小水電高周高壓保護(hù)裝置研發(fā)

張偉軍

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)也逐日提升，小水電接入上網(wǎng)的數(shù)目與日俱增。在小水電地區(qū)，易發(fā)生主供線路跳閘，小水電形成孤網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)致過(guò)電壓現(xiàn)象發(fā)生，從而燒毀用戶用電設(shè)備的事故。為解決這一問(wèn)題，對(duì)小電源解列裝置進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出一種針對(duì)此現(xiàn)象的新型小水電高周高壓保護(hù)裝置。文章從分析孤網(wǎng)運(yùn)行的高周高壓原理出發(fā)，進(jìn)而介紹了研發(fā)原理和裝置的主要功能，簡(jiǎn)要地對(duì)該新型裝置進(jìn)行了介紹，希望能使讀者對(duì)新型小水電高周高壓保護(hù)裝置有一定的了解。

關(guān)鍵詞：小水電；保護(hù)裝置；研發(fā)

中圖分類號(hào)：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）33-0010-02

1 概 述

韶關(guān)新豐地區(qū)位于我國(guó)南部，屬于降雨較為豐富的亞熱帶季風(fēng)氣候。且地區(qū)內(nèi)變電站由于水電裝機(jī)容量高（約為142 MW），并有大量變電站有水電上網(wǎng)，約有近300個(gè)小水電站接入上網(wǎng)。這些原因?qū)е伦冸娬景l(fā)生饋線解列，連接至饋線上的負(fù)荷減小。同時(shí)，水電運(yùn)行過(guò)程中出力不變，小水電站在工作過(guò)程中功率不平衡且電壓升高，產(chǎn)生了過(guò)電壓現(xiàn)象。過(guò)電壓現(xiàn)象的發(fā)生曾導(dǎo)致用電用戶的大量電器被燒毀，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，電站因此遭到了用戶的投訴。除此之外，過(guò)電壓的發(fā)生也帶來(lái)了很大的安全隱患，影響電網(wǎng)的檢無(wú)壓重合閘動(dòng)作。10 kV公用線路的一次示意圖，如圖1所示。

小水電站發(fā)電機(jī)自身帶有過(guò)電壓保護(hù)裝置，用于處理過(guò)電壓產(chǎn)生造成的隱患。該過(guò)電壓保護(hù)裝置工作原理是：預(yù)先設(shè)定過(guò)電壓值，當(dāng)小水電饋線上電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值時(shí)，裝置會(huì)進(jìn)行切機(jī)，將小水電切掉。但是，這種方式存在一個(gè)很大的弊端，在正常工作下容易產(chǎn)生誤動(dòng)，且誤動(dòng)之后難以再次將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。通過(guò)從計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)由于功率輸送方向限制，發(fā)電端電壓高于負(fù)荷端。由于線路末端有小電源上網(wǎng)，線上電壓出現(xiàn)抬升現(xiàn)象。當(dāng)線路足夠長(zhǎng)，電壓會(huì)隨線路太高，當(dāng)抬至過(guò)保護(hù)裝置預(yù)設(shè)電壓值時(shí)，小水電就會(huì)被裝置切斷。水電站因此損失發(fā)電量和額外增加并網(wǎng)工作，選擇退出保護(hù)，導(dǎo)致線路跳閘后無(wú)法切機(jī)。既要在線路跳閘后快速切除小水電，又要在正常方式下不發(fā)生誤動(dòng)作，現(xiàn)有的單一過(guò)電壓保護(hù)裝置無(wú)法滿足上述要求。為達(dá)到及時(shí)切機(jī)還能擁有較高的動(dòng)作可靠率，我們研發(fā)了一種新型的小水電高周高壓保護(hù)裝置。

2 孤網(wǎng)運(yùn)行的高周高壓原理分析

通過(guò)對(duì)小水電地區(qū)進(jìn)行調(diào)查，我們通過(guò)簡(jiǎn)化水電站并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模型，類比孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，在理論上分析孤網(wǎng)運(yùn)行的高壓高周原理。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程如下：

式（1）中J物理意義為水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，？棕物理意義為轉(zhuǎn)子的角速度，即為轉(zhuǎn)子角速度的變化率，Pm物理意義為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率，Pe物理意義為發(fā)動(dòng)機(jī)電磁功率。由式（1）我們可以知道，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率和電磁功率的差值變化會(huì)引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化，進(jìn)而影響了孤網(wǎng)運(yùn)行的頻率。在小水電站正常運(yùn)行的情況下，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率和電磁功率是相等的，此時(shí)轉(zhuǎn)子角速度變化率為0。當(dāng)小水電站斷開(kāi)時(shí)形成了孤網(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功率暫時(shí)保持，而發(fā)動(dòng)機(jī)電磁功率會(huì)由于孤網(wǎng)運(yùn)行而有明顯下降，這將導(dǎo)致Pm-Pe>0，轉(zhuǎn)子角速度變化率變大，使得轉(zhuǎn)子角速度增加，從而增大了孤網(wǎng)運(yùn)行頻率。

式（2）中R、X分別為線路的等值電阻和電抗，P、Q分別為線路接帶的有功功率和無(wú)功功率；VN為線路負(fù)荷側(cè)電壓。小水電串接入水電站后，10 kV饋線上發(fā)生有功功率和無(wú)功功率向母線倒送的情況。一旦遇到線路發(fā)生保護(hù)動(dòng)作跳閘，該倒送過(guò)程無(wú)法完成，小水電的有功功率和無(wú)功功率無(wú)法被傳送，負(fù)荷點(diǎn)處的電壓因此被抬高。當(dāng)一些地區(qū)由于故障而形成孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，過(guò)剩的功率無(wú)法倒送，會(huì)發(fā)生高周高壓的情況。

3 裝置研發(fā)的理論設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 提高保護(hù)裝置的可靠性

當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)裝置易發(fā)生誤動(dòng)作。造成這一問(wèn)題的主要原因是判定依據(jù)過(guò)于單一，只有電壓值為判據(jù)，一旦線路電壓達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值時(shí)就會(huì)進(jìn)行動(dòng)作。為解決這一問(wèn)題，我們將過(guò)電壓保護(hù)裝置改進(jìn)為高頻高壓保護(hù)裝置，采取將電壓值和頻率值共同作為是否切機(jī)的判別依據(jù)，只有當(dāng)電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)共同發(fā)生時(shí)才會(huì)發(fā)生解列。這樣當(dāng)跳閘沒(méi)有出現(xiàn)時(shí)就不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。通過(guò)增加動(dòng)作發(fā)生的判別依據(jù)，解列裝置的可靠性有了很大的提升。

3.2 提高保護(hù)裝置的快速性

在研發(fā)時(shí)的錄波分析過(guò)程中，我們注意到頻率每增加1Hz需要大約1秒的時(shí)間，而電壓變化是瞬時(shí)的，高頻高壓保護(hù)裝置動(dòng)作的速度較慢。若電壓發(fā)生變化時(shí)，高頻高壓保護(hù)裝置未及時(shí)發(fā)生動(dòng)作，仍然有可能燒壞用戶的用電設(shè)備。在經(jīng)過(guò)討論以后，我們決定保留一組過(guò)壓保護(hù)裝置，為這組過(guò)壓保護(hù)裝置設(shè)定一個(gè)較高的電壓值，一旦電壓超過(guò)了該值就可進(jìn)行切機(jī)工作，無(wú)需等待頻率變化。增加了這一改進(jìn)后，保護(hù)裝置的快速性也得到了保證。

3.3 提高保護(hù)裝置的靈敏性

我們注意到，保護(hù)裝置存在一種特殊使用情況，即跳閘后出力與負(fù)荷均衡、孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電壓變化不夠明顯。這種情況下雖然不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓燒壞用戶的用電設(shè)備，但頻率發(fā)生波動(dòng)，供電質(zhì)量較低，而且影響了重合閘的動(dòng)作。因此我們還針對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行配置了一套頻率解列保護(hù)，當(dāng)頻率超過(guò)限定值時(shí)，可經(jīng)延時(shí)斷開(kāi)發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)。這樣新型小電源解列裝置的靈敏性得到了有效的提高。

通過(guò)對(duì)跳閘后嚴(yán)重過(guò)電壓、一般過(guò)電壓、沒(méi)有過(guò)電壓這三種情況均做了相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)電壓，要快速切機(jī)；一般過(guò)電壓，要可靠切機(jī)；沒(méi)有過(guò)電壓，孤網(wǎng)運(yùn)行，要靈敏切機(jī)。保護(hù)裝置的動(dòng)作邏輯圖，如圖2所示。

3.4 試點(diǎn)運(yùn)行后的改良

①高周高壓保護(hù)裝置在正常工作的情況下，裝置顯示頻率存在1Hz的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)討論后，我們認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在開(kāi)發(fā)裝置的過(guò)程中，我們使用的采樣電壓質(zhì)量較高，因此頻率采樣算法的濾波考慮不足，而在實(shí)際的水電站中電壓有諧波干擾。通過(guò)擴(kuò)大采樣周期，增加一倍采樣點(diǎn)，最終使正常工作時(shí)的頻率波動(dòng)控制在0.2 Hz內(nèi)。

②裝置電源取自電路，當(dāng)發(fā)生高達(dá)380 V的過(guò)電壓時(shí)解列裝置也會(huì)被燒毀，將無(wú)法達(dá)到保護(hù)的效果。在解列裝置內(nèi)部?jī)?nèi)置電力電子變換模塊及配合調(diào)制算法，使裝置穩(wěn)壓范圍變寬。在耐壓實(shí)驗(yàn)中，解列裝置在400 V交流電源下，能正常運(yùn)作至少2～3 min。

③高周高壓保護(hù)裝置與傳統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)裝置相比，功能更加完善成本也相應(yīng)提高。為平衡電站的投入成本，對(duì)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充，增加電壓采集、跳閘出口接點(diǎn)，改進(jìn)算法。

4 高周高壓保護(hù)裝置的主要功能

保護(hù)裝置使用了整體面板及多種安裝結(jié)構(gòu)，裝置選用了智能高速CPU芯片進(jìn)行計(jì)算，配有一路跳閘出口，安裝時(shí)需要配合高壓自動(dòng)化開(kāi)關(guān)進(jìn)行安裝，把高周高壓保護(hù)裝置的跳閘出口接點(diǎn)并接在自動(dòng)化開(kāi)關(guān)的跳閘接點(diǎn)就可以，如圖3所示。交流輸入方式有兩種，分別是單相電壓輸入和兩相電壓輸入，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，裝置對(duì)頻率與電壓量的判據(jù)條件也應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。為防止由于電氣化電路、沖擊負(fù)荷或是電力系統(tǒng)發(fā)生故障等問(wèn)題導(dǎo)致解列裝置發(fā)生誤動(dòng)或是拒動(dòng)現(xiàn)象，我們?cè)谘b置的直流電源輸入端增設(shè)了專用的電源濾波器，除此之外，還增設(shè)了二階無(wú)源濾波器和二階有源濾波器至交流濾波回路中。

新型高周高壓保護(hù)裝置的主要功能如下：

①能測(cè)量裝置安裝處的主線和支線電壓、頻率及它們的變化率。

②在電力系統(tǒng)有些地區(qū)電網(wǎng)由于有功功率過(guò)剩引起頻率上升時(shí)，裝置根據(jù)頻率升高值自動(dòng)切除水電站支線。

③本裝置具有高周高壓保護(hù)控制功能，配置兩段式高周、高壓保護(hù)，具有繼電器跳閘出口和信號(hào)報(bào)警出口繼電器。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前小水電地區(qū)的孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)高周高壓造成用戶用電設(shè)備燒毀，電網(wǎng)的重合閘動(dòng)作受到影響等問(wèn)題，研發(fā)了一種新型高周高壓保護(hù)裝置。該裝置在已有的過(guò)保護(hù)裝置上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，當(dāng)變電站10 kV饋線開(kāi)關(guān)跳閘，饋線電壓頻率升高時(shí)，能及時(shí)將小水電解列，保護(hù)用戶用電設(shè)備?，F(xiàn)階段，該新型解列裝置已投入試點(diǎn)使用，有效地解決了系統(tǒng)發(fā)生電壓波動(dòng)時(shí)裝置發(fā)生誤動(dòng)現(xiàn)象，也有效避免了小水電上網(wǎng)地區(qū)用電用戶電器被過(guò)電壓燒毀的投訴，為重合閘方式提供滿足的條件，縮短線路復(fù)電時(shí)間，提高了電網(wǎng)的供電可靠性，減輕水電站監(jiān)管工作壓力，保障水電站的經(jīng)濟(jì)效率，整體上來(lái)說(shuō)，使用效果良好。

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