高壓電源快切對企業(yè)電網(wǎng)繼電保護影響的研究

周雪松，崔立強，馬幼捷，周金程，楊亞光

(天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津理工大學(xué)，天津300384)

1 引言

對于鋼鐵、石化等企業(yè)，其重要負荷往往采用雙回路供電，當有一條電源側(cè)線路故障跳閘后，采用高壓電源快切裝置迅速、合理動作將另一側(cè)電源接入，保證了負荷的連續(xù)性［1］。電源切換過程會對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，如果切換不當可能造成系統(tǒng)繼電保護裝置誤動，使切換失敗，負荷徹底斷電。隨切換方式的不同切換過程對系統(tǒng)繼電保護影響的大小和方式也有所區(qū)別。本文對電源切換過程及其對系統(tǒng)繼電保護的影響進行了分析，最后提出了快切裝置與繼電保護相配合的策略，提高電源切換的成功率。

2 快切過程分析

當工作電源由于某種故障而被切除，即母線的電源進線斷路器跳閘后，由于連接在母線上運行的電動機的定子電流和轉(zhuǎn)子電流都不會立即變?yōu)榱?，電動機定子繞組將產(chǎn)生變頻反饋電壓，即母線存在殘壓。殘壓的大小和頻率都隨時間而降低，衰減的速度與母線上所接電動機臺數(shù)、負荷大小等因素有關(guān)。母線殘壓可以表示為［2］:

此時電動機實際上運行在發(fā)電狀態(tài)。感生電勢是初始頻率為(1－s0)ωs的交流，在異步電動機失電前后頻率發(fā)生突變［3-4］，ω'(t)的初值為 s0ωs。

母線殘壓uM可簡化為:

在電源切換過程中，工作母線和備用電源間的差拍電壓及頻差會逐漸變大，其相角差呈周期性變化。

用直角坐標表示備用電源電壓和母線殘壓:

電源切換過程中母線殘壓、差拍電壓和備用電源的變化規(guī)律如圖1所示。

根據(jù)圖1中曲線可以看出，差拍電壓ΔV的變化規(guī)律為幅值振蕩的曲線，當母線殘壓下降為零時，差拍電壓穩(wěn)定在備用電源額定電壓值。圖中B、D、F對應(yīng)的為差拍電壓1.1倍額定電壓的點。根據(jù)快切裝置的工作原理B點為對應(yīng)快速切換方式下差拍電壓最大的點，E點為同期捕捉切換方式對應(yīng)的點。

圖1 惰行時工作母線電壓Vs;備用母線電壓Vb;壓差幅值ΔV的變化曲線Fig.1 Curves showing working bus voltage(Vs);reserve bus voltage(Vb);voltage difference between working bus voltage and reserve bus voltage(ΔV)vs.time at idling state

3 電源切換對企業(yè)繼電保護的影響

本文以天津石化電網(wǎng)降壓站系統(tǒng)為例進行研究分析。如圖2所示，該系統(tǒng)有兩條電源進線，連接同一條110kV母線供電，因此兩側(cè)電源電壓的初始相角差非常小可認為是零。兩側(cè)電源進線分別通過降壓變壓器各自帶一段母線，正常運行時，6kVI母線和6kVII母線分裂運行，655斷路器斷開，當其中某一母線的工作電源故障跳閘后安裝在655處的快切裝置動作使655閉合，一臺變壓器帶兩段母線工作。

圖2 石化電網(wǎng)降壓站系統(tǒng)圖Fig.2 System structure of substation

電源切換過程中母線殘壓逐漸衰減，切換時與備用電源電壓之間存在差拍電壓，造成電源切換對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，包括低電壓可沖擊電流［6］?？赡軙鹣到y(tǒng)繼電保護裝置誤動，其影響主要包含以下幾個方面:

(1)電源切換過程中，工作母線殘壓幅值逐漸降低，如果切換時間過長，母線殘壓過低會造成電動機低電壓保護動作。

(2)發(fā)生切換時，在兩母線之間的聯(lián)絡(luò)線和備用電源變壓器支路產(chǎn)生沖擊電流，該沖擊電流波形如圖3所示。通常在聯(lián)絡(luò)線上需要設(shè)置電流速斷保護和定時限過流保護。若切換不當，有可能造成該處繼電保護動作。另外，備用電源線路或變壓器上一般也安裝有速斷保護和定時限過流保護，由于該處速斷保護設(shè)定值根據(jù)最大三相短路電流設(shè)定，而過流保護為躲過變壓器勵磁涌流和負荷自啟動電流之和設(shè)定，所以如果切換時沖擊電流過大可能會造成備用電源支路保護動作，造成切換失敗。

圖3 沖擊電流滯后的情況Fig.3 Curve showing lag of peak current

(3)實際系統(tǒng)中，電源切換還可能引起備用變和電動機差動保護動作［7］。原因有以下幾點:①電源切換過程中差動保護裝置兩側(cè)TA暫態(tài)特性不同，切換產(chǎn)生的沖擊電流引起差動回路產(chǎn)生不平衡電流，從而造成差動保護誤動作;②由于差動保護二次回路接線差別是兩側(cè)TA輸出阻抗不同或兩側(cè)TA的暫態(tài)特性不同等硬件方面的原因，電源切換產(chǎn)生的沖擊電流使差動回路產(chǎn)生嚴重的不平衡電流，最終造成繼電保護動作。③由于微機繼電保護裝置軟件方面的缺陷，在電源切換產(chǎn)生較大沖擊時使差動保護誤動作。

4 快切裝置與繼電保護配合的措施

采用快切裝置進行高壓電源切換時，其三種切換方式均會對系統(tǒng)造成沖擊，可能引起繼電保護動作，造成切換失敗，后果很嚴重。需要采取一定的措施防止出現(xiàn)快切裝置動作成功而繼電保護動作跳閘的情況。需要采取一些必要的措施:

(1)當母線殘壓和備用電源電壓滿足快速切換要求時，切換時間越短對系統(tǒng)沖擊越小。這是因為切換時間越短，母線殘壓衰減越小，差拍電壓也越小，切換時的沖擊電流也越小。故斷路器合閘時間小于100ms是采取快速切換方式的前提。若采用真空斷路器其合閘時間約為50ms，可提高快速切換方式的切換成功率。

(2)在一些情況下同期捕捉切換方式對系統(tǒng)可能比快速切換方式小?？焖偾袚Q方式下由于母線電壓下降不大，但母線殘壓和備用電源電壓相角差一般比同期捕捉切換方式大。故當工作母線電壓和備用電源電壓初始相角較大時，即使?jié)M足快速切換條件其沖擊電流也可能較大。這種情況下采用同期捕捉切換方式可能會得到較小的沖擊電流。特別是工作母線上負荷容量越大，其母線殘壓衰減越慢，同期捕捉切換方式下的沖擊電流也越小。對石化電網(wǎng)降壓站系統(tǒng)進行的仿真結(jié)果也證明了這一點。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，在同期捕捉切換方式下最理想的切換點(E點)進行切換所得到的沖擊電流小于在快速切換方式下(A點和B點)進行切換時產(chǎn)生的沖擊電流。

表1 655處切換仿真結(jié)果(p.u.)Tab.1 Simulation result of power switchover on 655(p.u.)

(3)采取繼電保護加適當延時［8］。根據(jù)理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果可知，電源切換產(chǎn)生的沖擊電流其峰值很大但是幅值衰減很快，暫態(tài)過程一般在200ms以內(nèi)，對各支路和變壓器上安裝的速斷保護加適當?shù)难訒r，使保護裝置躲過沖擊電流峰值，這樣就可以防止電源切換引起的繼電保護誤動。在有些情況下，特別是接近同期捕捉點的區(qū)域進行切換時，其沖擊電流最大幅值往往不是第一個峰值(見圖4)，故在設(shè)定延時時需要對具體的系統(tǒng)和切換方式進行具體分析。

但是，修改繼電保護參數(shù)的方法只能作為后備方案，因為修改繼電保護參數(shù)不當有可能造成系統(tǒng)在正常運行時繼電保護失去其選擇性和可靠性。

圖4 沖擊電流峰值滯后的情況Fig.4 Lag of peak impulse current

(4)母線失壓后切除不重要的負荷。當工作母線失壓后，切除不重要的負荷而保留重要負荷，可以減小切換沖擊電流。切除部分負荷后母線殘壓衰減變化不大，但可以減小切換時的沖擊電流峰值。這樣可以避免速斷保護誤動作。本文以6kVII母線失壓后，延時50ms(斷路器分閘時間)切除母線上的負荷油循I(其容量約占6kVII母線上負荷總?cè)萘康囊话?為例對上述情況進行了仿真驗證。仿真結(jié)果如表2和表3所示。

表2 母線殘壓變化情況(p.u.)Tab.2 Change process of residual voltage(p.u.)

表3 不同負荷情況下的沖擊電流 (p.u.)Tab.3 Impulse current in different load conditions(p.u.)

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，切除部分負荷后母線殘壓下降加快，但不是很明顯。由表3中數(shù)據(jù)可知，在切除部分負荷后，切換造成的沖擊電流會明顯減小，一般情況下都不會造成速斷或過流保護動作。切除部分負荷可以有效降低切換對系統(tǒng)繼電保護的影響，避免繼電保護動作，提高切換成功率。

(5)加裝限流電抗器。在電源切換時，在母線聯(lián)絡(luò)線和備用電源變壓器支路產(chǎn)生較大的沖擊電流。在母線聯(lián)絡(luò)線和備用電源變壓器支路低壓側(cè)加裝故障限流器可以起到在切換暫態(tài)過程中增加線路阻抗、限制故障電流的作用。有效地減小沖擊電流，防止繼電保護動作，保證切換成功，但增加了成本，可作為一種后備方案。

5 結(jié)論

快切裝置可以提高企業(yè)重要負荷的供電連續(xù)性，防止負荷失電造成損失。但是電源切換過程中由于差拍電壓的存在，切換時會對系統(tǒng)造成沖擊，可能引起系統(tǒng)繼電保護動作跳閘。通過仿真分析得出，易發(fā)生繼電保護誤動的部分為切換發(fā)生的聯(lián)絡(luò)線處、備用電源側(cè)變壓器和線路以及工作母線的饋線與負荷電動機。本文針對快切裝置和繼電保護相配合的策略提出了一些建議和措施，通過更換合閘時間更短的真空斷路器可以縮短快速切換方式下的切換時間;同期捕捉切換作為快速切換方式的后備切換，其沖擊電流也相對較小，有時甚至比快速切換方式對系統(tǒng)的沖擊還小;當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)快切裝置無法滿足切換條件時可通過合理修改繼電保護參數(shù)的方式防止電源切換造成繼電保護誤動;還可以在電氣設(shè)備線路上加裝故障限流器當電源切換時減小沖擊電流對系統(tǒng)的影響。通過這些措施可以減小電源切換對系統(tǒng)的沖擊，防止快切裝置正確動作而繼電保護誤動造成切換失敗的情況，保證負荷的供電可靠性。

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