大型水電站及高壓電網(wǎng)繼電器保護(hù)措施分析

國(guó)能大渡河大崗山發(fā)電有限公司 秦豪杰

現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，人們用電需求急劇增加，用電是保證社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。從中國(guó)目前發(fā)展情況來(lái)看，供電存在一定的限制性，這幾年經(jīng)濟(jì)水平持續(xù)增長(zhǎng)，全國(guó)用電負(fù)荷將必然快速增長(zhǎng)。

大型水電站具有一定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整體性的容量指標(biāo)更高，能夠滿(mǎn)足電站電力指標(biāo)需求，為用電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。在大型水電站中，涉及的控制系統(tǒng)比較多，其中微機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)具有重要作用，指標(biāo)性能直接決定于廠內(nèi)用電控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和電源安全性，從而影響到整個(gè)發(fā)電廠的正常工作，并最終對(duì)整個(gè)供電的穩(wěn)定性和安全性形成危害。所以，深入分析大中型水電站廠內(nèi)用電系統(tǒng)及其維護(hù)方面的特點(diǎn)，并制定切實(shí)的保護(hù)措施，提升其定值管理水平，以確保廠內(nèi)用電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是一個(gè)迫切需要破解的重大課題。

因?yàn)殡娔芊峙渑c負(fù)荷中心分配的極不一致，在電力輸送過(guò)程中存在的不穩(wěn)定因素比較多，因而使得電力穩(wěn)定運(yùn)輸?shù)碾y度比較高。從發(fā)電廠將電力進(jìn)行運(yùn)輸并不是那么容易，而且是采用聯(lián)動(dòng)輸送的方式、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，我國(guó)建成了一系列的互聯(lián)網(wǎng)工程。聯(lián)網(wǎng)工程的應(yīng)用對(duì)于地區(qū)電力經(jīng)濟(jì)效益的彌補(bǔ)有著較好的效果，使各地區(qū)電網(wǎng)均取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)性和效益，但同時(shí)也導(dǎo)致發(fā)輸電走廊土地的日趨緊缺，同桿共架的多回線(xiàn)路是有效利用土地、減少供電工程投入、擴(kuò)大電力輸電容量、增強(qiáng)供電可靠性的有效手段。

1 大型水電站廠用電系統(tǒng)及其繼電保護(hù)的特點(diǎn)

1.1 大型水電站廠用電系統(tǒng)特點(diǎn)分析

這幾年發(fā)展中，對(duì)于大型水電站的容量要求越來(lái)越高，機(jī)組容量也進(jìn)一步擴(kuò)大化，電力輸送產(chǎn)生的作用也很明顯。從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看，大型水電站具有一定的分化性，用電系統(tǒng)特點(diǎn)比較明顯。

整體的運(yùn)行指標(biāo)要高。針對(duì)于大型水電站來(lái)說(shuō)，對(duì)于運(yùn)行需求相對(duì)較高，要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，需要有一定數(shù)量的獨(dú)立電源。廠用電系統(tǒng)性能比較全面，供電穩(wěn)定對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行有著重要影響，如果供電出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，比如電力短路等，會(huì)使得電機(jī)運(yùn)行效率降低、廠區(qū)供電停止。針對(duì)于這種情況，需要確保廠用電系統(tǒng)整體指標(biāo)的穩(wěn)定性。

多級(jí)分化電壓等級(jí)。大型水電站的建設(shè)位置具有一定的特殊性，選址一般在靠近水源流動(dòng)充足的地方，且水電站涉及的機(jī)械設(shè)備較多，選址附近區(qū)域的機(jī)械設(shè)備也多，要想確保機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，需要有專(zhuān)用變壓器。一般采用l0kV 或6kV 的供電系統(tǒng)；此外，由于水輪風(fēng)力發(fā)電裝置等輔助設(shè)備所用的發(fā)電機(jī)容量較小，從低壓側(cè)的角度來(lái)看，設(shè)置不同的用電壓力等級(jí)，分化動(dòng)力和照明的壓力指標(biāo)，采用三相四線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行供電。有些大型水電站結(jié)構(gòu)比較分化、供電要求更高，需要銜接多個(gè)外部電源，做好接線(xiàn)處理工作，同時(shí)確定電壓等級(jí)指標(biāo)。

供電范圍更廣。從大型水電站的運(yùn)行情況來(lái)看，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)荷指標(biāo)是最高的，受場(chǎng)地線(xiàn)路規(guī)劃影響，大容量的電機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)都是不能隨意變動(dòng)的，也極大程度上延長(zhǎng)了水電站供電距離。很多大型水電站保持一定的獨(dú)立性，與周邊廠房和建筑的距離相對(duì)比較遠(yuǎn)，進(jìn)一步增加了供電范圍。

供電負(fù)荷大。大型水電站與中小型水電站相比，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行指標(biāo)要求更高，整體的容量也更大，大型水電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更為突出，具有一定的規(guī)模性特點(diǎn)，在建設(shè)過(guò)程中需要考慮各個(gè)方面的影響因素，因?yàn)樯婕暗牟僮鳝h(huán)節(jié)比較多，所以施工周期相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的電力設(shè)備要考慮設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷，因?yàn)榧骖櫫似渌笜?biāo)，使得系統(tǒng)供電負(fù)荷明顯提升。

廠內(nèi)用電控制系統(tǒng)智能化程度要求較高。大中型水電站多通過(guò)電腦監(jiān)控對(duì)電廠內(nèi)、外部的主要設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與管理，電廠的操作智能化水平最高，在電力系統(tǒng)管理過(guò)程中要注意的地方也更多。

1.2 現(xiàn)代大型水電站廠用電系統(tǒng)接線(xiàn)

水電站建設(shè)規(guī)劃要考慮的指標(biāo)比較多，最為重要的就是用電荷載，還有系統(tǒng)的接線(xiàn)順序、安全直接關(guān)系著整個(gè)發(fā)電廠的安全與平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此通常水電站廠用電系統(tǒng)接線(xiàn)采用的接線(xiàn)方式具有限制性。不同規(guī)模大小的水電站接線(xiàn)方式不同，對(duì)于中下規(guī)模的水電站廠用電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，將母線(xiàn)分化為兩個(gè)部分，通過(guò)變壓器對(duì)母線(xiàn)進(jìn)行供電。

對(duì)于大型規(guī)模的水電站，對(duì)于母線(xiàn)節(jié)段的調(diào)控主要是根據(jù)發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)而定，母線(xiàn)都是有專(zhuān)門(mén)的變壓器供電，有專(zhuān)門(mén)的交流變壓器運(yùn)行。發(fā)電廠與主變壓器之間多采取雙單元接地方法，廠用工作電源由主變壓器的低壓側(cè)引接，而風(fēng)力發(fā)電設(shè)備出口則裝有出口剩余電壓斷路器，可確保在機(jī)組工作停止的情形下，能直接從系統(tǒng)中引接廠用工作電源，有效增加了廠內(nèi)用電系統(tǒng)的電源安全性[1]。

從整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，大型水電站廠用電系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求要高，確保供電的可持續(xù)性，需要做好整體性的規(guī)劃工作，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。

2 廠用電系統(tǒng)繼電保護(hù)

大型水電站廠用電系統(tǒng)具有一定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)延伸比較復(fù)雜，整體的配置比較多，增加了保護(hù)的難度。這里結(jié)合三峽右岸電廠廠用電保護(hù)整定實(shí)例，對(duì)大型水電站廠用系統(tǒng)保護(hù)存在的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析。

在廠用電力系統(tǒng)維護(hù)整定技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，目前存在的主要問(wèn)題包括：由于線(xiàn)路額定重量載荷與標(biāo)稱(chēng)差值較大，給定時(shí)限過(guò)的電流密度維護(hù)整定技術(shù)中，導(dǎo)致啟動(dòng)的時(shí)候存在一定的偏差。廠用電系統(tǒng)具有一定的規(guī)模性，供電電源方式并不固定的、可以靈活調(diào)整，引接方式差異比較明顯，容易使得系統(tǒng)操作偏差比較大，保護(hù)靈敏度指標(biāo)受到影響無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，不利于保護(hù)配合。電弧光保護(hù)器對(duì)于線(xiàn)路的保護(hù)具有限制性、不能單獨(dú)保護(hù)，需要銜接另外的線(xiàn)路進(jìn)行并流保護(hù)，要考慮的因素比較多，比如變壓器保護(hù)影響。

水力發(fā)電廠計(jì)算負(fù)荷的決定和許多因素相關(guān)，很多指標(biāo)對(duì)于發(fā)電負(fù)荷有著較大的影響，需要做好整體性的規(guī)劃工作，包括裝機(jī)容量、型號(hào)規(guī)格、運(yùn)行方式、檢修周期等，以及電廠用負(fù)荷的特性、規(guī)模大小和布置情況，決定了電廠用變壓器容量的選擇。為了確保變壓器容量能夠滿(mǎn)足后期運(yùn)行需求，在負(fù)荷計(jì)算時(shí)測(cè)試的指標(biāo)會(huì)比較偏大，從而造成了負(fù)荷計(jì)算理論值常超過(guò)了實(shí)際的最大負(fù)載運(yùn)行數(shù)值，導(dǎo)致變壓器運(yùn)行出現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)的情況，整體能耗增加，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

對(duì)于定時(shí)限過(guò)電壓保護(hù)最大荷載電流選擇進(jìn)行合理的規(guī)劃，要有一定的選定原則，貼合標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行需求。在具體選擇過(guò)程中，需要先計(jì)算出母線(xiàn)串聯(lián)負(fù)荷的總和，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行綜合性分析，出線(xiàn)負(fù)荷指標(biāo)大于了母線(xiàn)變壓器額定容量的話(huà)，這里就以額定容量為主，取最大荷載值。但是從現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，有些線(xiàn)路負(fù)載指標(biāo)過(guò)大，容易造成較大偏差影響或自啟動(dòng)系數(shù)選取方法不合理等，很易形成在規(guī)定時(shí)段內(nèi)過(guò)電保定值遠(yuǎn)大于規(guī)定限時(shí)過(guò)電流速斷保定值的"倒掛"現(xiàn)象，“倒掛”現(xiàn)象也不能很好的滿(mǎn)足繼電系統(tǒng)保護(hù)要求，整體規(guī)范性受到影響，也無(wú)法滿(mǎn)足廠用配電價(jià)格系統(tǒng)的實(shí)際工作情況。

面對(duì)如此“倒掛”的現(xiàn)狀，一般可選擇以下處理方法：首先就是針對(duì)于限時(shí)電流量切斷保護(hù)器整定值靈敏度變化很大情況下，需要對(duì)保護(hù)指標(biāo)進(jìn)行一定的規(guī)劃，在保證合理運(yùn)行的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提升指標(biāo)范圍，同時(shí)在時(shí)間范圍內(nèi)采用過(guò)電保護(hù)器進(jìn)行定值，將其作為限流切斷保護(hù)器的定值標(biāo)準(zhǔn)，能夠很好的規(guī)避母線(xiàn)和變壓器空充電流的情況；如果采用上述方法不能很好的契合保護(hù)器靈敏度標(biāo)準(zhǔn)，可以降低電流保護(hù)器的整定值，直觀體現(xiàn)在自啟動(dòng)系統(tǒng)的降低方面。

3 特高壓電網(wǎng)線(xiàn)路的繼電保護(hù)措施

3.1 差動(dòng)保護(hù)

特高壓電力線(xiàn)路中的繼電保護(hù)系統(tǒng)，是最根本、最高基礎(chǔ)上的繼電保護(hù)系統(tǒng)措施，其差流保護(hù)也是現(xiàn)代繼電保護(hù)系統(tǒng)的典型代表，其也可運(yùn)用在特高壓電力線(xiàn)路保護(hù)的眾多項(xiàng)目中。差動(dòng)保護(hù)器的工作效率比較高，體現(xiàn)了繼電保護(hù)系統(tǒng)在特高壓電力線(xiàn)路中的實(shí)際需求，并針對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的特性，根據(jù)繼電保護(hù)的特點(diǎn)，分析了差流保護(hù)器的具體運(yùn)用。

差流保護(hù)的主要工作模式是Marti，模擬了差流保護(hù)的工作方式與環(huán)境條件，使差流保護(hù)的工作措施更加符合對(duì)于特高壓電力線(xiàn)路的保護(hù)需要。差流保護(hù)的基本原理是：第一步，通過(guò)差流保護(hù)器在特高壓電力線(xiàn)路的二端，同時(shí)獲取了壓力值與電流值，當(dāng)完成了采樣處理以后，就得到了不算時(shí)刻的采樣值；然后運(yùn)用相模轉(zhuǎn)換的方法，把選擇前六個(gè)節(jié)點(diǎn)的資料由模擬分量轉(zhuǎn)化為不存在相互耦合特性的資料分量；最后再運(yùn)用零點(diǎn)五周傅氏算法，把濾波掉的輸出電流濾波得到基波矢量，從而算出實(shí)際數(shù)據(jù)值，并判定在差流保護(hù)的區(qū)域內(nèi)有無(wú)潛在特高壓供電線(xiàn)路故障。

3.2 電容電流補(bǔ)償

特高壓電力線(xiàn)路中，因?yàn)榇嬖谥罅康耐瑮U或雙導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)，因此電力線(xiàn)路之間也產(chǎn)生了大量電容器，直接影響著繼電保護(hù)系統(tǒng)的效能[2]。因此電力企業(yè)就在同桿或雙導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)中，提供了電容電流補(bǔ)償?shù)霓k法，以輔助公司提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的水平。由于在雙導(dǎo)線(xiàn)所組成的電力線(xiàn)路中存在著靜電耦合的影響，因此，常把電容電流補(bǔ)償技術(shù)運(yùn)用在差動(dòng)保護(hù)中，并作為各種檢測(cè)故障的重要依據(jù)。也因?yàn)殡娙蓦娏餮a(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性非常強(qiáng)，它能夠在采樣點(diǎn)中依次完成正微分計(jì)算，補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)的電容。

以我國(guó)某地方的特高壓配電線(xiàn)路為例分析同桿或雙導(dǎo)線(xiàn)中的電容電流補(bǔ)償應(yīng)用：該供電線(xiàn)路中，以彈性模量為電容電流的主要補(bǔ)償對(duì)象，使用EMTP 仿真軟件，檢驗(yàn)電容電流補(bǔ)償?shù)膶?shí)效性，該配電線(xiàn)路中，以彈性模量作為對(duì)電容電流的主要補(bǔ)償對(duì)象，使用EMTP 仿真軟件檢驗(yàn)電容電流補(bǔ)償?shù)膶?shí)效性，當(dāng)補(bǔ)償方式的滿(mǎn)時(shí)域、半補(bǔ)償情況發(fā)生時(shí)，已經(jīng)能夠合理的調(diào)節(jié)補(bǔ)償暫態(tài)量，并積極保護(hù)差流防護(hù)的有效性，即使是在高采樣頻率下，也沒(méi)有產(chǎn)生特殊的輸出電壓保護(hù)條件。由此可見(jiàn)電容電流補(bǔ)償?shù)挠行苑浅?qiáng)，已經(jīng)完成了對(duì)特高壓配電線(xiàn)路的有效防護(hù)，并積極維護(hù)配電線(xiàn)路的有效防護(hù)狀態(tài)。

3.3 繼電保護(hù)方案改進(jìn)

某特高壓供電線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)中，盡管實(shí)施了繼電保護(hù)方案，但仍然存在著畸變校正問(wèn)題，通過(guò)分析該電網(wǎng)的零序網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)了大量的儲(chǔ)能元素，因此具有產(chǎn)生畸變校正問(wèn)題的可能性，成為供電線(xiàn)路畸變校正問(wèn)題的主要因素[3]。

該特高壓供電線(xiàn)路中確定了畸變因素后，為完善繼電保護(hù)系統(tǒng)的方法，以畸變校正中的諧波影響為重點(diǎn)研究對(duì)象，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)提出了一些完善意見(jiàn)，具體分析如：充分考慮對(duì)零序電量的保護(hù)影響，引入了節(jié)點(diǎn)電壓法，優(yōu)化了繼電保護(hù)系統(tǒng)的方法，從而抑制了畸變校正問(wèn)題的產(chǎn)生；通過(guò)提高在零序電壓網(wǎng)絡(luò)中的元器件、尤其是啟動(dòng)元器件，可以一方面改善特高壓供電線(xiàn)路對(duì)繼電保護(hù)的靈敏度，另一方面減少對(duì)元器件的影響機(jī)率；研究繼電保護(hù)系統(tǒng)改善方法中的模擬實(shí)驗(yàn)，尋找它和特高壓供電線(xiàn)路實(shí)際工作的區(qū)別，進(jìn)行繼電保護(hù)系統(tǒng)的改善工作，雖然模擬實(shí)驗(yàn)很大程度的進(jìn)行模擬作業(yè)，但是不可避免的會(huì)出現(xiàn)區(qū)別，而差別對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響很大，也是繼電保護(hù)方案改進(jìn)中的重點(diǎn)內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓電網(wǎng)的保護(hù)是能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，對(duì)能源的需求也日益增長(zhǎng)，電能需求非常高?；谶@種現(xiàn)實(shí)背景下，我國(guó)進(jìn)一步加大了對(duì)高壓電網(wǎng)的研究力度，旨在更好地推動(dòng)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，滿(mǎn)足人們?nèi)粘９╇娦枨?。高壓電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)具有一定的綜合性，能夠使能源系統(tǒng)功能得到充分的體現(xiàn)，還比較契合時(shí)代發(fā)展需求?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為電網(wǎng)保護(hù)提供了更多的可能性，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)的保護(hù)效果明顯，也推動(dòng)了高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)向著智能化和信息化的方向進(jìn)行延伸發(fā)展。