雙回線送出水電站的繼電保護(hù)研究及改進(jìn)

趙 杰 吳國(guó)棟

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力調(diào)度控制中心，甘肅 蘭州 730030)

雙回線送出水電站的繼電保護(hù)研究及改進(jìn)

趙 杰 吳國(guó)棟

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力調(diào)度控制中心，甘肅 蘭州 730030)

為提高電力送出的可靠性，多數(shù)中小型水電站采用雙回輸電線路送出機(jī)組出力。在水電大發(fā)時(shí)，如果其中的一回線故障，將發(fā)生事故條件下的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，造成未故障線路的相間距離保護(hù)Ⅲ段或線路過流保護(hù)動(dòng)作，迫使水電站機(jī)組與系統(tǒng)解列，造成棄水事故。為解決采用雙回輸電線路送出的水電站運(yùn)行問題，本文提出了通過加裝線路過負(fù)荷解列裝置防止事故情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)移造成水電站解列的問題。

水電站；雙回線；繼電保護(hù)；改進(jìn)

Research and Improvement of Relay Protection of Double-circuit Transmission Line for Hydropower Station

近年來，許多中小型水電站都采用雙回輸電線路與電網(wǎng)連接，這種雙回線路與電網(wǎng)相連的主接線方式提高了水電站的安全性，同時(shí)，也方便了線路檢修，適應(yīng)水電站系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化。因此，大多數(shù)中小型水電站都采用雙回路輸電線路送出機(jī)組出力。但是，在實(shí)際運(yùn)行中卻發(fā)現(xiàn)：在流域水量豐富水電大發(fā)時(shí)，如果雙回線中的一條線路發(fā)生故障跳閘，故障線路上的送出負(fù)荷會(huì)轉(zhuǎn)移到非故障線路上，使非故障線上的負(fù)荷在事故期間突然增大，造成非故障線路的線路相間距離保護(hù)Ⅲ段測(cè)量阻抗變小、過電流保護(hù)測(cè)量電流增大，并達(dá)到相間距離保護(hù)Ⅲ段、過電流保護(hù)的動(dòng)作定值，使非故障線路跳閘。在此期間，水電站一般按運(yùn)行規(guī)程要求，水電機(jī)組要保持空載運(yùn)行，水輪機(jī)空轉(zhuǎn)，有庫(kù)容的水電站要進(jìn)行水量的調(diào)節(jié)，無調(diào)節(jié)能力的水電站(如徑流式電站)可能要提閘棄水，以保住發(fā)電設(shè)備。直到機(jī)組按調(diào)度下達(dá)的調(diào)度命令重新并網(wǎng)后，水電站才能穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)上述問題，本文在分析雙回線水電站繼電保護(hù)原理與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過加裝線路過負(fù)荷解列裝置，利用繼電保護(hù)裝置和線路過負(fù)荷解列裝置的動(dòng)作配合，解決雙回線發(fā)生一回線故障引起另一回非故障線路跳閘而導(dǎo)致的水電站解列及棄水事故問題。

1 雙回線送出水電站事故負(fù)荷轉(zhuǎn)移條件下保護(hù)動(dòng)作行為分析

按規(guī)程規(guī)定[1]，線路L1和L2配置有線路快速保護(hù)(一般為分相電流差動(dòng)保護(hù))、三段式相間(接地)距離保護(hù)、四段式零序保護(hù)、三段式過電流保護(hù)的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，電流方向由水電站流向電網(wǎng)(圖1為一典型的采用雙回線方式送出的中小型110kV水電站的電網(wǎng)主接線示意圖)，I1max、Z1為線路L1的最大負(fù)荷電流和線路阻抗，I2max、Z2為線路L2的最大負(fù)荷電流和線路阻抗。

圖1 典型雙回線送出水電站電網(wǎng)主接線

下面將著重分析雙回線路系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在線路L2的fk點(diǎn)發(fā)生故障并跳開的期間，故障線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移到線路L1時(shí)，L1線路保護(hù)所受影響及動(dòng)作行為。

1.1 分相(分線)電流縱差保護(hù)

分相(分線)電流差動(dòng)保護(hù)是指按相比較線路兩側(cè)電流的幅值及相位，如果兩側(cè)的電流和值的絕對(duì)值超過動(dòng)作值時(shí)，線路兩側(cè)同時(shí)按相切除故障[2]。如圖2所示，I1M和I2M為正常運(yùn)行方式下，從水電站母線流向線路的電流，I1N和I2N為流向系統(tǒng)110kV母線的電流。

圖2 分相差動(dòng)保護(hù)原理

分相電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件為：ICD=|IM+IN|>IDZ(分相電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作定值)。如圖1在L2的fk點(diǎn)故障跳閘情況下，由圖2線路L1水電站母線流向線路的電流為I1M+I2M，此時(shí)L1對(duì)端的分相差動(dòng)保護(hù)測(cè)量電流為I1N+I2N方向?yàn)閺?10kV系統(tǒng)母線流向電網(wǎng)系統(tǒng)，由于正常運(yùn)行時(shí)線路首端末端電流基本相等(I1M≈I1N，I2M≈I2N)，因此，I1M+I2M與I1N+I2N，方向相反大小相同，線路L1保護(hù)動(dòng)作電流ICD=|(I1M+I2M)+(I1N+I2N)|≈0

1.2 線路四段式零序電流保護(hù)

線路零序電流保護(hù)以零序電流的大小作為保護(hù)動(dòng)作的條件[3]，具備接線簡(jiǎn)單、選擇性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在水電站送出線路中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用[4]。

當(dāng)圖1中L2的fk點(diǎn)發(fā)生故障并跳開的期間，由于線路L1負(fù)荷電流具備三相平衡的特點(diǎn)，線路L1中不會(huì)產(chǎn)生零序分量，因此，在故障情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)移至正常線路L1時(shí)，線路L1無零序電流分量存在，故零序電流保護(hù)不受影響，不會(huì)動(dòng)作。

1.3 線路三段式相間距離保護(hù)

距離保護(hù)是反應(yīng)故障點(diǎn)至保護(hù)安裝地點(diǎn)之間的距離(或阻抗)，并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動(dòng)作時(shí)間的一種保護(hù)裝置。該裝置的主要元件為距離(阻抗)繼電器，它可根據(jù)其端子上所加的電壓和電流測(cè)知保護(hù)安裝處至短路點(diǎn)間的阻抗值。阻抗元件的阻抗值是接入該元件的電壓與電流的比值：U/I=Z，也就是短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處的阻抗值。因此線路的保護(hù)測(cè)量阻抗值與線路的電流有密切關(guān)系[3]。

在線路L2故障情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)移至正常線路L1時(shí)，由于線路L1電流發(fā)生了較大變化，會(huì)引起線路L1測(cè)量阻抗變小。由于整定原則條件規(guī)定[6-7]，將會(huì)對(duì)相間距離三段的動(dòng)作行為有較大影響，在某些大負(fù)荷情況下可能引起線路L1相間距離保護(hù)三段誤動(dòng)作。

1.4 三段式電流保護(hù)

三段式電流保護(hù)反應(yīng)的基本特征量是流過線路的電流，即通過電流大小來判斷保護(hù)動(dòng)作與否。三段式電流保護(hù)一般由電流速斷、延時(shí)電流速斷、過電流組成，構(gòu)成三段式保護(hù)階梯特性。對(duì)于35kV水電站送出線路，規(guī)程規(guī)定必須配置電流速斷保護(hù)作為線路的主保護(hù)，同時(shí)配置其余段作為后備保護(hù)[5]。

由于電流速斷、延時(shí)電流速斷電流整定值較大，在大負(fù)荷方式下，圖1線路L2故障時(shí)，線路L1的電流為(I1max+I2max)，此電流與電流速斷、延時(shí)電流速斷電流整定值相比較小，電流速斷、延時(shí)電流速斷不會(huì)動(dòng)作，但由于三段式電流保護(hù)整定原則規(guī)定[6]，過電流保護(hù)段受負(fù)荷電流影響較大，在L2故障情況下，負(fù)荷轉(zhuǎn)移至正常線路L1時(shí)，電流發(fā)生了較大的變化，線路L1過電流保護(hù)段存在誤動(dòng)可能。

2 相間距離三段、過電流保護(hù)段受事故負(fù)荷轉(zhuǎn)移影響分析

在故障情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)移至正常線路時(shí)，分相電流差動(dòng)保護(hù)及線路零序電流保護(hù)不受影響，可保證保護(hù)動(dòng)作的可靠性，但相間距離保護(hù)和過流保護(hù)會(huì)受到影響，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 相間距離三段保護(hù)

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，線路L1相間距離保護(hù)Ⅲ段定值為[6]

(1)

式中Kk——可靠系數(shù),Kk≤0.7;

ZFH——線路L1最小負(fù)荷阻抗。

ZFH通過以下計(jì)算獲得：

(2)

式中Un——電網(wǎng)的額定相電壓；

I1max——線路L1的最大負(fù)荷電流。

相間距離三段保護(hù)段動(dòng)作時(shí)間設(shè)為TⅢ。

當(dāng)圖1中線路L2的fk點(diǎn)發(fā)生相間短路故障時(shí)，線路L2水電站側(cè)與系統(tǒng)側(cè)保護(hù)將動(dòng)作跳開線路兩側(cè)開關(guān)切除故障。在水電站側(cè)保護(hù)動(dòng)作跳開本側(cè)開關(guān)等待重合閘動(dòng)作的時(shí)間內(nèi)，線路L2的負(fù)荷電流I2將瞬間轉(zhuǎn)移到線路L1上，L1上的負(fù)荷電流將增加為：I1max+I2max，線路L1水電站側(cè)距離保護(hù)三段的測(cè)量阻抗(ZC)將發(fā)生很大變化。

(3)

一般情況下I1max≈I2max，用式(1)-式(2)：

=0.13 Un/I1max>0

即ZL1,Ⅲ>ZC，從此結(jié)果看出線路L1的距離保護(hù)Ⅲ段測(cè)量阻抗ZC已進(jìn)入相間距離三段保護(hù)范圍，達(dá)到動(dòng)作值，如果線路L2開關(guān)重合失敗，線路L1相間距離保護(hù)Ⅲ段經(jīng)TⅢ延時(shí)動(dòng)作跳開線路L1水電站側(cè)開關(guān)，造成電廠與電網(wǎng)解列。

2.2 過流三段保護(hù)

線路L1的階段式電流保護(hù)的過流保護(hù)定值為[6]

(4)

式中,Kk≥1.2 為可靠系數(shù)，Kf為返回系數(shù)，I1max線路L1的最大負(fù)荷電流，過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)為tⅢ。

同理，當(dāng)圖1中線路L2的fk點(diǎn)發(fā)生相間短路故障時(shí)，線路L2的負(fù)荷電流I2將瞬間轉(zhuǎn)移到線路L1上，L1上的負(fù)荷電流將增加為I1max+I1max，線路L1水電站側(cè)過流保護(hù)感受到的電流值IC都將發(fā)生很大變化。 一般情況下I1max≈I1max，在上述故障期間，過流保護(hù)感受到的電流值為

(5)

用式(5)-式(4)：

即IC>IDZ,Ⅲ，故障期間過流保護(hù)感受到的電流IC已大于線路L1保護(hù)的過流保護(hù)定值，具備動(dòng)作條件。同樣如果線路L2開關(guān)重合失敗，線路L1過流保護(hù)經(jīng)tⅢ延時(shí)動(dòng)作跳開線路L1水電站側(cè)開關(guān)，造成解列事故的發(fā)生。

當(dāng)水電站線路配置的微機(jī)保護(hù)有距離功能、過電流功能時(shí)，都可能在上述電網(wǎng)主接線方式下，發(fā)生由于一回線故障而引起另一回線跳閘，進(jìn)而將水電電源解列的事故。

3 防止水電站解列方案研究與比較

3.1 限制線路電流方案

采用雙回輸電線路送出的中小型水電站運(yùn)行存在這種由于在線路事故N-1情況下，引起的水電站解列、棄水等情況，其根本原因還是故障期間故障線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移到非故障線路。為解決這一問題，許多水電站在水電大發(fā)時(shí)，通過限制機(jī)組處理，使每回線路按最大電流的一半運(yùn)行，即將線路L1、L2的電流降為0.5I1max、0.5I2max運(yùn)行，當(dāng)其中的L2線故障時(shí)，L1線的總電流0.5I1max+0.5I2max≈I1max。采用這種方法雖然解決了一回線故障引起的水電站解列棄水的問題，提高了運(yùn)行的安全性，但同時(shí)也限制了機(jī)組的發(fā)電出力，極大地影響了水電站的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 加裝線路過負(fù)荷解列裝置方案

3.2.1 線路過負(fù)荷解列裝置

線路過負(fù)荷解列裝置是一種典型的安全自動(dòng)裝置，它以正常運(yùn)行時(shí)線路的電流、功率等作為動(dòng)作判據(jù)，當(dāng)線路電流、功率大于它的預(yù)設(shè)定值時(shí)，該裝置就地或通過傳輸裝置切除與線路輸送功率有關(guān)的負(fù)荷或發(fā)電機(jī)組，以保證線路在允許的工況條件下運(yùn)行[4]。

3.2.2 利用過負(fù)荷解列裝置防止事故負(fù)荷轉(zhuǎn)移引起誤動(dòng)方案

根據(jù)對(duì)過負(fù)荷解列裝置原理及功能的分析，可采用過負(fù)荷解列裝置和繼電保護(hù)協(xié)同聯(lián)動(dòng)，利用繼電保護(hù)裝置和線路過負(fù)荷解列裝置的動(dòng)作配合解決雙回線中一回線發(fā)生故障引起非故障線路跳閘，造成水電站解列及棄水事故的問題(原理見圖3)。

圖3 加裝過負(fù)荷解列方案

在水電站側(cè)加裝過負(fù)荷解列裝置JL，裝置將線路L1、L2的電流、電壓、兩個(gè)出線開關(guān)的跳閘位置開關(guān)量、水電站運(yùn)行機(jī)組F1～Fn等機(jī)組的出力電流量也采入裝置內(nèi)，裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路、運(yùn)行機(jī)組的電壓、電流和功率值等數(shù)值。在過負(fù)荷解列裝置投入運(yùn)行后，線路L1、L2可滿負(fù)荷I1max、I2max運(yùn)行，當(dāng)線路L2的fk點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，線路過負(fù)荷解列裝置通過對(duì)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的出力電流進(jìn)行快速計(jì)算，在快于線路L1距離保護(hù)Ⅲ段動(dòng)作時(shí)間TⅢ和過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間tⅢ前，按已制定切除機(jī)組的策略切除部分運(yùn)行發(fā)電機(jī)組，切除機(jī)組的總電流不小于I2max，使運(yùn)行的線路L1負(fù)荷電流保持在I1max的左右。由于線路過負(fù)荷解列裝置在距離保護(hù)Ⅲ段和過流保護(hù)時(shí)間動(dòng)作前已將部分機(jī)組切除，線路L1距離保護(hù)Ⅲ段的測(cè)量阻抗、過流保護(hù)感受的電流值都是在I1max條件下的，未達(dá)到保護(hù)定值，因此，線路L1兩側(cè)線路保護(hù)不可能跳閘，避免了水電機(jī)組和電網(wǎng)解列事故的發(fā)生，同時(shí)也可以使線路滿載運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

在采用雙回輸電線路送出的中小型水電站運(yùn)行中，通過加裝線路過負(fù)荷解列裝置可以有效避免由一回線故障引起的負(fù)荷裝置造成的水電機(jī)組與電力系統(tǒng)解列事故。在實(shí)際運(yùn)行中，采用這種方法，不但投資少，而且由于送出線路可滿載運(yùn)行，提高了水電站的經(jīng)濟(jì)效益。但是，這種方法對(duì)線路過負(fù)荷解列裝置安全運(yùn)行的要求很高，裝置不能長(zhǎng)期退出，為此，部分水電站配置了雙套解列裝置以提高運(yùn)行的安全性。雖然這樣增加了投資，但與增加一次線路和線路降負(fù)荷運(yùn)行相比，雙套配置也是值得的。

[1] Q/GDW 421—2010 電網(wǎng)穩(wěn)定自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[2] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001:2-7.

[3] 朱聲石.高壓繼電保護(hù)原理與技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005:128-167.

[4] 楊冠城.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000:166-178.

[5] Q/GDW 11420—2015 省級(jí)以上電網(wǎng)繼電把保護(hù)一體化整定計(jì)算技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2015:4-5.

[6] DL/T 584—2007 3kV～110kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2007:10-19.

[7] DL/T 559—2007 220kV～750kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2007:25-29.

ZHAO Jie, WU Guodong

(ElectricPowerDispatchingandControlCenterofGansuProvincialElectricPowerCompany,

Lanzhou730030,China)

In order to improve the reliability of power transmission, most of the small and medium sized hydropower station use double-circuit transmission lines to sent out unit output. When the hydroelectric power is on, if one of the lines fails, the load transfer under accident conditions will occur. Result in non-fault line phase distance protection Ⅲ or line over-current protection action and force the hydropower station unit and the system sectionalizing, resulting in abandoned water accident. In order to solve the problem of the operation of the hydropower station with double circuit transmission lines, this paper puts forward the problem of preventing the disconnection of the hydropower station caused by the load transfer under the accident situation by installing the line overloading sectionalizing device.

hydropower station; double line; relay protection; improvement

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.02.011

TV73

A

1673-8241(2017)02- 0052- 04

水電站技術(shù)