刍议发变组微机保护双重化配置问题

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  摘要:近年来,随着我国经济水平的提升,电力工业相对于以往也有了较大变化,其中大型机组发电机对机组和系统安全起着不可替代的作用。当前很多电厂发变组保护都开始尝试运用微机保护双重化配置,便于保护可靠运行的同时也提高保护正确动作率。当前主设备保护领域也开始逐渐应用双主双后保护配置,极大提高运行效率,因此分析发变组微机保护双重化配置问题对保证机组安全有着重要的现实意义。
  关键词:发变组;微机保护;双重化;配置问题
  继电保护是指通过对电力系统故障和异常情况分析,配置应对事故发生的自动化举措,常规的是利用接触点的继电器进行保护电力供输主要系统及其元件,如变压器、发电机、母线或主要输电线路等,从而使之避免受到损害。继电保护是电力系统中不可或缺的组成元素之一,是确保用电安全、保护供电设备的一项重要技术,其使用不当或者配置不达标势必会隐藏诸多安全隐患,甚至引起较大的安全事故,导致电力系统整体损坏。因此,在电网设计中,继电保护双重化配置是指设置两套保护装置,并且每套都能独立完成修复或快速切除故障,从而保证两套保护装置相互独立,提高动作成功率,有效保证电力系统的整体运行效果。
  一、国内外发变组微机保护双重化的发展及理论研究
  1.1国内外发变组微机保护双重化的发展
  微机保护技术中含金量最高的是大型发变组微机保护,国外拥有此产品技术的电气设备公司也屈指可数。处于领先地位的有阿尔斯通、ABB公司、GE公司、SIEMENS公司,这些保护装置保护层次清晰、结构合理,软件调节功能齐全,在实际应用中有成熟的技术和运行经验,人机互动性好,开发出来的产品应用较早。
  国内发变组微机保护装置的研究始于改革开放后,由国内部分主要电气设备公司与著名大学合作开发,将新原理和高新科技应用成果应用至其中,发变组保护装置性能得到了大幅度的提高。经过长时间的运行实践,国内主要的电气设备公司也积累了很多宝贵的经验财富,对发变组微机保护装置的研究做出了很大的贡献。
  1.2国内外发变组微机保护双重化的理论研究
  发变组保护的类型有很多种,主要有以下几类:①内部短路的主保护,方案主要是纵差保护、横差保护、故障分析量负序功率方向+纵向零序电压、不完全纵差保护;②定子接地保护,主要方案是基波零序电压、三次谐波零序电压式、注入式定子接地保护;③低励失磁保护,主要是定子和转子判据。除以上三种保护外,还有失步保护、负序电流保护和异常运行的其他保护等等。机组容量、故障类型、故障点不同,采用的原理也不完全相同。
  二、发变组微机保护双重化配置的必要性
  发电厂的核心设备是发电机与变压器,统称为发变组,主要是指单元式发电系统。随着微机保护领域的不断拓宽,双后配置成功应用到了线路微机保护中。发变组微机保护装置技术也不甘落后,也对装置配置加以提升改进。发变组实现双重化配置的优点是减省了很多工作,并且可大大提升动作灵敏性,对于后期的保护调试、定值修改等很多工作都得到了一定程度的减轻。最至关重要的是可快速查询保护参数,可以大幅提高电流、电压的精确性。可实时记录保护动作的参数、波形,这些数据对于故障分析提供了重要依据。应用双重化保护装置,在设计、运行、管理等方面提供很大便利,大型发电机组运行安全系数高。
  三、发变组微机保护双重化配置的特点
  3.1新型的保护原理
  发电机变压器组装置的原理是复杂的,得到应用的原理主要有以下几种,工频变化量原理、变斜率比率差动保护原理、异步法TA饱和判据、电流制动和浮动门槛相结合的高灵敏横差、零序电压匝间保护原理。
  3.2高性能的硬件及高端的软件技术
  控制系统有两个CPU,系统均具备相互独立的32位微处理器、两个DSP的硬件构造,在任意采样时间内可以對所有继电器进行采样分析计算,富裕空间很大。出口跳闸由双CPU系统协同作用,可以有效防止保护装置由于硬件故障而引起的误动作。
  软件模块化采用开放式平台,保护配置更加灵活,保护动作更加灵敏,功能调整更加便利,能够迅速进行所有主保护和后备保护的动作,所以其功能能够得到应用。
  3.3装置监视透明化
  实时监视装置的优点是监视装置内部、对各回路单独采样。具有对多个采样数据及内部标志数据进行分析整理的功能,若出现TA、TV回路异常等现象,装置立即发出报警指示,方便装置及早发现问题,早解决,将隐患消灭至摇篮之中。
  3.4完善的自检功能、独立的录波功能
  微机保护装置具有实时对各回路动态检查的功能,若有零件受损,可以及时启动闭锁装置及报警信号指示。CPU板录波用来记录保护各种原始模拟量、中间模拟量、保护的出口状态等,管理板录波,设有完格的故障录波功能数据库,可以长达数秒连续记录所有模拟量、开入量、保护动作量波形数据,便于以后的录波记录查阅。
  四、双重化配置方案
  4.1保护屏柜及功能配置
  一般大型发变组单元需要配置A保护屏、B保护屏和C保护屏。其中A屏和B屏分别配置相应的保护装置,包括发电机、变压器等电量保护。涵盖以下保护功能作用:①发变组差动保护;②主差变动保护、主变零序保护和主变相间后备保护;③过电压保护、失磁保护、频率异常保护、过激磁保护、负序电流保护、定子接地保护、定子热过载保护、逆功率保护、转子接地保护、启停机保护、误上电保护等;④分支后备保护、高厂变后备保护、高厂变差动保护;⑤励磁过负荷保护、励磁变后备保护、励磁变差动保护;⑥TA断线和TV断线判别功能。励磁系统故障、发变组紧停、热工保护、断水保护,主变、厂变等非操作回路和非电量保护涉及多条回路,也为强电回路,上述两种回路和保护均设置在C屏。其中C屏还涵盖一套电流回路、启动失灵功能、非全相保护等,因此非电量保护装置,不同于A屏和B屏。   4.2 TV配置
  微机保护A屏和B屏TV配置应完全独立,不允許有任何电的联系,原则为同一电压应分别取自不同的TV或者同一TV的不同绕组。如发电机机端相电压及中性点相电压,A屏和B屏应分别取自发电机机端及中性点的不同TV,用于发电机过电压、逆功率、频率、过励磁、失磁、失步、相间后备等保护中;同理发电机机端零序电压及中性点零序电压也应分别取自发电机机端TV开口三角及中性点侧TV开口三角电压,用于定子接地保护,也可以将其中某屏的零序电压由相应相电压自产生成用于微机保护。A屏和B屏中高厂变保护高压侧电压也应取自发电机机端不同的TV,用于高厂变相间后备等保护。主变高压侧TV一般为电磁式电压互感器,三相只配一组TV,故主变保护高压侧电压应取自主变高压侧TV的不同绕组,用于主变后备等保护。
  4.3 TA配置
  双主双后配置方案不同于其他电力设备配置,主后备在保护运用过程中会使用到一组TA,而不同屏不同电量保护装置应采用不同组TA。国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》明确要求:两套保护装置的交流电流应分别取自电流互感器互相独立的绕组,其保护范围应交叉重叠,避免死区。如发电机机端及中性点侧TA应配置多组TA二次绕组,中性点侧TA用于发变组差动、发电机差动、发电机后备保护、测量、励磁等,且A屏和B屏应相互独立,不允许交叉使用;而机端TA用于主变差动、发电机差动、测量等。 同理高厂变高压侧也应配置多组TA二次绕组,分别用于A屏、B屏的主变差动保护、高厂变差动保护、高厂变后备及测量,主变高压侧TA二次绕组分别用于A屏、B屏的主变差动保护、主变后备保护;同时高厂变分支零序TA及主变高压侧零序TA也应配置多组二次绕组,分别用于A屏、B屏的零序保护。
  4.4 电源、出口及信号配置
  A屏、B屏保护装置、C屏非电量装置的电源应相互独立,不允许有任何电的联系。
  A屏、B屏保护装置出口的配置原则为:对于双跳闸线圈断路器,A屏出口动作于跳闸线圈一,B屏出口动作于跳闸线圈二;对于单跳闸线圈断路器及其他出口方式,如灭磁、厂用电切换、关闭主汽门等,A屏、B屏出口均作用于出口对象。而C屏非电量出口同时动作于跳闸线圈一、跳闸线圈二,其他动作方式与A、B屏配置相同。
  A屏、B屏、C屏保护动作信号也采用相互独立的原则,分别作用于DCS发信及故障录波器启动。
  4.5正常运行保护投入方式
  A屏、B屏均投入发电机差动、主变差动、高厂变差动、励磁变差动及发变组差动保护。一般对于变压器差动励磁涌流判别原理可分为二次谐波原理和波形判别原理,A屏装置可以运用二次谐波原理,B屏装置可运用波形判别原理;对于100%定子接地保护,A屏可采用注入式100%定子接地保护,则B屏可采用三次谐波原理构成的100%定子接地保护;需要明确指出的是,一般转子接地保护只投入一套,所有后备保护和其他设备异常运行保护均投入正常运行,可根据需要作用于不同的动作对象。
  对于C屏非电量保护柜,一般变压器重瓦斯投跳闸,作用于全停,励磁系统故障、热工保护、断水保护、发变组紧停等均投跳闸。
  五、发变组微机保护双重化配置出现的问题及解决方法
  5.1国产化保护装置力量的薄弱
  发变组保护装置在运行过程中仍存在一定程度的缺陷,电力系统双重化保护发展较迟,技术力量基础相对薄弱,发变组系统很多问题交由保护来处理,应该设计简单的结构,从而更好地提高其安全性,主设备保护复杂化主要表现在机组容量级别多、电压等级也多和主接线类型多。我们应该统一保护人员和设计人员对保护概念的理解,这样才能更好地将相同设备和系统保护配置的内容统一起来,缩小保护配置内容的差距。我们要尽快开发先进的保护装置来适应电力系统的迅猛发展,保护装置要向结构层次清晰、功能齐全、硬件模块化、软件集成化、配置灵活化等方向进行开发。
  5.2传统机组保护方案不精确
  以前的机组仅仅应用了差动保护、匝间保护等几种保护功能,差动保护不能完全反应所有故障类型,如果因为回路或装置发生异常,保护功能将立即退出,发电机无法正常运转。我们应该摈弃传统的保护设计思想,大胆采用吸收线路微机保护双主双后配置的理念,结合先进的硬件和软件技术,改造大型机组,按照双主双后的完全双重化配置要求,尽快完全实施应用发变组保护一体化。但是由于机组设计及配置缺陷,如TA二次绕组配置问题,改造机组并不能达到真正意义的双主双后的完全双重化。
  5.3微机保护灵活性差
  传统继电器保护出现在微机保护之前,其特点是:继电器各自作用,通过逻辑组成,能满足不同设备的要求,灵活性较大;但随着时间和环境因素的改变,后期调试维护的工作量大。因此开发了微机保护装置,但并没有将此方式沿用下来,于是微机保护的灵活性下降了。为了提高微机保护装置的灵活性,要保留以前的优点,在开发新的保护装置时,重要的前提就是确立模块的标准化接口,逻辑模块才能更加明了和简单。开发新的软件将过去的做法融入进去,让逻辑模块化,继电器相互独立,继电器逻辑改变其逻辑模块也跟着改变,若升级,只改对应模块,互不干扰。
  5.4主设备双重化保护不独立
  保护双重化有两种方案,两种方案的优缺点分析如表1所示。
  若考虑主保护拒动而由后备保护来跳闸,那么主设备将会严重烧坏,因此在发变组保护的实际应用中,要尽快落实保护双重化的配置,问题,将两套独立的保护尽快应用到主设备保护运行之中,积极贯彻实施符合国家规定的规程。将以上两种方案有机结合起来,更好地解决双重化配置难题。
  5.5微机保护软件功能局限
  微机保护装置大量应用在发变组保护中,产品更新速度快,硬件在装置总成本中所占的比重逐渐下降;硬件的技术是相对成熟的,但是硬件的更新速度跟不上软件的更新速度,变相地一定程度上缩短了产品的寿命周期。我们要创新思想,改变微机保护装置的软件设计思维,不同保护装置软件的功能不同,软件的实用性要强,将保护的各种复杂繁琐的功能由合适的软件来达到目标。实际运用中的保护装置是动态变化的,经常修改相应的软件,更新现有的技术,产品及时改型,从而可以提高双重化保护装置的可靠性,更好地应用在发变组微机保护装置中。
  六、结语
  总之,在发变组中运用微机保护双重化配置必然会提高继电保护动作可靠性和稳定性,更能提高电力系统稳定运行。而在运行过程中运用双主双后保护方案具有二次回路清晰、设计简洁、运行简便、维修和调试方便等优势,在未来发展中,双主双后发变组微机保护双重化配置会因为独特的优势和良好的性能成为电力市场的发展方向,也进一步推动电力产业快速稳定发展。
  参考文献:
  [1]骆建龙.发变组微机保护双重化配置问题分析[J].工程技术研究,2017.
  [2]林永源.发变组微机保护双重化配置中的若干问题分析[J].数字化用户,2014.
  (作者单位:阳城国际发电有限责任公司)
  作者简介:乔兴业(1988.02.15)男,山西省临汾市,汉,本科,初级职称 专责工,继电保护。
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