220kV 線路保護(hù)裝置選型及應(yīng)用

杜方方

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局)

0 引言

N 變電站引出的220kV 線路共有4 條, 需要連接至多個(gè)新型變電站, 增強(qiáng)供電區(qū)域的電網(wǎng)可靠性。以N 變電站為設(shè)計(jì)目標(biāo), 針對(duì)220kV 線路進(jìn)行有效保護(hù), 合理使用保護(hù)選型, 優(yōu)化二次回路的接線, 兼顧對(duì)“三相不一致”的家族缺陷處理, 給出可行的保護(hù)選型方案, 切實(shí)達(dá)到保護(hù)輸電線路可靠運(yùn)行, 增強(qiáng)片區(qū)電網(wǎng)可靠性、穩(wěn)定性的目的。

1 工程情況

N 變電站的220kV 項(xiàng)目中, 部分線路是使用雙母線帶旁路的接線方式。N 變電站內(nèi)共有四條220kV 出線?？v向線路保護(hù)裝置, 依據(jù)信息通道的類型差異性, 可劃分出四種類型。第一種是使用導(dǎo)引線進(jìn)行縱向保護(hù)處理。第二種, 是使用電力線載波的形式, 給予縱向保護(hù)。第三種是使用微波建立縱向保護(hù)體系。第四種是使用光纖進(jìn)行縱向保護(hù)。截至2020 年末, 案例項(xiàng)目創(chuàng)建的電網(wǎng)中, 為220kV線路建立的縱向聯(lián)合保護(hù)組合共有2300 組, 具體情況, 如表1 所示。

表1 220kV 線路縱向聯(lián)合保護(hù)組合

案例項(xiàng)目主要采取光纖保護(hù)形式, 去除了原有方案的高頻保護(hù)方法。參照電力生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)范, 關(guān)鍵線路的保護(hù)、技術(shù)安全防護(hù)設(shè)施, 需設(shè)計(jì)兩組單獨(dú)的路由設(shè)施, 從供電設(shè)施、路由設(shè)備、供電電源三個(gè)方面, 均采取“雙配置”設(shè)計(jì)方法。案例項(xiàng)目的四條線路, 連接至A 至D 四個(gè)新開發(fā)的變電站項(xiàng)目。以A變電站為例, 建立雙路由方案, 如圖1 所示。

圖1 A 變電站雙路由方案

圖中①與②、⑦與⑧、⑧與⑨之間均使用OPGW光纜(光纖復(fù)合架空地線) 進(jìn)行連接, ③與⑤、④與⑥之間均使用光纜進(jìn)行連接, ⑤與⑦、⑥與⑨之間均使用同軸電纜進(jìn)行連接。OPGW 光纜連接線路為“直連通路”, 是第一組線路保護(hù), 使用專用光纖路徑, 確保線路保護(hù)質(zhì)量。其余連接為“迂回通路”,是第二組線路保護(hù), 使用復(fù)用2M 通道, 引入了與N變電站相同級(jí)別的M 變電站, 使用專用“SDH 光傳輸設(shè)備”, 建立接口設(shè)備的迂回性保護(hù)體系。此種光傳輸設(shè)備, 具有“線路傳輸”、“線路復(fù)接”的功能整合優(yōu)勢(shì), 使用統(tǒng)一網(wǎng)管平臺(tái)有效傳送各類信息, 是一種信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)體系。此種光傳輸設(shè)備, 能夠有效管理網(wǎng)絡(luò)體系, 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)情況, 實(shí)時(shí)落實(shí)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作, 支持各類設(shè)備之間的信息交互[1]。

2 線路保護(hù)的技術(shù)方法

2.1 二次回路的保護(hù)方案

保護(hù)二次回路, 是線路技術(shù)保護(hù)的關(guān)鍵任務(wù)。

1) 光通道采取多線路分接形式, 使用直流電源進(jìn)行回路切換。案例項(xiàng)目中, 線路保護(hù)屏規(guī)劃時(shí), 將CSC-186M 設(shè)計(jì)在光通道之中。此裝置具有 “光→電”的信號(hào)處理能力, 利用轉(zhuǎn)換開關(guān), 自主獲取保護(hù)通道, 再將信號(hào)進(jìn)行“電→光”的處理。此裝置能夠有效建立“光差保護(hù)體系”。其連接的電源、線路保護(hù)程序連接的電源, 均來(lái)自相同直流母線, 兩個(gè)電源需各自設(shè)計(jì)專項(xiàng)的“直流空開”。當(dāng)N 變電站旁路開關(guān)運(yùn)行期間, 此時(shí)CSC-186M 在連接電源的操作,可借助“切換把手”, 選擇保護(hù)屏的專用電源。不然, 在旁代線路運(yùn)行期間, 會(huì)在檢修、多種干擾因素下, 使CSC-186M 電源處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí), 在主保護(hù)信道缺失的情況下, 無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行旁代線路設(shè)計(jì)的旁路開關(guān)[2]。

2) 開關(guān)的失靈保護(hù)。N 變電站在2021 年進(jìn)行了母差保護(hù)更換, 原有斷路器失靈保護(hù), 使用母差保護(hù)實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能。使用光纖縱向線路保護(hù)技術(shù), 在線路開關(guān)失靈時(shí), 設(shè)計(jì)各類保護(hù)跳閘接點(diǎn)。N 變電站保護(hù)失靈開關(guān)的設(shè)備, 并不具有給出“保護(hù)跳閘接點(diǎn)”的功能。為此, 案例項(xiàng)目在各線路間隔位置, 增加了斷路器失靈啟動(dòng)功能, 對(duì)開關(guān)失靈進(jìn)行保護(hù)。N 變電站嘗試在2022 年, 更新母線保護(hù)的技術(shù)方案, 利用各線路間隔保護(hù)失靈的回路, 各線路給出“分相”、“三相”兩種跳閘節(jié)點(diǎn), 啟動(dòng)失靈保護(hù), 有效解決開關(guān)失靈的問(wèn)題。

3) 保護(hù)裝置電壓的切換方式。在制定保護(hù)技術(shù)方案之前, N 變電站的線路保護(hù)電壓切換時(shí), 主要借助繼電器YQJ 進(jìn)行。在使用過(guò)程中, 由于YQJ 出現(xiàn)了故障, 出現(xiàn)電壓不能成功切換的問(wèn)題。為此, 技術(shù)更新時(shí), 需更換“電壓切換裝置”, 技術(shù)擬定了“操作箱電壓切換模塊”來(lái)解決該問(wèn)題。

4) 屏頂線路環(huán)網(wǎng)。技術(shù)設(shè)計(jì)人員, 采取增設(shè)一條聯(lián)絡(luò)電纜, 切斷一條小母線的形式, 改變屏頂母線的技術(shù)結(jié)構(gòu)。在保護(hù)屏安裝期間, 無(wú)須作出停電處理。

2.2 “三相不一致”線路保護(hù)的連接方式

用于保護(hù)220kV 分相運(yùn)行的設(shè)備, 以斷路器為主。此設(shè)備在正常工作中, 可能會(huì)發(fā)生三相位置不一致的現(xiàn)象。產(chǎn)生此種問(wèn)題, 主要原因是: 線路運(yùn)行中, 并非為全相狀態(tài)。在這種情況下, 對(duì)稱性不足的電量, 會(huì)同時(shí)產(chǎn)生“負(fù)序”、“零序”兩種類型的電流, 給予發(fā)電程序的轉(zhuǎn)子形成較大程度的威脅。為此, 在非全相狀態(tài)下, 有效暫停斷路器的運(yùn)行, 是保證發(fā)電程序轉(zhuǎn)子運(yùn)行處于安全狀態(tài)的關(guān)鍵措施。參照電網(wǎng)調(diào)度的技術(shù)要求, 220kV 線路采用分相斷路器,如果處于非全相運(yùn)行狀態(tài), 需采取三相不一致保護(hù),斷開斷路器的運(yùn)行。案例項(xiàng)目中, 使用的斷路設(shè)備,給出的三相不一致保護(hù)響應(yīng), 反應(yīng)時(shí)間應(yīng)覆蓋“單相重合閘”的0.8s 用時(shí), 且反應(yīng)時(shí)間≤0.2s。N 項(xiàng)目整定處理時(shí)間設(shè)計(jì)為2s, 斷路設(shè)備自身的三相差異保護(hù)設(shè)備, 斷路設(shè)備進(jìn)入合閘處理程序之前, 需經(jīng)過(guò)三相不一致保護(hù)壓板。線路中三相分別為“A 相”、“B相”、“C 相”, 進(jìn)行三相分閘并聯(lián)處理, 默認(rèn)設(shè)計(jì)為“常閉”。在合閘位置并聯(lián)處理后, 多數(shù)情況設(shè)計(jì)為“常開”。當(dāng)分閘、合閘兩個(gè)位置的串聯(lián)處理完成,斷路器非全相運(yùn)行時(shí)繼電器就會(huì)動(dòng)作。當(dāng)斷路設(shè)備處于非全相工況時(shí), 時(shí)間類型的繼電設(shè)備, 啟動(dòng)時(shí)會(huì)延后2s, 同時(shí)啟動(dòng)三相不一致的兩個(gè)繼電器, 經(jīng)此保護(hù)出口。出口位置設(shè)計(jì)的繼電器, 啟動(dòng)線路保護(hù)后, 會(huì)自主連接兩組斷路器的三相跳閘出口, 出口跳閘, 越過(guò)三相分相跳閘。按照該回路設(shè)計(jì), 可在保護(hù)帶著開關(guān)時(shí), 開展傳動(dòng)試驗(yàn), 測(cè)定斷路器在三相有不一致情況的保護(hù)能力[3]。

3 保護(hù)方案的技術(shù)選型分析

3.1 保護(hù)方案

在光纖縱聯(lián)保護(hù)使用后, 電網(wǎng)變電站內(nèi)部的旁代運(yùn)行量明顯減少。然而, 案例項(xiàng)目作為“電源側(cè)”,尚需線路旁代形式, 完成送電操作。針對(duì)案例項(xiàng)目進(jìn)行線路保護(hù), 需考慮旁代運(yùn)行的因素。技術(shù)組共給出兩個(gè)保護(hù)方案, 一組稱為“P 方案”、另一組稱為“S方案”。兩組技術(shù)方案的使用規(guī)范內(nèi)容具有差異性,間接增加了220kV 線路保護(hù)設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜性, 且技術(shù)方案對(duì)于旁代線路并無(wú)實(shí)際的保護(hù)功能, 致使案例項(xiàng)目中220kV 線路運(yùn)行面臨多種問(wèn)題, 無(wú)法保證線路保護(hù)的技術(shù)效果。為此, 案例變電站積極反饋了技術(shù)保護(hù)方案存在的問(wèn)題, 經(jīng)過(guò)技術(shù)優(yōu)化, 變更了部分位置的保護(hù)設(shè)備, 從最初的“六統(tǒng)一”變更為“九統(tǒng)一”, 具體配置情況, 如表2 所示。

表2 線路保護(hù)技術(shù)的參數(shù)配置情況

A 變電站線路保護(hù)后, P 組、S 組均引入“九統(tǒng)一”的保護(hù)方案。

RCS-902A 表示繼電器連接的正向級(jí)電源。RCS-931A 是一種用于超高壓線路中組件完整的技術(shù)保護(hù)程序。CSC-103B 是一種融合了數(shù)字技術(shù)的線路保護(hù)設(shè)備。“PRS-753A-G”、“WXH-803A-G”是用于保護(hù)線路的技術(shù)裝置, 作為“九統(tǒng)一”的主要設(shè)備選擇。CSC-101A 表示一種適用于超高壓線路中的保護(hù)設(shè)備,PSL-603U 是一種適用于不低于220kV 電壓級(jí)別的供電線路, 全方位保護(hù)主備線路, 具有較強(qiáng)的技術(shù)智能性[4]。

以PSL-603U 為例, 描述其線路保護(hù)的方法。

(1) 零序保護(hù)。此裝置共有兩個(gè)定時(shí)限, 分別是“零序Ⅱ段”、“零序Ⅲ段”。如果零序Ⅲ段作出保護(hù)動(dòng)作, 出現(xiàn)三跳、關(guān)閉重合閘兩個(gè)現(xiàn)象, 此時(shí)零序Ⅱ段會(huì)借助“保護(hù)重合閘”的字段, 進(jìn)行選擇性保護(hù)。參照零序功率方向, 判斷裝置內(nèi)元件轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小, 具體算法如式(1)。

(1) PSL-603U 用于建立智能變電站時(shí), 其線路保護(hù)的性能特點(diǎn), 如表3 所示。

表3 PSL-603U 裝置的性能特點(diǎn)

Ln 表示額定電流, 單位有A、mA 等。

如表4 所示, 是PSL-603U 裝置連接光纖需設(shè)計(jì)的接口參數(shù)。

表3、表4 的數(shù)據(jù), 取自PSL-603U 裝置的技術(shù)說(shuō)明書。結(jié)合裝置性能特點(diǎn), 將其用于案例變電站的技術(shù)方案中, 能夠借助互感器獲取N 變電站的線路故障情況, 準(zhǔn)確保護(hù)動(dòng)作出口。

3.2 旁代線路的保護(hù)方法

N 變電站, 選擇CSC-103B 保護(hù)裝置, 作為第一組線路保護(hù)程序, 用于保護(hù)旁路開關(guān), 第二組線路保護(hù)裝置選擇WXH-803A-G。在規(guī)劃線路保護(hù)方案時(shí), 借助CSC-186M 保護(hù)裝置進(jìn)行多組線路連接,讓旁路開關(guān)連接于B 變電站, 建成旁代線路的保護(hù)體系。當(dāng)旁路開關(guān)連接于A、B 兩個(gè)變電站時(shí), 使用WXH-803A-G 進(jìn)行統(tǒng)一旁代保護(hù)。以B 變電站為例, 當(dāng)線路運(yùn)行時(shí), 使用CSC-103B 保護(hù)裝置, 借助CSC-186M 的編碼設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān), 建立兩個(gè)線路保護(hù)通道、一個(gè)通信保護(hù)路徑。在線路保護(hù)期間,使用CSC-186M 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)變時(shí), 需順應(yīng)線路旁代保護(hù)功能正常運(yùn)行的實(shí)際要求, 線路處于旁代狀態(tài)時(shí), 運(yùn)行人員可采取簡(jiǎn)單操作, 自如切換通道。此技術(shù)的缺陷在于: 會(huì)出現(xiàn)光差保護(hù)的短暫中斷, 無(wú)法保證線路保護(hù)的全面性; 第二組線路保護(hù)方案,在運(yùn)行旁代期間, 會(huì)關(guān)聯(lián)多個(gè)線路保護(hù)裝置的生產(chǎn)商, 保護(hù)設(shè)施型號(hào)、技術(shù)規(guī)范的差異性, 會(huì)形成線路分接裝置的聯(lián)動(dòng)性問(wèn)題。在此種運(yùn)行程序下, 可能會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)“光差數(shù)據(jù)”采集的協(xié)同性, 需加以驗(yàn)證, 確保數(shù)據(jù)采集完整。如果此種保護(hù)方案存在技術(shù)配合問(wèn)題, 可選擇備選方案, 將尾纖安裝至保護(hù)程序的熔纖盒內(nèi), 在有線路切換需求時(shí), 進(jìn)行人工處理。備用方案較為依賴于人工處理, 處理流程的實(shí)用性不足。

4 線路保護(hù)需注意的技術(shù)問(wèn)題

4.1 控制誤動(dòng)保護(hù)

斷路器三相不一致保護(hù), 主要依據(jù)開關(guān)設(shè)備的輔助節(jié)點(diǎn)變動(dòng)實(shí)現(xiàn), 以此決定是否需要啟動(dòng)。此回路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單, 系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性較強(qiáng)。然而,此種技術(shù)方案, 缺失必要的閉鎖條件, 實(shí)際運(yùn)行中, 三相不一致保護(hù)多處于室外環(huán)境中, 極易出現(xiàn)線路破損、絕緣性改變等現(xiàn)象, 增大了保護(hù)誤動(dòng)的可能性。三相不一致保護(hù)端子箱, 可裝設(shè)在斷路設(shè)備B 相之上, 此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)斷路器振動(dòng)情況, 相應(yīng)增大了分閘、合閘形成的不利影響, 致使繼電器內(nèi)部的整定時(shí)間發(fā)生讀數(shù)不準(zhǔn)現(xiàn)象, 或者引起設(shè)備出現(xiàn)接線無(wú)效問(wèn)題。在某變電站中, 發(fā)生過(guò)一起單相瞬間運(yùn)行不暢的問(wèn)題, 此事故發(fā)生在500kV 電壓等級(jí)的變電站中。瞬間事故出現(xiàn)后, 時(shí)間繼電器時(shí)間讀數(shù)不準(zhǔn)確, 三相不一致保護(hù)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度,未覆蓋重合閘所需達(dá)到時(shí)間, 致使保護(hù)失效, 在斷路器判斷失誤的情況下, 給出了跳閘動(dòng)作。為此,在線路運(yùn)行時(shí), 需加強(qiáng)三相不一致保護(hù)裝置的防震處理, 減少誤動(dòng)可能性[5]。

4.2 保證網(wǎng)聯(lián)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)排查質(zhì)量

線路保護(hù)安裝調(diào)試后, 需參照聯(lián)網(wǎng)情況, 綜合評(píng)價(jià)設(shè)備安全性。M、N 兩個(gè)變電站均是220kV電壓等級(jí), 新片區(qū)電網(wǎng)也存在一些風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。第一, 兩個(gè)變電站的新保護(hù)裝置在投運(yùn)前, 其可靠性還未得到驗(yàn)證。第二, N 變電站運(yùn)行的母線失靈保護(hù), 未進(jìn)行雙重配置, 可利用線路保護(hù), 彌補(bǔ)失靈保護(hù)不足。B 變電站的線路保護(hù)程序中, 運(yùn)行TJR 回路后, 會(huì)暫停線路保護(hù)程序, 啟動(dòng)失靈保護(hù)動(dòng)作, 然后利用母線保護(hù)裝置出口。全面匯總分析該區(qū)域電網(wǎng)設(shè)備可能潛在的風(fēng)險(xiǎn), 以M、N為樞紐設(shè)計(jì)變電站, 合理選擇線路保護(hù)方案, 更新穩(wěn)控裝置策略。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述, N 變電站進(jìn)行線路保護(hù)時(shí), 主要是借助光纖保護(hù), 更新原有的高頻保護(hù)技術(shù), 以此改變電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及線路保護(hù)體系。針對(duì)N 變電站關(guān)聯(lián)的四個(gè)新建變電站, 選用CSC-103B 型光纖保護(hù)裝置, 控制誤動(dòng)保護(hù)問(wèn)題, 關(guān)注電網(wǎng)運(yùn)行情況。確定技術(shù)方案后, 進(jìn)行線路保護(hù), 能夠保證N 片區(qū)電網(wǎng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài), 彰顯出光纖縱聯(lián)保護(hù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。