抽水蓄能機(jī)組換相隔離開關(guān)的非全相保護(hù)

司紅建，陶曉光

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

1 引言

電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，由于各種原因，斷路器可能斷開一相或兩相，造成非全相運(yùn)行[1]。抽水蓄能電站主接線中發(fā)電機(jī)與變壓器之間布置有出口斷路器GCB、換相斷路器等開關(guān)設(shè)備，如圖1所示。此類設(shè)備均為機(jī)械操作機(jī)構(gòu)，由于動(dòng)作頻繁，機(jī)械疲勞等原因，增大了斷路器三相不能同時(shí)合閘或跳閘概率，造成機(jī)組非全相運(yùn)行。以往的非全相保護(hù)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)組斷路器GCB、主變高壓斷路器、線路斷路器等高壓斷路器。對(duì)于抽水蓄能電站，換相隔離開關(guān)同樣存在非全相問(wèn)題，如不及發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致故障擴(kuò)大。換相隔離開關(guān)是抽水蓄能機(jī)組的特有設(shè)備，因抽水蓄能機(jī)組要滿足發(fā)電方向和抽水方向運(yùn)行對(duì)相序的不同要求，所以設(shè)置了換相隔離開關(guān)[2]。

圖1 抽水蓄能電站單元主接線

某日，某電站機(jī)組抽水啟動(dòng)時(shí)，抽水換相開關(guān)QFV41合閘后，發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作，跳主變、機(jī)組停機(jī)。故障后檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電換相開關(guān)A相連桿斷裂，A相觸頭在上次發(fā)電工況停機(jī)時(shí)未有效分閘，A相仍處于合閘位置，抽水換相開關(guān)A相一側(cè)電壓為主變低壓側(cè)A相電壓，另一側(cè)為主變低壓側(cè)B相電壓。機(jī)組抽水啟動(dòng)時(shí)，抽水換相開關(guān)先合閘，導(dǎo)致主變低壓側(cè)A B相短路，發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作。由于換相開關(guān)采用三相聯(lián)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，本體不設(shè)置三相輔助觸點(diǎn)，輔助位置觸點(diǎn)不能真實(shí)反映各相觸頭實(shí)際位置，此故障極具隱蔽性，容易引起故障擴(kuò)大。近年來(lái)，隨著光伏、風(fēng)電等新能源大規(guī)模并網(wǎng)，抽水蓄能對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰作用被廣泛重視，機(jī)組啟停愈發(fā)頻繁，換相斷路器操作次數(shù)明顯增加，故障概率提升，需提出有效的解決方案來(lái)避免此類故障發(fā)生。

2 傳統(tǒng)非全相保護(hù)實(shí)現(xiàn)形式

2.1 開關(guān)輔助接點(diǎn)判據(jù)非全相保護(hù)

斷路器非全相保護(hù)實(shí)現(xiàn)依靠反映斷路器三相位置不一致回路，通過(guò)三相輔助觸點(diǎn)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。通過(guò)斷路器輔助觸點(diǎn)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)非全相保護(hù)，但可靠性較差，可能由于輔助觸點(diǎn)和回路問(wèn)題導(dǎo)致誤動(dòng)。輔助觸點(diǎn)判斷非全相保護(hù)多用于分相操作高壓斷路器，對(duì)于三相一體操作箱，一般不配置單相輔助觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)難度較大。

圖2 輔助觸點(diǎn)非全相保護(hù)原理圖

在斷路器本體機(jī)構(gòu)箱采用斷路器輔助接點(diǎn)的組合就地實(shí)現(xiàn)非全相保護(hù)功能,稱作斷路器本體非全相保護(hù)。這種設(shè)計(jì)方式有著比較明顯的優(yōu)點(diǎn):①設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要配備專門的非全相保護(hù)裝置，所有接線在斷路器機(jī)構(gòu)箱中完成；②不再需要從斷路器機(jī)構(gòu)箱到非全相保護(hù)屏的電纜接線，這不僅減少了工程成本，而且可以防止這段電纜絕緣破壞產(chǎn)生直流接地時(shí)造成非全相保護(hù)誤動(dòng)的潛在危險(xiǎn)，有利于電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 電流判據(jù)非全相保護(hù)

斷路器非全相合分閘時(shí)，系統(tǒng)不對(duì)稱，將有負(fù)序電流流過(guò)發(fā)電機(jī)定子繞組，其中負(fù)序電流磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相反，強(qiáng)度相等，從而在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生倍頻電流。在短時(shí)間內(nèi)，負(fù)序電流使轉(zhuǎn)子溫度升高的程度，與負(fù)序電流I2的大小及其持續(xù)時(shí)間t的長(zhǎng)短有關(guān)[3]（圖3）。

圖3 反時(shí)限負(fù)序電流動(dòng)作特性

式中I2為負(fù)序電流，t為負(fù)序電流持續(xù)的時(shí)間，A為轉(zhuǎn)子承受負(fù)序電流溫升常數(shù)。

3 換相開關(guān)的非全相保護(hù)措施

換相開關(guān)在回路中起切換相序的作用，機(jī)組發(fā)電態(tài)時(shí)電壓為正序，抽水態(tài)時(shí)電壓為負(fù)序，抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，換相開關(guān)先合閘，出口開關(guān)GCB再同期合閘，停機(jī)時(shí)順序正好相反。換相開關(guān)分合閘時(shí)，回路中有電壓但沒(méi)有電流，電流判據(jù)非全相無(wú)法用于換相開關(guān)保護(hù)。由于換相開關(guān)多為三相一體式操作機(jī)構(gòu)，不配置單相輔助觸點(diǎn)，輔助觸點(diǎn)判據(jù)非全相保護(hù)也難以實(shí)現(xiàn)。換相開關(guān)換相觸頭合閘時(shí)需承擔(dān)回路負(fù)荷電流，分閘時(shí)斷口需承受線電壓，觸頭兩側(cè)壓差的大小與動(dòng)靜觸頭間距離有密切關(guān)系，可根據(jù)觸頭兩側(cè)電壓特征量來(lái)設(shè)計(jì)換相開關(guān)非全相保護(hù)措施。

3.1 基于支柱絕緣子的開關(guān)非全相報(bào)警

將換相開關(guān)發(fā)電機(jī)側(cè)的母線支柱絕緣子更換為帶電壓傳感器式支柱絕緣子，具備電壓檢測(cè)功能，配合高壓帶電檢測(cè)器，檢測(cè)換相開關(guān)發(fā)電機(jī)側(cè)相電壓，通過(guò)開關(guān)本體輔助觸點(diǎn)和高壓帶電顯示器的輔助觸點(diǎn)檢測(cè)開關(guān)非全相狀態(tài)，見(jiàn)圖4。支柱絕緣子式電壓互感器可用于3.6～40.5 kV中壓回路中，用以檢測(cè)母線電壓，配合高壓帶電顯示器，當(dāng)檢測(cè)到母線電壓為15%～65%Un時(shí)輸出母線帶壓開關(guān)量接點(diǎn)，母線帶電時(shí)，接點(diǎn)11、14閉合，11、12斷開,母線失電時(shí)，接點(diǎn)11、14斷開，11、12閉合。

圖4 基于支柱絕緣子的非全相報(bào)警圖

機(jī)組啟動(dòng)合閘時(shí)，本體輔助觸點(diǎn)S03常開接點(diǎn)接通，正常合閘帶電輔助接點(diǎn)11、12斷開，非全向報(bào)警信號(hào)無(wú)輸出。當(dāng)某相主觸頭未閉合，接點(diǎn)11、12閉合，向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出換相開關(guān)非全相報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)機(jī)組停機(jī)，防止機(jī)組啟動(dòng)流程繼續(xù)執(zhí)行非全相并網(wǎng)擴(kuò)大事故范圍。機(jī)組停機(jī)分閘時(shí)，本體輔助觸點(diǎn)S03常閉接點(diǎn)9、10接通，正常分閘帶電輔助接點(diǎn)11、14斷開，非全相信號(hào)無(wú)輸出，當(dāng)某相由于機(jī)構(gòu)原因未分開時(shí)，帶電相輔助觸點(diǎn)11、14接通，向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出換相開關(guān)非全相報(bào)警信號(hào)，提醒運(yùn)維人員檢查處理，防止機(jī)組下次啟動(dòng)發(fā)生短路事故。

3.2 基于電壓判斷的非全相保護(hù)

換相開關(guān)機(jī)構(gòu)故障多發(fā)生于觸頭分合閘過(guò)程中，動(dòng)觸頭可停留在任何位置，停留位置不確定，發(fā)電側(cè)母線電壓大小也差異較大，基于支柱絕緣子式容性高壓互感器的非全相報(bào)警設(shè)計(jì)存在靈敏性問(wèn)題，母線電壓在0～15%Un會(huì)感應(yīng)不到，可能導(dǎo)致信號(hào)誤報(bào)，影響機(jī)組運(yùn)行。2015年，電壓判據(jù)非全相保護(hù)新型判據(jù)運(yùn)用后，可考慮拓展應(yīng)用至換相開關(guān)非全相保護(hù)，用以提高換相開關(guān)故障檢測(cè)的靈敏性和正確性。一般換相斷路器和出口斷路器GCB之間不配置電壓互感器，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難，考慮對(duì)隔離母排進(jìn)行改造，增加一組電壓互感器，用于監(jiān)測(cè)換相開關(guān)兩側(cè)電壓。

電壓判據(jù)非全向保護(hù)采用基于相電壓相量差值和零序電壓相量差值原理，不依賴電流量大小和輔助接點(diǎn)。斷路器合閘時(shí)，斷路器端口兩側(cè)電壓應(yīng)完全一致。當(dāng)斷路器發(fā)生非全相時(shí)，斷路器端口兩側(cè)電壓相量則出現(xiàn)差值。

合閘情況下，以A相發(fā)生非全相（未合上）運(yùn)行故障為例，動(dòng)作方程如下：

分閘情況下，以A相發(fā)生非全相運(yùn)行故障（未斷開）為例，動(dòng)作方程如下：

ΔUa、ΔUb、ΔUc分別為換相開關(guān)兩側(cè)A、B、C相電壓相量差值，ΔUset1、ΔUset2分別為電壓相量差值定值1和定值2，UNa為換相開關(guān)主變側(cè)A相電壓，UOM.cal為換相開關(guān)發(fā)電機(jī)側(cè)和主變側(cè)自產(chǎn)零序電壓幅值，UOcal.set為自產(chǎn)零序電壓門檻值，Uph.N為二次額定相電壓。

換相開關(guān)主變側(cè)始終帶電，非全相合閘時(shí)，故障相斷口將產(chǎn)生電壓相量差，而非故障相斷口電壓相量差為零，判據(jù)能快速檢測(cè)出故障相，防止機(jī)組進(jìn)一步啟動(dòng)非全相并網(wǎng)引起機(jī)組振動(dòng)和后備保護(hù)動(dòng)作。分閘時(shí)，故障相斷口電壓差小于設(shè)定值，非故障相壓差最大，判據(jù)能靈敏檢測(cè)故障相并報(bào)警，有效避免下次啟動(dòng)發(fā)生短路事故，擴(kuò)大故障范圍。

采用零序電壓原理時(shí)合閘情況下，零序電壓相量差值動(dòng)作方程如下：

UNφ為換相開關(guān)主變側(cè)單項(xiàng)電壓，ΔUo為換相開關(guān)兩側(cè)零序電壓相量差值，ΔUo.set為零序電壓相量差值定值。

換相開關(guān)正常合分閘時(shí)，開關(guān)兩側(cè)零序電壓向量差基本為零，發(fā)生非全相故障時(shí)，兩側(cè)零序電壓向量差明顯增大，快速反應(yīng)故障特征，判別開關(guān)非全相合分閘，停機(jī)或報(bào)警，避免機(jī)組和變壓器故障受損。

4 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能換相斷路器分合操作頻繁，機(jī)械等原因易導(dǎo)致非全相分合閘，且未采取有效的非全相檢測(cè)手段和保護(hù)措施，給生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)較大隱患。在換相斷路器機(jī)組側(cè)安裝電壓傳感器或互感器，測(cè)量斷路器斷口兩側(cè)電壓，借鑒GCB非全相電壓判據(jù)成功經(jīng)驗(yàn)，能夠在斷路器分合閘后靈敏識(shí)別故障，避免故障擴(kuò)大影響機(jī)組運(yùn)行。