電網(wǎng)“大機(jī)小網(wǎng)”下涉網(wǎng)保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)管控的研究

劉志鵬

（海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，?？?570203）

0 前言

某220 kV核電廠每臺(tái)機(jī)組的容量為650 MW，即使目前按75%的出力（490 MW）運(yùn)行[1-2]，單機(jī)出力占比超過(guò)海南全網(wǎng)負(fù)荷10%（高峰時(shí)段超過(guò)10%，低谷時(shí)段超過(guò)30%）。由此導(dǎo)致海南電網(wǎng)面臨一個(gè)新的挑戰(zhàn)——“大機(jī)小網(wǎng)”[3]，隨著500 kV聯(lián)網(wǎng)二回線路工程以及220 kV抽水蓄能電站新建工程的投產(chǎn)，這一問(wèn)題將會(huì)得到緩解[4-5]。海南電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)與南網(wǎng)主網(wǎng)處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，如500 kV福港線發(fā)生故障跳閘，將會(huì)導(dǎo)致海南電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)[6]。核電廠一臺(tái)機(jī)組發(fā)生跳閘，海南電網(wǎng)面臨的“大機(jī)小網(wǎng)”問(wèn)題將更加嚴(yán)重[7]。必須嚴(yán)格控制孤網(wǎng)期間各電廠單機(jī)出力，保證其出力處于在全網(wǎng)負(fù)荷10%以內(nèi)[8]。從分析南方電網(wǎng)的電廠涉網(wǎng)保護(hù)安全管理方案、審查電廠涉網(wǎng)保護(hù)定值配合和校核升壓站保護(hù)定值整定三個(gè)方面，詳細(xì)介紹和研究海南電網(wǎng)“大機(jī)小網(wǎng)”下保護(hù)的安全風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

1 電廠涉網(wǎng)保護(hù)的管控

目前，多類型復(fù)合新能源、直流柔性輸電技術(shù)、超高壓遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)在電網(wǎng)中大規(guī)模地應(yīng)用，直流電源消失保護(hù)未動(dòng)作切除故障，造成主變等重要設(shè)備嚴(yán)重?zé)龘p的重大安全事故[9]。保護(hù)不正確動(dòng)作事件原因，涉網(wǎng)電廠保護(hù)不正確動(dòng)作占據(jù)多半，調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)該積極應(yīng)對(duì)和加強(qiáng)管理。

《南方電網(wǎng)2016年電廠涉網(wǎng)保護(hù)安全管理工作方案》對(duì)各級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)所管轄的電廠提出明確的管控要求，主要內(nèi)容分為以下五個(gè)方面：

1）開(kāi)展電廠涉網(wǎng)保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)排查和整改工作。

2）開(kāi)展電廠涉網(wǎng)保護(hù)的安全檢查工作。

3）防范全廠停電威脅電網(wǎng)安全的風(fēng)險(xiǎn)。

4）推進(jìn)電廠安全管理水平的提升。

5）開(kāi)展電廠安全防范措施的培訓(xùn)。

2 涉網(wǎng)定值管控實(shí)例

2.1 主變的復(fù)壓閉鎖相間過(guò)流保護(hù)

某220 kV核電廠配置兩臺(tái)220 kV變壓器，#1和#2主變的額定容量為3×260 MVA，額定電壓為242±2×2.5%／20 kV，選用的是DFP-260000/220型單相雙繞組強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓油浸式變壓器，三相聯(lián)結(jié)組別為Ynd11。

#1和#2主變高壓側(cè)配置相間過(guò)流保護(hù)，該保護(hù)具有復(fù)壓閉鎖功能。因其作為總后備，故該保護(hù)不帶方向元件。其配置兩段，每段帶一時(shí)限，每段出口控制字可分別整定。對(duì)于主變的高壓側(cè)復(fù)壓閉鎖相間過(guò)流保護(hù)，電廠應(yīng)該按照《南方電網(wǎng)大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算規(guī)程》中的原則進(jìn)行整定，具體操作步驟如下[10]：

2.1.1 電流元件的整定

按躲過(guò)核電廠主變的額定電流整定：

式中：Kk為可靠系數(shù)；Kr為返回系數(shù)；IN為核電廠主變的額定電流；nI為電流互感器變比。

2.1.2 時(shí)間元件的整定

1）與高壓側(cè)出線220kV核李Ⅰ、Ⅱ線，核成Ⅰ、Ⅱ線相間、接地距離保護(hù)的Ⅱ段、零序保護(hù)的Ⅲ段中最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間配合:

式中：t線路max為高壓側(cè)出線核李Ⅰ、Ⅱ線，核成Ⅰ、Ⅱ線相間、接地距離保護(hù)的Ⅱ段、零序保護(hù)的Ⅲ段中最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。

2）與核電廠的高廠變A和B過(guò)流保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間配合：

式中：t廠變max為核電廠高廠變A和B過(guò)流保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。

2.1.3 低電壓元件的整定

按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最低電壓整定：

式中：Umin為正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最低線電壓，取Umin＝0.9UN；nv為電壓互感器變比。

2.1.4 負(fù)序電壓元件的整定

按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的不平衡電壓整定：

式中：UN為主變額定相電壓。

對(duì)于電廠主變的高側(cè)復(fù)壓閉鎖相間過(guò)流保護(hù)來(lái)說(shuō)，其作為渉網(wǎng)保護(hù)的一部分，各級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)在電廠并網(wǎng)前進(jìn)行仔細(xì)審查。如發(fā)現(xiàn)未按以上原則進(jìn)行配合整定，相應(yīng)調(diào)度機(jī)構(gòu)和電廠雙方需根據(jù)具體原因進(jìn)行溝通，以確定按照配合整定或者有特殊原因時(shí)失配備案。

特別注意，新建電廠的多臺(tái)機(jī)組或配套出線一般會(huì)分期投運(yùn)，各級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)注意當(dāng)一次設(shè)備或方式變化時(shí)，提醒電廠對(duì)涉網(wǎng)定值進(jìn)行校核，審查其主變高側(cè)復(fù)壓閉鎖相間過(guò)流保護(hù)與其電廠出線后備保護(hù)的配合情況，避免出現(xiàn)失配問(wèn)題導(dǎo)致保護(hù)越級(jí)動(dòng)作。

2.2 主變的過(guò)勵(lì)磁保護(hù)

RCS-985BT配置的定時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)和反時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)，主要用于防止發(fā)電機(jī)、變壓器因過(guò)勵(lì)磁引起的危害。其中，主變的定時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)設(shè)有跳閘段和信號(hào)段。主變的反時(shí)限過(guò)勵(lì)磁通過(guò)對(duì)給定的反時(shí)限動(dòng)作特性曲線進(jìn)行線性化處理，在計(jì)算得到過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)后，采用分段線性插值求出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)反時(shí)限。給定的反時(shí)限動(dòng)作特性曲線通過(guò)保護(hù)裝置輸入的八組定值得到。過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)的整定范圍為1.0～1.5，時(shí)間延時(shí)的整定范圍為0-3 000秒。

對(duì)于主變的過(guò)勵(lì)磁的保護(hù)整定[11]，計(jì)算步驟如下：

圖1和2中曲線為特變電工給出核電廠主變?cè)诳蛰d和滿載情況下允許過(guò)勵(lì)磁能力曲線。

2.2.1 定時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)報(bào)警段

1）過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)整定：

按略大于特變電工變壓器制造廠提供的允許過(guò)勵(lì)磁特性曲線中的長(zhǎng)期允許值整定，取大于等于1.1。

圖1 核電廠主變空載過(guò)勵(lì)磁能力

2）時(shí)間元件的整定：取t=5 s。

3）定時(shí)限段動(dòng)作于報(bào)警信號(hào)。

2.2.2 定時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)跳閘段

1）過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)整定：取大于等于1.4。

2）時(shí)間元件的整定：取t=10.0 s。

3）定時(shí)限段動(dòng)作于主變兩側(cè)斷路器。

2.2.3 反時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)

1）過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)和時(shí)間的整定：

按特變電工變壓器制造廠提供的允許過(guò)勵(lì)磁特性曲線，根據(jù)圖2選取8組保護(hù)定值（此處省略），從而，確定反時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作特性曲線。

2）反時(shí)限過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作后，斷開(kāi)變壓器兩側(cè)斷路器。

圖2 核電廠主變滿載過(guò)勵(lì)磁能力的曲線

網(wǎng)內(nèi)曾發(fā)生過(guò)電廠試運(yùn)行期間，主變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)誤動(dòng)作導(dǎo)致跳開(kāi)各側(cè)斷路器的事件。

2.3 復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)

220 kV #1和#2機(jī)組的額定容量為733.3 MVA，額定電壓為20 kV。每臺(tái)機(jī)組分別配置兩套電量保護(hù)，型號(hào)為RCS-985G。RCS-985G適用于大型發(fā)電機(jī)保護(hù)。

發(fā)電機(jī)復(fù)合電壓過(guò)流保護(hù)作為發(fā)電機(jī)、變壓器、高壓母線和相鄰線路故障的后備。其整定原則如下：

2.3.1 過(guò)電流定值整定

按躲發(fā)電機(jī)額定電流整定：

式中：Ign為核電廠發(fā)電機(jī)的額定電流。

2.3.2 時(shí)間元件的整定

因核電廠#1和#2主變單獨(dú)配置復(fù)合電壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)，所以其#1和#2發(fā)電機(jī)組復(fù)壓過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，按與主變的復(fù)壓過(guò)流、零序過(guò)流保護(hù)及高廠變過(guò)電流保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間配合整定：

式中：tmax為核電廠主壓變復(fù)壓過(guò)流、零序過(guò)流保護(hù)及高廠變過(guò)電流保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。

2.3.3 相間低電壓元件的整定

低電壓元件取核電廠發(fā)電機(jī)機(jī)機(jī)端PT二次線電壓，動(dòng)作電壓Uop可按下式整定：

式中：Ugn為發(fā)電機(jī)額定電壓。

2.3.4 負(fù)序電壓元件的整定

負(fù)序電壓元件取核電廠發(fā)電機(jī)機(jī)端PT二次線電壓。按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電壓整定：

對(duì)于發(fā)電機(jī)組的復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，其作為渉網(wǎng)保護(hù)的一部分，各級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)在新建電廠并網(wǎng)前進(jìn)行仔細(xì)審查。如發(fā)現(xiàn)未按以上原則進(jìn)行配合整定，相應(yīng)調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)要求電廠對(duì)機(jī)組定值進(jìn)行配合整定。對(duì)于分期投運(yùn)的機(jī)組，各級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)應(yīng)要求電廠按照以上原則開(kāi)展新投運(yùn)機(jī)組和在運(yùn)機(jī)組復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)定值的校核工作。在校核工作完成后，電廠應(yīng)將定值單提交相應(yīng)的調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行備案和審查。

3 220 kV核電廠升壓站保護(hù)定值管控

220 kV核電廠升壓站采用3/2接線形式，配置兩個(gè)線變串和兩個(gè)線線串，共四個(gè)完整串。升壓站的具體接線形式如圖3所示：

圖3 220 kV核電廠升壓站主接線圖

3.1 主變零序方向過(guò)流保護(hù)

主變保護(hù)RCS-985BT設(shè)有兩段四時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)，作為主變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行時(shí)的后備保護(hù)。零序過(guò)流Ⅰ段和零序過(guò)流II段采用外接的變壓器中性點(diǎn)CT，因#1和#2主變?yōu)殡p繞組變壓器且其單側(cè)中性點(diǎn)接地，故兩段零序方向過(guò)流保護(hù)均不帶方向。另外，因#1、#2主變220 kV側(cè)中性點(diǎn)均固定接地運(yùn)行，其未配置間隙零序保護(hù)。

3.1.1 零序過(guò)流Ⅰ段保護(hù)

3.1.1.1 電流元件的整定

1）按保證升壓站220 kV#3和#4母線接地故障時(shí)有靈敏度整定：

式中：3I0.min為220 kV#3和#4母線接地故障時(shí)流過(guò)本保護(hù)的最小零序電流；Klm為靈敏系數(shù)，Klm≥1.5。

2）按與220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線的零序過(guò)流保護(hù)Ⅲ段配合：

式中：Kk為可靠系數(shù)；Kfz為零序電流分支系數(shù)；I0Ⅲ為220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線的零序過(guò)流保護(hù)Ⅲ段的動(dòng)作電流。

3）按躲220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線非全相運(yùn)行時(shí)流過(guò)本保護(hù)的最大零序電流整定：

式中：3IoFmax為220 kV線路非全相時(shí)流過(guò)本保護(hù)的最大零序電流。

3.1.1.2 時(shí)間元件的整定

第一時(shí)限與220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線中零序過(guò)流保護(hù)Ⅲ段的最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間配合，動(dòng)作后斷開(kāi)主變兩側(cè)斷路器。第二時(shí)限退出。

式中：t max為220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線中零序過(guò)流保護(hù)Ⅲ段的最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。

3.1.2 零序過(guò)流Ⅱ段保護(hù)

3.1.2.1 電流元件的整定

1)按220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線的零序過(guò)流保護(hù)Ⅳ段配合整定：

式中：I0Ⅳ為升壓站220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線的零序過(guò)流保護(hù)Ⅳ段的動(dòng)作電流。

2)按保證高壓側(cè)出線末端接地故障有靈敏度：

式中，3I0min為220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線末端短路時(shí)流過(guò)本保護(hù)的最小零序電流。

3.1.2.2 時(shí)間元件的整定

第一時(shí)限按與220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線的零序過(guò)流保護(hù)Ⅳ段最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間配合，斷開(kāi)主變兩側(cè)斷路器和關(guān)閉主汽門；第二時(shí)限退出。

式中：tmax為220 kV核李Ⅰ、Ⅱ線和核成Ⅰ、Ⅱ線的零序過(guò)流保護(hù)Ⅳ段最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。

對(duì)于主變中性點(diǎn)接地方式的安排，電廠應(yīng)按照相應(yīng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的安排執(zhí)行，以保證零序保護(hù)的可靠性和正確性。

3.2 斷路器保護(hù)

核電廠升壓站配置12套斷路器保護(hù)，型號(hào)為RCS-921NV。RCS-921NV置適用于220 kV及以上電壓等級(jí)3/2接線方式下的斷路器，具有斷路器失靈保護(hù)、三相不一致保護(hù)、死區(qū)保護(hù)、充電保護(hù)和自動(dòng)重合閘功能。

3.2.1 邊、中斷路器的重合閘時(shí)間配合

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)該串的兩臺(tái)斷路器（邊斷路器和中斷路器）。重合時(shí)，為減少斷路器動(dòng)作次數(shù)、縮短永久性故障的切除時(shí)間和降低故障對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，線路保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)兩臺(tái)斷路器后，邊斷路器的重合閘應(yīng)該先重合，中斷路器的重合閘應(yīng)該經(jīng)一定延時(shí)(躲重合閘后加速動(dòng)作時(shí)間不得少于300 ms)后再重合[12]。

當(dāng)安排中斷路器的重合閘先合時(shí)，在最嚴(yán)重的情況下，中斷路器發(fā)生拒動(dòng)，啟動(dòng)失靈保護(hù)，則中斷路器失靈保護(hù)將會(huì)跳開(kāi)相鄰的兩個(gè)邊斷路器。這就造成整個(gè)串的三個(gè)斷路器都會(huì)跳開(kāi)，嚴(yán)重?cái)U(kuò)大停電的范圍和程度，威脅系統(tǒng)安全運(yùn)行穩(wěn)定。為此，3/2接線方式中邊斷路器的重合閘時(shí)間整定為1.0 s，中斷路器的重合閘時(shí)間整定為1.5 s。

3.2.2 斷路器重合閘方式選擇

針對(duì)3/2接線方式，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作后重合閘可以實(shí)現(xiàn)重合，提高供電可靠性，避免線路停電時(shí)間；但當(dāng)發(fā)電機(jī)或者變壓器發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作后重合閘不應(yīng)該動(dòng)作，減少再次重合對(duì)發(fā)電機(jī)或者變壓器造成的二次傷害。為此，對(duì)于線線串，兩個(gè)邊斷路器和一個(gè)中斷路器的重合閘均采用單重方式；對(duì)于線變串，線路間隔的邊斷路器和中斷路器的重合閘均采用單重方式，發(fā)變組間隔的邊斷路器采用停用方式。例如，第一串為線變串，兩個(gè)邊斷路器的重合閘采用單重方式，中斷路器的重合閘采用停用方式。第二串為線線串，兩個(gè)邊和一個(gè)中斷路器的重合閘均采用單重方式，從而，提高供電可靠性。

通過(guò)發(fā)變組保護(hù)跳閘閉鎖中斷路器的重合閘功能，實(shí)現(xiàn)當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作后邊中斷路器重合閘可以實(shí)現(xiàn)重合；但當(dāng)發(fā)電機(jī)或者變壓器發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作后邊中斷路器的重合閘不動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

從保護(hù)專業(yè)和實(shí)際工作角度出發(fā)，提出從分析電廠涉網(wǎng)保護(hù)的安全管理方案、審查核電廠涉網(wǎng)保護(hù)的定值配合和校核升壓站保護(hù)的定值整定三個(gè)方面，詳細(xì)介紹和研究繼電保護(hù)所采取的安全風(fēng)險(xiǎn)管控措施。在海南電網(wǎng)應(yīng)對(duì)聯(lián)網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行方式下“大機(jī)小網(wǎng)”問(wèn)題上，繼電保護(hù)能夠更好地發(fā)揮第一道安全防線的作用，避免不發(fā)生因保護(hù)裝置誤動(dòng)而導(dǎo)致影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的電力事故事件。