備自投工作原理淺析

黃文輝，于慶瑞，王軍

（甘肅長(zhǎng)城氫能源工程研究院，甘肅 天水 741024）

備自投是重要的電氣二次設(shè)備，保證了在具備雙電源不同回路供電的情況下實(shí)現(xiàn)雙電源的自動(dòng)切換，確保其中一條回路發(fā)生故障時(shí)，另一條回路電源自動(dòng)接入對(duì)負(fù)載可靠供電。在備自投的應(yīng)用中，要注意備自投動(dòng)作的條件判斷，防止備自投拒動(dòng)、誤動(dòng)作造成事故范圍擴(kuò)大。確保設(shè)備的可行性，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)更好、更快、更安全地運(yùn)行。備自投是電力系統(tǒng)能夠可靠、快速、安全運(yùn)行強(qiáng)有力的保障，在電氣系統(tǒng)中發(fā)揮著及其重要的作用。

1 備自投工作原理

1．1 備自投的作用

備自投是備用電源自動(dòng)投入裝置的簡(jiǎn)稱(chēng)，是電力系統(tǒng)中重要的電氣二次設(shè)備[1]。在具備雙電源的條件下，當(dāng)其中一路工作電源發(fā)生故障斷開(kāi)后，備自投裝置快速地將另一路電源投入運(yùn)行[2]，最大限度地減小用電單位因線路故障而產(chǎn)生影響，以免造成財(cái)產(chǎn)損失及人身傷亡事故（尤其對(duì)于石化、冶金、鋼鐵等一、二級(jí)負(fù)荷），從而提高供電系統(tǒng)的可靠性。

備自投裝置按照運(yùn)行方式的不同分為分段備自投和進(jìn)線備自投。其中分段備自投為兩條母線均正常工作，當(dāng)其中一段母線發(fā)生故障時(shí)，另一段母線通過(guò)備自投閉合母聯(lián)開(kāi)關(guān)給故障母線供電；進(jìn)線備自投為兩路電源進(jìn)線線路，其中一路線路正常工作，另一路備用，當(dāng)正常工作的這條線路發(fā)生故障時(shí)，另一路備用電源通過(guò)備自投投入供電[3]。

1．2 備自投裝置的工作原理分析

電力系統(tǒng)中簡(jiǎn)單、典型的備自投工作方式，對(duì)于更加復(fù)雜的備自投接線，都可以認(rèn)為是簡(jiǎn)單工作方式的合成。

某供電線路35kV供電系統(tǒng)為單母線分段供電，分別來(lái)自不同的110kV變壓器。35kV供電系統(tǒng)主接線圖如圖1所示。

圖1 35kV供電系統(tǒng)主接線圖

圖1中，4QF、5QF分別為兩段110kV的進(jìn)線開(kāi)關(guān)，1QF、2QF為兩段35kV的進(jìn)線開(kāi)關(guān)，3QF為兩段35kV母線的連接開(kāi)關(guān)，CT1、PT1為I段母線的電流和電壓，CT2、PT2為II段母線的電流和電壓，1L0、2L0為110kV零序電流。

備自投裝置動(dòng)作的依據(jù)是取進(jìn)線電流，兩段母線電壓互感器的電壓和進(jìn)線PT電壓，取單相電流是判斷進(jìn)線回路是否有電流，因?yàn)橛须妷翰灰欢ㄓ须娏鳎须娏饕欢ㄓ须妷篬4]；取進(jìn)線PT電壓是為了判斷進(jìn)線電纜或進(jìn)線橋側(cè)是否有電壓，作為自投準(zhǔn)備及動(dòng)作的輔助判據(jù)。備自投動(dòng)作邏輯圖如圖2所示。

圖2 備自投動(dòng)作邏輯圖

當(dāng)35kV I段母線進(jìn)線斷路器1QF或者110kV進(jìn)線斷路器1QF事故跳閘，檢測(cè)到I段母線CT1無(wú)電流、PT1無(wú)電壓，則備自投裝置開(kāi)始動(dòng)作，跳閘1QF，然后合3QF，通過(guò)II段母線對(duì)I段母線負(fù)載供電，保證了負(fù)載正常運(yùn)行。Ⅱ段母線失電時(shí)其動(dòng)作邏輯相似。

1．3 備自投的使用原則

（1）只有工作電源確認(rèn)被跳開(kāi)以后，備用電源才能正式投入使用，備自投采用延時(shí)動(dòng)作，在確認(rèn)進(jìn)線斷路器斷開(kāi)在跳位后，才能進(jìn)行后續(xù)的邏輯動(dòng)作，這樣可以防止反送電的發(fā)生。

（2）當(dāng)備用電源故障無(wú)壓時(shí)，應(yīng)閉鎖備自投。

（3）備自投應(yīng)有閉鎖功能，可以防止工作電源因故障跳閘時(shí)，備自投誤動(dòng)作，從而造成事故范圍的擴(kuò)大[5]。

（4）人工斷開(kāi)工作電源時(shí)，備自投不允許動(dòng)作。

（5）備自投只允許動(dòng)作一次。

2 備自投與保護(hù)裝置的時(shí)限配合研究

在工作電源發(fā)生故障時(shí)，備自投動(dòng)作將備用電源投入使用，但工作中發(fā)生跳閘的情況很多，比如發(fā)生短路、接地、電器元件故障、手動(dòng)斷開(kāi)工作電源等，需要備自投判斷是哪種情況造成的，從而決定是否動(dòng)作。

2．1 備自投與自動(dòng)重合閘的配合時(shí)限問(wèn)題

某變電站35kV線路主接線圖簡(jiǎn)化圖如圖3所示，其中兩段母線互為暗備用，35kV I、II母線均正常投入使用，分段斷路器3DL斷開(kāi)，35kV I、II母線互為備用[6]。正常情況下當(dāng)其中一段母線失去電壓時(shí)，備自投動(dòng)作將故障段的斷路器斷開(kāi)，閉合母聯(lián)斷路器3DL即可完成備自投的投切工作。可此時(shí)該電站1DL故障跳閘（發(fā)生永久性故障）后[7－8]，備自投動(dòng)作閉合 3DL，2S 以后 1DL 重合閘動(dòng)作再次合閘，引起I段110kV變壓器、和2DL跳閘，導(dǎo)致35kV整條線路斷電，停電范圍擴(kuò)大。經(jīng)后續(xù)原因分析，備自投未閉鎖1DL線路重合閘，導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大。備自投動(dòng)作整定時(shí)限應(yīng)長(zhǎng)于重合閘動(dòng)作時(shí)限。當(dāng)1DL故障跳閘（發(fā)生瞬時(shí)故障）時(shí)，按照上述的動(dòng)作時(shí)限，會(huì)導(dǎo)致110kV電網(wǎng)發(fā)生非預(yù)期的合環(huán)運(yùn)行。因此重合閘動(dòng)作時(shí)限應(yīng)＞（線路保護(hù)最大動(dòng)作時(shí)限＋重合閘動(dòng)作時(shí)限＋后加速動(dòng)作跳閘時(shí)限）。

圖3 某變電站35kV主接線圖簡(jiǎn)化圖

2．2 備自投與繼電保護(hù)的整定配合關(guān)系

如圖4所示，為某變電站220kV主接線圖，其中進(jìn)線1為工作線路，進(jìn)線2為備用線路，一般配置有線路保護(hù)、母差保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)等。

圖4 某變電站220kV主接線圖

正常工作時(shí)1QF在合閘位置，2QF在分閘位置，3QF在合閘位置。當(dāng)進(jìn)線1在A點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)[9]，線路保護(hù)動(dòng)作，跳掉開(kāi)關(guān) 1QF。

（1）若故障點(diǎn)A為瞬時(shí)性故障，則重合閘動(dòng)作，1QF重新合閘，此時(shí)線路恢復(fù)正常，備自投閉鎖不再動(dòng)作。

（2）若故障點(diǎn)A為永久性故障，線路保護(hù)動(dòng)作使1QF跳開(kāi)，此時(shí)重合閘動(dòng)作，1QF重新合閘，但線路保護(hù)再次使1QF斷開(kāi)，然后備自投動(dòng)作，閉合2QF。

（3）若故障點(diǎn)A發(fā)生永久性故障，線路保護(hù)動(dòng)作發(fā)出指令，此時(shí)1QF拒動(dòng)，則斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，1QF跳閘（此時(shí)閉鎖重合閘），然后備自投動(dòng)作，閉合2QF。

備自投能否起到關(guān)鍵性的切換作用，二次保護(hù)之間的時(shí)限整定配合關(guān)系尤為重要。線路、母差保護(hù)的范圍為整個(gè)線路。斷路器失靈保護(hù)作為線路保護(hù)、母差保護(hù)的后備保護(hù)，而備自投的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)于斷路器的失靈保護(hù)。上一級(jí)的繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)限應(yīng)高于下一級(jí)的動(dòng)作時(shí)限，否則將跳掉上級(jí)開(kāi)關(guān)，使事故范圍擴(kuò)大。因此，備自投的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)高于其他保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限。

3 保護(hù)閉鎖備自投裝置的研究

使備自投發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)的原因很多，通常是在要求閉鎖的狀況下不閉鎖，不閉鎖的情況下閉鎖，故能否按要求閉鎖直接關(guān)系到備自投的動(dòng)作是否正確[10]。

備自投是在工作線路出現(xiàn)故障或其他問(wèn)題使工作電源斷開(kāi)后，將備用電源投入工作的二次設(shè)備。但在實(shí)際工作中工作電源的斷開(kāi)有多種方式，例如手跳、遙跳、保護(hù)跳閘、PT斷線等，都需要閉鎖備自投防止誤動(dòng)的發(fā)生[11]。

手跳、遙跳是工作人員發(fā)出的動(dòng)作需要對(duì)線路進(jìn)線檢修、設(shè)備更換等，此時(shí)備自投應(yīng)該閉鎖防止備用電源投入使用，對(duì)人員造成傷害。其原理圖如圖5所示，只需在設(shè)備中接入手跳、遙跳信號(hào)，閉鎖備自投即可。在備自投外部開(kāi)入中加入手跳、遙跳不僅提高了工作效率，也防止了誤操作的發(fā)生，提高了供電的可靠性。

圖5 手跳、遙跳閉鎖備自投原理圖

保護(hù)跳閘是保護(hù)裝置檢測(cè)到工作電源出現(xiàn)故障，從而將電源斷開(kāi)。在此過(guò)程中若沒(méi)有將保護(hù)動(dòng)作信號(hào)接入備自投中，則備自投檢測(cè)到電源跳閘，將會(huì)投入備用電源，造成上級(jí)線路跳閘，事故范圍擴(kuò)大。把保護(hù)動(dòng)作信號(hào)接入備自投開(kāi)入量，以設(shè)備內(nèi)部自由邏輯分辨是否需要閉鎖備自投，具有普遍適用性。

電源母線失壓是備自投動(dòng)作的重要條件之一，母線PT斷線則會(huì)牽扯到備自投母線電壓的采集，因進(jìn)線電源空載、輕載運(yùn)行，工作進(jìn)線正常電流小于備自投設(shè)定的最小電流值，且隔離刀閘或母聯(lián)斷路器輔助接點(diǎn)損壞時(shí)，造成二次母線壓，高壓側(cè)母線電壓為0，引起備自投誤動(dòng)[12]。

為防止裝置誤動(dòng)，備自投裝置設(shè)有PT斷線判斷功能，在發(fā)生上述狀況時(shí)閉鎖備自投。母線PT斷線邏輯判斷圖[13]如圖6所示。母線PT斷線采集的是線電壓降低和負(fù)序電壓升高相或的判斷依據(jù)[14]，10s 后發(fā)出告警信號(hào)。

圖6 母線PT斷線邏輯判斷圖

4 備自投聯(lián)切小電源

當(dāng)主變低壓側(cè)有并網(wǎng)小水電時(shí)，一次接線示意圖如圖7所示。

圖7 一次接線示意圖

當(dāng)主變1負(fù)荷側(cè)帶有并網(wǎng)的小水電電源，在備自投沒(méi)有同期檢測(cè)的功能時(shí)，備自投動(dòng)作會(huì)造成小水電電源與進(jìn)線電源非同期并列，故需先切除掉并網(wǎng)小水電電源然后使備用電源投入，當(dāng)備自投裝置不具有修改功能時(shí)，對(duì)原有電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，達(dá)到可以切掉小水電電源的要求[15]。

該電站現(xiàn)配置CSD－215A備自投裝置一臺(tái)，采用雙進(jìn)線，進(jìn)線1和進(jìn)線2互為備用的方式，動(dòng)作條件如下：

（1）110kVI段母線無(wú)壓。

（2）110kVI段母線沒(méi)有電流。

（3）110kVII段母線有壓。

（4）進(jìn)線斷路器DL1處于合閘位置，延時(shí)跳開(kāi)DL1開(kāi)關(guān)。

（5）母聯(lián)斷路器DL3處于分閘位置，延時(shí)合閘DL3開(kāi)關(guān)。

水電站改造后使用上述方案，備自投在切換電源時(shí)存在與小水電非同期并列的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)間功率振蕩，擾亂整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，甚至小水電系統(tǒng)發(fā)生小牛拉大車(chē)的現(xiàn)象造成系統(tǒng)崩潰。原有備自投回路圖如圖8所示，只能進(jìn)行DL1和DL2之間的跳合，無(wú)法對(duì)小水電DL7進(jìn)行聯(lián)切功能，故需進(jìn)行改造。

圖8 原有備自投回路圖

為了使備自投裝置在切換進(jìn)線II之前可以切掉小水電DL7，需設(shè)計(jì)在跳DL1或者DL2開(kāi)關(guān)時(shí)聯(lián)切DL7的邏輯。設(shè)計(jì)后的備自投回路圖如圖9所示，在原有的出口回路增加中間繼電器ZJ1、ZJ2，用來(lái)擴(kuò)展跳閘節(jié)點(diǎn)。其輔助節(jié)點(diǎn)ZJ1－1、ZJ2－1經(jīng)過(guò)壓板10KXB、12KXB控制跳進(jìn)線斷路器DL1、DL2。輔助節(jié)點(diǎn) ZJ1－2、ZJ2－2經(jīng)過(guò)壓板 14KXB 聯(lián)跳小水電DL7，達(dá)到在備自投動(dòng)作時(shí)聯(lián)切小電源的目的。小水電DL7斷路器跳閘接點(diǎn)應(yīng)接入備自投裝置，備自投裝置必須在收到小水電聯(lián)絡(luò)線斷路器跳閘信息后，方可動(dòng)作。

圖9 設(shè)計(jì)后的備自投回路圖

5 備自投裝置的誤動(dòng)分析

無(wú)論互備運(yùn)行方式還是主備運(yùn)行方式，都可能存在備自投裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。在電氣原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下分析：

（1）工作電源與備用電源母線電壓在備自投裝置上接反，備自投不動(dòng)作[16]。其中工作電源母線故障失壓、備用電源母線正常工作，裝置此時(shí)不能正確判斷工作電源母線失壓，故備自投不動(dòng)作。這種情況很少出現(xiàn)。

（2）工作電源與備用電源母線進(jìn)線柜進(jìn)線PT電壓信號(hào)接反引起裝置拒動(dòng)。工作電源進(jìn)線及其母線失去電壓后，由于工作電源進(jìn)線電壓信號(hào)錯(cuò)搭接在了備自投備用電源進(jìn)線電壓信號(hào)的開(kāi)入位置，備自投錯(cuò)誤的判斷為備用電源進(jìn)線及母線沒(méi)有電壓，故拒動(dòng)。

（3）工作電源與備用電源母線進(jìn)線電壓回路在原理圖設(shè)計(jì)回路編號(hào)上沒(méi)有多大的區(qū)別，所以很容易造成接線的錯(cuò)誤。在裝置回路試驗(yàn)、檢修時(shí)通過(guò)斷開(kāi)母線電壓信號(hào)用來(lái)切除故障很難找到有問(wèn)題的接線。

（4）備自投裝置的電流、電壓整定值都是根據(jù)變電站、企業(yè)用戶(hù)的負(fù)荷情況而定，但電力負(fù)荷時(shí)常變化，如果有電流、電壓整定值滿(mǎn)足不了閉鎖所需要的條件，同時(shí)由于二次回路短路造成空氣開(kāi)關(guān)動(dòng)作，則會(huì)導(dǎo)致備自投認(rèn)為母線失去電壓而誤動(dòng)作。

6 結(jié)論

本文分析了備自投的工作原理，以及備自投與線路保護(hù)、重合閘裝置的時(shí)限配合問(wèn)題，備自投的動(dòng)作時(shí)限是高于其他保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限之和。分析了閉鎖備自投的幾種情況，以防止發(fā)生誤動(dòng)造成更大的損失。通過(guò)探討備自投誤動(dòng)、拒動(dòng)可能存在的幾種狀況，分析誤動(dòng)、拒動(dòng)的原因，對(duì)備自投如何聯(lián)切小水電的方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造。該研究提高了供電的可靠性，保證了電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。