斷路器欠壓保護(hù)的分析及優(yōu)化

山東墾利石化集團(tuán)有限公司 陳偉佳 崔衛(wèi)華

1 引言

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施之一，設(shè)施的運(yùn)行穩(wěn)定和安全對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。而欠壓保護(hù)作為電力系統(tǒng)保護(hù)中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于電力設(shè)備和系統(tǒng)的保護(hù)和安全起著至關(guān)重要的作用。本文將以一個(gè)電站的實(shí)際情況為例，對(duì)欠壓保護(hù)系統(tǒng)的問題進(jìn)行深入分析和研究，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。通過對(duì)欠壓保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)，旨在提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性，保障電力設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)也為電力系統(tǒng)的發(fā)展提供一定的參考價(jià)值[1]。

2 斷路器欠壓保護(hù)存在的問題和不足

2.1 誤動(dòng)作率高

斷路器欠壓保護(hù)存在誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，即在正常的電壓條件下，保護(hù)裝置會(huì)誤判為欠壓故障，導(dǎo)致誤動(dòng)作。誤動(dòng)作會(huì)帶來不必要的停電和損失，同時(shí)也會(huì)降低保護(hù)的可靠性。根據(jù)國(guó)內(nèi)某電力公司的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年該公司的欠壓保護(hù)設(shè)備共出現(xiàn)了300多次誤動(dòng)作的情況，這些誤動(dòng)作造成了大量不必要的停電事件，給用戶帶來了很大的不便。例如，某發(fā)電廠的110kV 開關(guān)柜欠壓保護(hù)裝置，在電力系統(tǒng)電壓下降到一定程度時(shí)，保護(hù)裝置誤動(dòng)作率高達(dá)8%，這給電力設(shè)備和用戶帶來了一定的損失。

2.2 動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)

在欠壓故障發(fā)生時(shí)，斷路器欠壓保護(hù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能動(dòng)作，這也會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的停電時(shí)間。特別是在電力系統(tǒng)中存在較多的感性負(fù)載時(shí)，其導(dǎo)致的瞬時(shí)電壓下降更加明顯，斷路器欠壓保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在某些電力系統(tǒng)中，欠壓保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)幾秒甚至更長(zhǎng)。

2.3 無(wú)法切斷直流控制電源

某些電力設(shè)備的直流控制電源功率較大，如果欠壓保護(hù)裝置無(wú)法切斷直流控制電源，就可能導(dǎo)致電力設(shè)備繼續(xù)受到直流控制電源的控制，從而可能會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的故障。某臺(tái)電機(jī)的直流控制電源功率為500kW，如果欠壓保護(hù)裝置無(wú)法切斷直流控制電源，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繼續(xù)受到直流控制電源的控制，從而可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)受損或燒毀。

2.4 設(shè)計(jì)和設(shè)置不合理

部分電力系統(tǒng)的欠壓保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和設(shè)置不合理，導(dǎo)致保護(hù)范圍不足或過大，無(wú)法有效地保護(hù)電力設(shè)備和系統(tǒng)的安全。

3 斷路器欠壓保護(hù)的優(yōu)化措施

斷路器欠壓保護(hù)的優(yōu)化措施包括采用數(shù)碼式保護(hù)裝置、設(shè)置合理的欠壓保護(hù)參數(shù)、增加備用機(jī)制、加強(qiáng)對(duì)直流控制電源的保護(hù)以及定期檢測(cè)保護(hù)裝置的運(yùn)行狀況。這些措施都能有效提高欠壓保護(hù)的可靠性和穩(wěn)定性，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，避免因欠壓而造成的設(shè)備損壞和安全事故[2]。

3.1 選擇合適的設(shè)備型號(hào)和參數(shù)

在進(jìn)行斷路器欠壓保護(hù)優(yōu)化時(shí)，要選擇適合的設(shè)備型號(hào)和參數(shù)。常見的斷路器欠壓保護(hù)裝置有電氣式欠壓保護(hù)、電子式欠壓保護(hù)和微機(jī)式欠壓保護(hù)等，不同型號(hào)的欠壓保護(hù)裝置在技術(shù)參數(shù)、功能特點(diǎn)、穩(wěn)定性和可靠性等方面有所不同。

在選擇設(shè)備時(shí)，需要考慮電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，根據(jù)負(fù)荷情況、電壓等級(jí)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，選擇適合的設(shè)備型號(hào)和參數(shù)，以保證欠壓保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性[5]。幾種常見的欠壓保護(hù)斷路器類型如圖1所示。

圖1 幾種常見的欠壓保護(hù)斷路器類型

3.1.1 電氣式欠壓保護(hù)

電氣式欠壓保護(hù)是一種基于電磁原理的保護(hù)裝置，主要原理是利用電磁力作用，使得保護(hù)裝置中的觸頭發(fā)生動(dòng)作，從而切斷電路。電氣式欠壓保護(hù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，但裝置的動(dòng)作精度和靈敏度相對(duì)較低，且容易受外界干擾。

3.1.2 電子式欠壓保護(hù)

電子式欠壓保護(hù)是一種基于電子技術(shù)的保護(hù)裝置，其主要原理是利用電子元器件實(shí)現(xiàn)電路的控制和保護(hù)。電子式欠壓保護(hù)具有動(dòng)作精度高、靈敏度好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較高、易受環(huán)境溫度變化等因素影響。

3.1.3 微機(jī)式欠壓保護(hù)

微機(jī)式欠壓保護(hù)是一種基于微處理器技術(shù)的保護(hù)裝置，其主要原理是利用微處理器實(shí)現(xiàn)電路的控制和保護(hù)。微機(jī)式欠壓保護(hù)具有動(dòng)作精度高、靈敏度好、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多種保護(hù)和控制功能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較高、維護(hù)難度較大。

3.2 合理設(shè)置欠壓保護(hù)參數(shù)

保護(hù)裝置的參數(shù)需要根據(jù)負(fù)載特性及其所在電路的特性調(diào)整，以確保在保護(hù)操作時(shí)不會(huì)誤判或漏判。欠壓保護(hù)參數(shù)包括保護(hù)區(qū)域、動(dòng)作時(shí)間延遲等，應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置。特別是在配電系統(tǒng)中，應(yīng)注意不同負(fù)荷的欠壓保護(hù)參數(shù)設(shè)置，以確保欠壓保護(hù)的精度和可靠性。

3.2.1 保護(hù)區(qū)域設(shè)置

保護(hù)區(qū)域設(shè)置是欠壓保護(hù)的重要參數(shù)之一，其設(shè)置應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置。保護(hù)區(qū)域通常包括正常區(qū)、警戒區(qū)和動(dòng)作區(qū)三個(gè)部分。正常區(qū)是指電力系統(tǒng)正常工作時(shí)的電壓區(qū)域，此時(shí)欠壓保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作；警戒區(qū)是指電力系統(tǒng)電壓降至一定程度時(shí)的電壓區(qū)域，此時(shí)欠壓保護(hù)應(yīng)發(fā)出警報(bào)信號(hào)；動(dòng)作區(qū)是指電力系統(tǒng)電壓降至一定程度時(shí)的電壓區(qū)域，此時(shí)欠壓保護(hù)應(yīng)自動(dòng)切斷電路。欠壓保護(hù)報(bào)警器繼電器控制電路如圖2所示。

圖2 欠壓保護(hù)報(bào)警器繼電器控制電路

3.2.2 動(dòng)作時(shí)間延遲設(shè)置

動(dòng)作時(shí)間延遲是欠壓保護(hù)的另一個(gè)重要參數(shù)，其設(shè)置應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置。動(dòng)作時(shí)間延遲通常分為短延遲和長(zhǎng)延遲兩種。短延遲是指在保護(hù)區(qū)域內(nèi)，電壓降至欠壓保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，欠壓保護(hù)應(yīng)立即動(dòng)作；長(zhǎng)延遲是指在保護(hù)區(qū)域內(nèi)，電壓降至欠壓保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，欠壓保護(hù)應(yīng)延遲一段時(shí)間后才動(dòng)作。長(zhǎng)延遲的設(shè)置可以避免因瞬時(shí)電壓變化而引起的誤動(dòng)作，提高欠壓保護(hù)的穩(wěn)定性[3]。

3.3 增加備用機(jī)制

為了增加設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，可以增加斷路器欠壓保護(hù)的備用機(jī)制。備用機(jī)制可以包括備用欠壓保護(hù)裝置、備用電源等。例如，采用西門子公司3RV20電磁式斷路器，該型號(hào)可實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)，并提供備用保護(hù)機(jī)制。在主要保護(hù)裝置發(fā)生故障或失效時(shí)，備用保護(hù)裝置會(huì)及時(shí)啟動(dòng)，保護(hù)設(shè)備不會(huì)受到損傷，同時(shí)可以及時(shí)排除故障，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.4 采用智能控制技術(shù)

采用智能控制技術(shù)可以增強(qiáng)斷路器欠壓保護(hù)的功能和性能。智能控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)欠壓保護(hù)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制和管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故數(shù)碼式保護(hù)裝置具有數(shù)字化、程序化、智能化等特點(diǎn)，能夠?qū)η穳罕Ｗo(hù)進(jìn)行更準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測(cè)量和保護(hù)。常用的有ABB 公司的多種型號(hào)的數(shù)碼保護(hù)裝置，可實(shí)現(xiàn)多功能保護(hù)，包括欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過載保護(hù)以及短路保護(hù)等。裝置具有靈敏度高、精度高、可靠性高等特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電路電壓狀態(tài)，并及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)，避免損壞相關(guān)設(shè)備。

4 典型案例分析

某電站總裝機(jī)容量為2000MW，采用的是超臨界機(jī)組和常規(guī)機(jī)組混合的發(fā)電方式。電站的電力系統(tǒng)包括220kV、110kV、35kV 三個(gè)電壓等級(jí)，其中220kV 的主變壓器有4臺(tái)，每臺(tái)容量為500MVA，主要用于將電站發(fā)電的電能升壓送出。該電站是一個(gè)重要的電力發(fā)電基地，對(duì)于保障當(dāng)?shù)氐碾娏?yīng)和推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著重要的作用。

4.1 電站運(yùn)行中欠壓保護(hù)存在的問題

在電站運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)欠壓的情況，這會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成一定的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)停電。此外，電站現(xiàn)有的欠壓保護(hù)方案存在的問題包括：一是欠壓保護(hù)無(wú)法區(qū)分交流欠壓和直流欠壓，容易導(dǎo)致誤動(dòng)作；二是在欠壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)，無(wú)法及時(shí)切斷直流控制電源，可能會(huì)導(dǎo)致直流故障，從而影響電站的正常運(yùn)行；三是某些斷路器的欠壓保護(hù)設(shè)置過于靈敏，容易誤動(dòng)作，影響電站的正常運(yùn)行。這些問題的出現(xiàn)，一方面是由于電站運(yùn)行中的復(fù)雜性和變化性導(dǎo)致的，另一方面則是由于電站欠壓保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)置存在不足導(dǎo)致的。因此，需要對(duì)欠壓保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4.2 欠壓保護(hù)的優(yōu)化方案

4.2.1 交流欠壓保護(hù)的引入

采用交流欠壓保護(hù)，通過安裝型號(hào)為REJ603的ABB 欠壓保護(hù)器，在系統(tǒng)電壓下降至170kV 以下時(shí)，讓斷路器進(jìn)行跳閘操作，切斷系統(tǒng)的電流。這種方案可以較好地區(qū)分交流欠壓和直流欠壓，有效避免誤動(dòng)作的發(fā)生。

4.2.2 增加主斷路器常開輔助觸點(diǎn)

在直流控制電源進(jìn)線處增加主斷路器常開輔助觸點(diǎn)，保證在交流欠壓保護(hù)動(dòng)作完成后切斷直流控制電源，避免直流故障導(dǎo)致系統(tǒng)全停。例如，當(dāng)交流欠壓保護(hù)動(dòng)作完成后，主斷路器常開輔助觸點(diǎn)將會(huì)被觸發(fā)，從而切斷直流控制電源。這種方案可以保證電站在欠壓保護(hù)動(dòng)作完成后正確地切斷直流控制電源，避免直流故障的發(fā)生。

4.2.3 取消聯(lián)絡(luò)性質(zhì)斷路器的欠壓保護(hù)設(shè)置

對(duì)于一些靈敏度過高的斷路器（如VD4G-50型），取消欠壓保護(hù)設(shè)置，以避免誤動(dòng)作的發(fā)生。這種方案可以較好地避免斷路器誤動(dòng)作導(dǎo)致的電站故障，提高電站的運(yùn)行效率和可靠性。

4.2.4 采用交流欠壓引起斷路器跳閘的優(yōu)化方案

對(duì)于需要設(shè)置欠壓保護(hù)的斷路器，采用交流欠壓引起斷路器跳閘的優(yōu)化方案，當(dāng)交流欠壓保護(hù)被觸發(fā)時(shí)，不僅會(huì)導(dǎo)致斷路器跳閘，還會(huì)觸發(fā)主斷路器常開輔助觸點(diǎn)，從而切斷直流控制電源。這樣可以滿足國(guó)標(biāo)要求，同時(shí)也能避免直流故障導(dǎo)致系統(tǒng)全停的問題。

4.3 效果

經(jīng)過欠壓保護(hù)的優(yōu)化方案的實(shí)施，電站的欠壓保護(hù)系統(tǒng)得到了有效的改善。采用交流欠壓保護(hù)器和增加主斷路器常開輔助觸點(diǎn)的方案，可以較好地避免誤動(dòng)作和直流故障的發(fā)生，提高了電站的可靠性和安全性。取消斷路器的欠壓保護(hù)設(shè)置，也可以有效地避免了誤動(dòng)作的發(fā)生。通過這些優(yōu)化方案的實(shí)施，電站的欠壓保護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)得到了有效的改善，電站的運(yùn)行效率和可靠性得到了提升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)斷路器欠壓保護(hù)存在的問題和不足，提出了一些有效的優(yōu)化措施。通過實(shí)例分析，證明了這些優(yōu)化措施的可行性和有效性。采用電容器補(bǔ)償、增加抗干擾能力等優(yōu)化措施可以有效降低誤動(dòng)作率和動(dòng)作時(shí)間，提高保護(hù)的可靠性和準(zhǔn)確性。優(yōu)化保護(hù)參數(shù)也可以提高保護(hù)的性能。本文的研究成果對(duì)于提高電力系統(tǒng)的安全和可靠性具有一定的參考價(jià)值。