳閘,并閉鎖重合閘,同時亦遠(yuǎn)方跳閘及閉鎖對側(cè)重合閘。

當(dāng)出線隔刀合上,線路正常運行時,投入T區(qū)保護和線路保護;當(dāng)出線隔刀斷開,線路退出運行時,T區(qū)保護退出線路側(cè)CT3,采用兩側(cè)差動,T區(qū)內(nèi)部故障時,跳本側(cè)斷路器及閉鎖重合閘?？紤]到GIS出線隔刀斷開、對側(cè)充電過來時,如果在出線隔刀和線路保護用CT4之間的K1點發(fā)生故障,剛好該故障是線路保護的背后故障,為了快速切除故障,在GIS出線母管CT上需要增加線末保護,當(dāng)該保護檢測到該故障后,通過遠(yuǎn)跳斷開對側(cè)出線的斷路器。線末保護采用T區(qū)保護線路側(cè)CT4,設(shè)過電流保護,在出線隔刀斷開時投入。

廣東大亞灣核電站,500 kV為3/2接線,采用GIS組合設(shè)備,CT放在GIS母管內(nèi),線路保護用的CT裝在線路上而不在斷路器串上。母線保護CT則裝在斷路器串上。線路保護和母線保護間的GIS T區(qū)則裝有T區(qū)差動保護。該方案是經(jīng)中外有關(guān)單位共同確定的[2]。廣東大亞灣核電站1987年8月7日工程正式開工,1994年2月1日和5月6日2臺單機容量為984MW壓水堆核電機組先后投入商業(yè)運行。二灘水電站,6臺550MW的混流式水輪發(fā)電機組,1991年9月開工,1998年7月第一臺機組發(fā)電,2000年完工。500 kV為GIS組合設(shè)備,2串4/3和2串3/2接線,線路保護CT串外式布置,出線也采用T區(qū)保護+線路保護方案。

4.2 性能分析

采用T區(qū)保護+線路保護方案的優(yōu)點是,可以避免把T區(qū)納入線路保護范圍而啟動重合造成對GIS設(shè)備的二次沖擊,但不利影響是增加了較長的遠(yuǎn)跳令傳送延時,不能快速跳開線路對側(cè)斷路器。

以官地水電站為例,根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 161—2007《線路保護及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)范》,遠(yuǎn)跳對側(cè)斷路器需通過對側(cè)遠(yuǎn)跳裝置經(jīng)就地判據(jù)出口。根據(jù)計算,官地水電站從線路T區(qū)保護動作至跳開對側(cè)斷路器需約132 ms,具體包括:T區(qū)保護動作時間約20 ms,操作箱及操作機構(gòu)繼電器延時20 ms,對側(cè)斷路器分閘時間約40 ms,遠(yuǎn)跳令傳送時間約52ms【線路保護裝置開入模塊接到遠(yuǎn)跳令到裝置發(fā)出信息時間約10 ms,光纖通道延時小于2 ms,對側(cè)線路保護裝置接到遠(yuǎn)跳令到開出至遠(yuǎn)跳裝置時間約10ms,遠(yuǎn)跳裝置從接到遠(yuǎn)跳令到給出跳閘接點時間約30 ms(包括一取一延時整定20 ms和接點輸出延時 10 ms)】。

5 方案比較

通過上述分析,可以看出,2種方案各有優(yōu)缺點,把線路保護CT置于串內(nèi)布置,采用短引線保護+線路保護方案,當(dāng)在GIS設(shè)備T區(qū)內(nèi)故障時,雖能全線速動,快速切除故障,利于系統(tǒng)穩(wěn)定,但重合閘對GIS設(shè)備帶來不利影響;把線路保護CT置于串外布置,采用T區(qū)保護+線路保護方案,可以避免把T區(qū)納入線路保護范圍而啟動重合造成對GIS設(shè)備的二次沖擊,減少GIS設(shè)備承受短路電流的時間,但不能快速跳開線路對側(cè)斷路器。

6 官地水電站500 kVGIS設(shè)備3/2接線出線保護配置

在官地水電站GIS設(shè)備3/2接線出線保護配置設(shè)計過程中,也遇到了上述問題,最后按照上級調(diào)度部門要求,官地水電站線路保護CT布置在串內(nèi),線路保護采用光纖差動保護原理,在線路兩端各配置1套光纖差動保護裝置。為了解決500 kV線路退出運行后兩側(cè)斷路器間的保護問題,配置短引線保護,由500 kV線路側(cè)隔離開關(guān)輔助接點投退。上述保護均為2套配置,光纖差動保護裝置其中一套采用南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司RCS-931GM保護裝置;另一套采用北京四方繼保自動化股份有限公司CSC-103B保護裝置。短引線保護采用2套獨立的國電南京自動化股份有限公司PSL608U保護裝置。

為了實現(xiàn)500 kV線路過電壓保護和遠(yuǎn)方跳閘功能,配置了2套獨立的過壓及遠(yuǎn)跳保護裝置,其中一套采用南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司RCS-925G保護裝置;另一套采用北京四方繼保自動化股份有限公司CSC-125A保護裝置。

7 探 討

對于上述GIS設(shè)備3/2接線2種出線保護配置方案,各有優(yōu)缺點,最好找到一種方案,在GIS設(shè)備出線T區(qū)內(nèi)故障時,既能快速動作切除故障,又不啟動本側(cè)斷路器重合閘:

(1)第1種方案:采用某水電站右岸GIS設(shè)備4/3接線出線保護配置方案,線路保護CT布置于串內(nèi),但串外仍布置T區(qū)保護用CT,保留T區(qū)保護。當(dāng)在GIS設(shè)備T區(qū)內(nèi)部故障時,線路保護動作快速切除故障,同時T區(qū)保護也動作閉鎖重合閘;當(dāng)在GIS設(shè)備T區(qū)外、線路上故障時,對于T區(qū)保護來說,屬于區(qū)外故障,不動作,而線路保護動作快速切除故障,并啟動重合閘。

這種方案能很好地解決在GIS設(shè)備T區(qū)內(nèi)故障時既能快速切除故障,又避免重合閘二次沖擊GIS設(shè)備,但這種方案要求T區(qū)保護和線路保護在GIS設(shè)備T區(qū)內(nèi)故障時的動作靈敏度一致或接近,否則任何一個拒動都不能同時解決快速切除故障和閉鎖重合閘的問題。

(2)第2種方案:根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》中4.10.4條的要求,對于采用了分相光纖差動的線路保護,當(dāng)T區(qū)保護動作遠(yuǎn)跳線路對側(cè)斷路器時,不經(jīng)對側(cè)遠(yuǎn)跳保護裝置而采用直跳方式。按此方案,官地水電站從線路T區(qū)保護動作至跳開對側(cè)斷路器需約107ms,包括:T區(qū)保護動作時間約20 ms,操作箱及操作機構(gòu)繼電器延時20 ms,對側(cè)斷路器分閘時間約40 ms,遠(yuǎn)跳令傳送時間約27 ms【線路保護裝置開入模塊接到遠(yuǎn)跳令到裝置發(fā)出信息時間約10 ms,光纖通道延時小于2 ms,對側(cè)線路保護裝置接到遠(yuǎn)跳令到開出跳閘接點時間約15 ms】,減少了遠(yuǎn)跳令傳送時間,縮短了故障切除時間。

對于第1種方案,目前已投運2個月,目前運行良好。第2種方案在四川某一水電站中已成功實施運行5 a。更完善的解決方案還需要作進(jìn)一步的研究探討。

[1]韓宏躍,何雪峰,孔偉彬,等.用于GIS串外電流互感器配置的T區(qū)保護裝置 [J].電力系統(tǒng)自動化,2001,25(5):39,41.

[2]張華貴.廣東核電站500kV系統(tǒng)繼電保護[J].電力系統(tǒng)保護與控制,1994(01):50-55.