中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電源快速切換研究

許洪元，李杰，肖小兵

(1.江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550001)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電源快速切換研究

許洪元1，李杰1，肖小兵2

(1.江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550001)

電源快速切換裝置在中性點(diǎn)不接地的石化企業(yè)電網(wǎng)中應(yīng)用時(shí)，因規(guī)程允許在發(fā)生單相接地故障后電網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間，一般不要求進(jìn)行切換。然而實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)發(fā)生單相接地后容易產(chǎn)生過(guò)電壓，燒壞設(shè)備。為此，研究了石油化工企業(yè)電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的電源快速切換問(wèn)題，提出了以零序功率方向?yàn)橹髋袚?jù)的單相接地故障快速起動(dòng)組合判據(jù)，并據(jù)此研發(fā)了新型變電站電源快速切換裝置。RTDS動(dòng)模試驗(yàn)的結(jié)果表明該判據(jù)能在發(fā)生單相接地故障階段準(zhǔn)確地檢測(cè)出故障區(qū)域，從而使得快切裝置能夠迅速地將負(fù)荷切換到備用電源，避免了故障擴(kuò)大對(duì)負(fù)荷運(yùn)行可能造成的嚴(yán)重影響。

石油化工；電源快速切換；中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)； 單相接地故障；零序功率方向

0 引 言

變電站電源快速切換裝置(亦稱(chēng)無(wú)擾動(dòng)電源切換裝置)在煉化企業(yè)等石油化工單位已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，取得了很好的抗“晃電”效果[1]139。然而，迄今為止，石化企業(yè)變電站電源快速切換裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)基本上都是短路故障發(fā)生時(shí)能夠快速將工作電源切換至備用電源，而沒(méi)有考慮在中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的小電流接地系統(tǒng)中單相接地故障下的切換[2-3]。因?yàn)?，在小電流接地系統(tǒng)中，規(guī)程允許發(fā)生單相接地故障可短時(shí)間繼續(xù)運(yùn)行(2小時(shí)以?xún)?nèi))。

發(fā)生單相接地后，小電流接地的供電系統(tǒng)容易發(fā)生過(guò)電壓，燒壞PT等設(shè)備，因此，有些石化企業(yè)開(kāi)始采用小電阻接地方式[4]來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但現(xiàn)階段采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的石化企業(yè)仍然比較普遍[5]，研究在小電流接地方式下單相接地故障的識(shí)別和實(shí)現(xiàn)備用電源的快速切換具有很大的實(shí)用價(jià)值。

本文研究電源快切裝置在石化企業(yè)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用，首次提出中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中單相接地故障的快速起動(dòng)判據(jù)，并研發(fā)了相應(yīng)的變電站電源快速切換裝置，動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該判據(jù)的有效性。

1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障快切起動(dòng)判據(jù)設(shè)計(jì)

1.1 變電站快切裝置的動(dòng)作和閉鎖區(qū)域

電源快速切換技術(shù)是傳統(tǒng)的備用電源自動(dòng)投切技術(shù)的替代品，最早用于火電廠廠用電工作電源與備用電源之間的快速切換，保障發(fā)電機(jī)組的安全停機(jī)。后來(lái)，電源快切技術(shù)被移植到石化企業(yè)變電站等母線帶有電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)變電站，作為抗“晃電”的主要技術(shù)手段[6]得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 快切裝置的動(dòng)作區(qū)域和閉鎖區(qū)域

快切裝置用于解決電源進(jìn)線及其上級(jí)電網(wǎng)發(fā)生故障，電源失去時(shí)的快速切換問(wèn)題；而當(dāng)變電站母線或出線或負(fù)載發(fā)生故障時(shí)，快切裝置必須閉鎖以免合于故障，擴(kuò)大事故。換言之，快切裝置的動(dòng)作區(qū)域是電源進(jìn)線及其上級(jí)電網(wǎng)，閉鎖區(qū)域是母線及其饋出線、負(fù)荷，如圖1所示。

1.2 變電站快切裝置的起動(dòng)判據(jù)

常規(guī)的變電站快切裝置主要用于解決失去進(jìn)線電源時(shí)的快速切換問(wèn)題。變電站快切裝置的常用快速起動(dòng)判據(jù)有[1]141：

(1)保護(hù)起動(dòng)

保護(hù)起動(dòng)是指將線路/線變組/主變等電源側(cè)設(shè)備的快速主保護(hù)接點(diǎn)引入到快切裝置中，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，一旦檢測(cè)到電源側(cè)主保護(hù)動(dòng)作，快切裝置立即起動(dòng)切換，斷開(kāi)故障線路，投入備用電源。

(2)逆功率起動(dòng)

當(dāng)無(wú)進(jìn)線快速保護(hù)接點(diǎn)起動(dòng)裝置切換時(shí)，用此起動(dòng)判據(jù)可實(shí)現(xiàn)故障情況下的快速切換。其判別的主要特征是進(jìn)線1或進(jìn)線2出現(xiàn)了流向上級(jí)電網(wǎng)的反方向電流。

(3)頻壓異常起動(dòng)

頻壓起動(dòng)判據(jù)主要用于進(jìn)線可能向電網(wǎng)倒送電等逆功率起動(dòng)不適合應(yīng)用的場(chǎng)合，基本思想是當(dāng)進(jìn)線電源因各種原因消失后，工作負(fù)荷孤網(wǎng)運(yùn)行，工作母線的頻率會(huì)偏離工頻值。

1.3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障判據(jù)

以上判據(jù)都是針對(duì)短路故障或因誤操作等失去進(jìn)線電源的情況設(shè)計(jì)的。然而，石化企業(yè)供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式，以不接地和經(jīng)消弧線圈接地等小電流接地方式為多，此種接地方式下發(fā)生單相接地時(shí)故障電流僅為電容電流，數(shù)值小，且三相電壓仍可維持對(duì)稱(chēng)的額定值，可以繼續(xù)給負(fù)載供電，因此規(guī)程允許短時(shí)運(yùn)行一段時(shí)間。不過(guò)，小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后容易產(chǎn)生過(guò)電壓?jiǎn)栴}，引起電壓互感器高壓熔斷器頻繁熔斷，甚至引起電壓互感器燒毀、避雷器爆炸。因此，目前采用消弧線圈接地或不接地系統(tǒng)的石化企業(yè)和成品油管道企業(yè)的電氣技術(shù)人員，從保護(hù)設(shè)備、防止故障擴(kuò)大的角度出發(fā)，希望快切裝置在單相接地故障情況下也能完成快速切換。

常規(guī)的快切裝置都是按發(fā)生短路故障情況下進(jìn)行動(dòng)作設(shè)計(jì)的，現(xiàn)有的起動(dòng)判據(jù)均不能有效識(shí)別單相接地故障。事實(shí)上，迄今為止尚未見(jiàn)到有關(guān)快切裝置如何在小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)正確動(dòng)作的研究成果報(bào)道，解決此問(wèn)題需要研究、設(shè)計(jì)新的起動(dòng)判據(jù)。

1.3.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障特點(diǎn)

經(jīng)分析可知[7]，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓，故障線路的零序電流為全系統(tǒng)非故障元件電容電流之和，其電容性無(wú)功功率的方向?yàn)榫€路流向母線，恰好與非故障元件的電容性無(wú)功功率方向相反。

1.3.2 單相接地故障起動(dòng)組合判據(jù)

根據(jù)以上特點(diǎn)，對(duì)快切裝置的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，利用零序電壓判斷系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，再利用零序功率的方向就可以判斷故障區(qū)間是位于快切的動(dòng)作區(qū)域還是閉鎖區(qū)域。當(dāng)位于進(jìn)線及其上級(jí)電網(wǎng)即母線前端時(shí)，快切裝置起動(dòng)；位于母線本身或出線、負(fù)載即后端時(shí)，快切裝置無(wú)需起動(dòng)。換言之，對(duì)于快切裝置的應(yīng)用，根據(jù)零序電壓的大小和零序功率的方向，就能構(gòu)成單相接地故障時(shí)的快速起動(dòng)判據(jù)。

考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)的其它因素，構(gòu)建了由一個(gè)主判據(jù)和若干輔助判據(jù)組成的快切裝置單相接地起動(dòng)組合判據(jù)，其具體邏輯如圖2所示。

圖2 單相接地起動(dòng)組合判據(jù)邏輯

以上邏輯中，主判據(jù)是0°

為防止裝置誤判，當(dāng)裝置3U0起動(dòng)，跳開(kāi)工作開(kāi)關(guān)后，延時(shí)15 ms，再判斷3U0。如果連續(xù)3個(gè)采樣點(diǎn)滿(mǎn)足3U0<10 V，則認(rèn)為故障在母線前端，按合閘條件切換到備用開(kāi)關(guān)；否則連續(xù)3個(gè)采樣點(diǎn)滿(mǎn)足3U0>10 V，則說(shuō)明故障位于母線或母線后端，裝置不應(yīng)動(dòng)作，直接返回，并告警置切換失敗，閉鎖裝置。

2 動(dòng)模試驗(yàn)

圖3 動(dòng)模試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)以上單相接地起動(dòng)邏輯，研發(fā)了新的變電站快切裝置，并進(jìn)行了RTDS數(shù)字動(dòng)模試驗(yàn)。

(1)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

該試驗(yàn)?zāi)Ｐ?5 kV變電站一次系統(tǒng)，由實(shí)際系統(tǒng)抽象而得，如圖3～圖5所示。

(2)單相接地故障識(shí)別邏輯的驗(yàn)證試驗(yàn)

圖6顯示快切裝置正確識(shí)別出單相接地，成功切換。

圖4 6kV母線上方C相金屬接地時(shí)三相電壓(依次為A、B、C相)

圖5 6kV母線上方C相金屬接地時(shí)零序電壓

圖6 快切裝置的出口命令錄波(h表示合閘令、q為跳閘令)

除了以上實(shí)例外，還設(shè)想模擬了現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種故障類(lèi)型，裝置試品均能正確動(dòng)作，證明了所提出的單相接地起動(dòng)判據(jù)的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障的特點(diǎn)，提出了適合電源快速切換裝置的單相接地起動(dòng)判據(jù)，并據(jù)此研發(fā)了專(zhuān)用的電源快切裝置，經(jīng)動(dòng)模試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明了判據(jù)的正確性。所研發(fā)的裝置可以用于中性點(diǎn)為不接地方式，且適合電源快速切換裝置使用的石油化工、成品油輸送管道供電系統(tǒng)等場(chǎng)合。下一步將研究消弧線圈接地方式下單相接地故障的快速起動(dòng)判據(jù)。

[1] 馮小蘭，李杰，苗世華，等.新型電源快速切換裝置在工業(yè)企業(yè)變電站的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(4)：139-142.

[2] 趙平生，廖興萬(wàn)，林武斌，等.備用電源無(wú)擾動(dòng)快速切換裝置的應(yīng)用[J].電世界，2012,53(7)：17-19.

[3] 張翔，衛(wèi)志農(nóng)，李杰，等. 帶發(fā)電機(jī)母線的工業(yè)企業(yè)電源切換過(guò)程研究[J].江蘇電機(jī)工程，2011,30(5)：13-16.

[4] 張軍梁，周浩，馬皓.大型石化企業(yè)配電系統(tǒng)中性點(diǎn)采用電阻接地方式的可行性研究[J].電氣應(yīng)用，2007,26(2)：20-23.

[5] 李新，張煜，時(shí)振堂，等.小電流接地故障暫態(tài)選線技術(shù)在煉化企業(yè)電網(wǎng)的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013,32(1)：97-100.

[6] 許洪元.石化企業(yè)抗“晃電”綜合解決方案研究與應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2012，31(11)：46-49.

[7] 賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

帶上平安上路，載著幸福回家。

高高興興出門(mén)去，平平安安回家來(lái)。

A Study on Quick Power Switching in the Isolated Neutral System

Xu Hongyuan1, Li Jie1, Xiao Xiaobing2

(1.Wiscom System Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211100, China; 2.Electric Power Research Institute, Guizhou Power Grid Co. Ltd., Guiyang Guizhou 550001, China)

With regards to the application of quick power switching devices in the isolated neutral power grid of petrochemical enterprises, as the power grid may operate for a certain period of time after single-phase grounding fault as permitted by the regulations, switching is not required in most cases. In actual operation, however, overvoltage would likely happen in the case of single phase grounding, thus burning out the equipment. In this background, this paper discusses quick power switching in case of single phase grounding faults with the isolated neutral system in the power grid of petrochemical enterprises, presents a combination criterion using zero sequence power direction as the main criterion for quick start-up in the case of single phase grounding fault, and on this basis develops a novel quick power switching device for substations. The results of RTDS dynamic simulation experiment verify that the criterion can accurately detect the faulted area when a single phase grounding fault occurs, so that the quick switching device may switch the load rapidly to its standby power source, thus avoiding fault extension and possible severe impact on the operation of the load.

petrochemical；quick power switching； isolated neutral system； single phase grounding fault；zero-sequence power direction

2016年貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“分層備用保護(hù)式FA與單相接地定位技術(shù)研究與應(yīng)用”，項(xiàng)目編號(hào)(GZ2015-2-0052)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.024

TM762.1

A

1000-3886(2017)01-0082-02

許洪元(1964-)，男，江蘇無(wú)錫人，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向：工業(yè)企業(yè)供配電自動(dòng)化、配電自動(dòng)化。 李杰 (1979-)，男，江蘇淮安人,碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。 肖小兵(1986-)，男，湖北孝感人，碩士生，主要研究方向?yàn)榕潆娺\(yùn)行管理及智能變電站相關(guān)工作。

定稿日期: 2016-03-20