新改擴設(shè)備啟動臨時保護配置策略研究

李乃永，鄒本法，許乃媛，劉沁，李寬，于衛(wèi)衛(wèi)，張瀚，吳金玉

(1. 國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南250001；2. 國網(wǎng)威海供電公司，山東 威海264200；3.國網(wǎng)山東蓬萊供電公司，山東 蓬萊265600；4.山東電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250100；5. 國網(wǎng)濰坊供電公司，山東 濰坊261021)

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新改擴設(shè)備啟動臨時保護配置策略研究

李乃永1，鄒本法2，許乃媛1，劉沁3，李寬4，于衛(wèi)衛(wèi)2，張瀚2，吳金玉5

(1. 國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南250001；2. 國網(wǎng)威海供電公司，山東 威海264200；3.國網(wǎng)山東蓬萊供電公司，山東 蓬萊265600；4.山東電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250100；5. 國網(wǎng)濰坊供電公司，山東 濰坊261021)

摘要：為保證新改擴設(shè)備在投產(chǎn)過程中能可靠切除系統(tǒng)發(fā)生的故障，提出一整套新改擴設(shè)備投運臨時保護配置策略。臨時保護主要包括充電保護、過流保護和充電過流保護3種類型，主要用于新設(shè)備啟動送電、舊設(shè)備檢修或改造后送電等工況，確保改造后在設(shè)備的主保護不能有效動作時，通過其他輔助保護來保證系統(tǒng)在發(fā)生故障時將停電風(fēng)險降到最低。針對變電站5種典型的設(shè)備檢修或更換工況，分別研究相應(yīng)的臨時保護配置策略，最后通過220 kV變電站GIS設(shè)備更換作為典型案例驗證了臨時保護配置策略的有效性。

關(guān)鍵詞：臨時保護；設(shè)備檢修；新設(shè)備送電；繼電保護

電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行密切關(guān)系著國計民生的發(fā)展[1]，而繼電保護又是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的根本[2]。通過繼電保護的投入，可有效避免系統(tǒng)受到擾動或發(fā)生故障時，造成嚴重停電事故。然而，在新擴改設(shè)備投運時，發(fā)生故障的概率較大，若此時新設(shè)備的保護系統(tǒng)未能正確配置，對在運行電網(wǎng)帶來巨大風(fēng)險。GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》明確定義輔助保護是為補充主保護和后備保護的性能或當(dāng)主保護和后備保護退出運行而增設(shè)的簡單保護。本文所述的臨時保護是為防止新設(shè)備送電時和送電過程中設(shè)備發(fā)生故障，而新斷路器或新保護不能及時切除故障導(dǎo)致停電范圍擴大而臨時配置的輔助保護，臨時保護主要包括充電保護[3]、過流保護[4]和充電過流保護三類。

臨時保護主要用于新設(shè)備啟動送電[5-6]、舊設(shè)備檢修或改造后送電等工況。本文主要分析變電站輸電線路電流互感器(current transformer，CT)二次回路發(fā)生變化、母聯(lián)CT更換、母線保護更換和變壓器改造時的臨時保護配置策略。臨時保護配置的基本原則是確保在改造后設(shè)備的主保護不能有效動作時，通過其他輔助保護來保證系統(tǒng)在發(fā)生故障時將停電風(fēng)險降到最低。最后通過某220 kV變電站SF6封閉式組合電氣(gas insulated switchgear,GIS)設(shè)備更換作為實際案例驗證本策略的安全可靠。

1臨時保護原理

1.1充電保護

充電保護是在斷路器由“分”轉(zhuǎn)“合”或無電流變有電流時，即被保護設(shè)備接通短時投入的一種臨時保護。充電保護動作的前提是軟、硬壓板及控制字都投入，充電保護經(jīng)0.4 s或0.5 s后自動退出，此保護可用作被保護設(shè)備的快速保護段，其保護邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　充電保護邏輯結(jié)構(gòu)

1.2過流保護

過流保護在軟、硬壓板及控制字都投入情況下一直運行，亦可作為被保護設(shè)備的快速保護段，通過與過流保護定值比較來判斷保護是否動作，其保護邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　過流保護邏輯結(jié)構(gòu)

1.3充電過流保護

充電過流保護在軟、硬壓板及控制字都投入情況下一直運行，一般由兩段相過流保護和一段零序過流保護組成，亦可作為被保護設(shè)備的快速保護段，其保護邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　充電過流保護邏輯結(jié)構(gòu)

2臨時保護配置策略

2.1線路斷路器配置充電、過流保護

2.1.1線路CT二次回路變動

線路CT二次回路變動時的主接線如圖4所示。

QS—隔離開關(guān)；W1、W2—分別為母線1和母線2;K1、K2—故障點。圖4　線路CT二次回路變動時的主接線

圖4中，輸電線路L2的CT二次回路發(fā)生變動(如新間隔、新保護、新CT等)，線路保護、母差保護、斷路器保護均未測方向，線路L2送電時，變電站A方式調(diào)整情況：變電站A需空出一條母線，防止未測方向前線路、母差保護不正確動作。臨時保護投入原則：變電站A母差保護中母聯(lián)斷路器QF200投入充電保護、過流保護，線路中QF212本身充電，過流保護作為故障快速保護。

2.1.2線路CT二次回路未變動

若圖4中輸電線路L2的CT二次回路未發(fā)生變動，且線路保護、母差保護、斷路器保護均已測過方向并正常運行，則線路L2送電時，變電站A不需要空出母線，其主接線如圖5所示。

圖5　線路CT二次回路未變動時的主接線

臨時保護投入原則：投入變電站A線路QF212本身充電、過流保護作為故障快速保護。

2.2線路開關(guān)未配置輔助保護

如圖4所示的220 kV變電站主接線QF212無充電過流臨時保護，線路L2送電時，變電站A需空出一條母線。臨時保護投入原則：變電站A空出母線，投入變電站A母聯(lián)QF200充電、過流保護作為快速保護。

2.3運行變電站母聯(lián)CT更換

運行變電站更換220 kV母聯(lián)CT，僅220 kV母聯(lián)QF200 CT二次回路變動，220 kV母聯(lián)QF200保護、母線保護需測方向，其他220 kV間隔CT各繞組極性均已測量正確。臨時保護投入原則：因QF200停電，變電站220 kV單母線運行，工作結(jié)束后送電，變電站空出一段母線，首先選取一條外來電源線路L1，投入線路L1充電過流保護對停電母線進行沖擊，充電良好后恢復(fù)線路L1斷路器充電過流保護，再通過QF200與運行母線合環(huán)進行QF200 CT極性測量。

2.4運行變電站母線保護更換

運行變電站更換220 kV母線保護，其所有間隔均需測方向，本身縱聯(lián)保護不需測量。臨時保護投入原則：因更換母線保護，變電站220 kV母線全停，工作結(jié)束后送電，首先選取一條外來電源線路L1，投入線路L1及母聯(lián)QF200充電過流保護對停電母線整體進行沖擊。

母線充電良好后，選取另一電源線路L2送電，投入電源線路L2充電過流保護，通過母聯(lián)QF200與線路L1合環(huán)進行CT極性測量，確認后，恢復(fù)線路L1、L2充電過流保護并倒至同一段母線，經(jīng)母聯(lián)QF200空出另一段母線，未測量線路或變壓器逐一送電至空母線，投入電源支路臨時保護(非電源負荷支路可不投臨時保護)，通過母聯(lián)QF200合環(huán)進行母線保護測量。測量正確后，恢復(fù)已測量設(shè)備臨時保護并倒至同一段母線，依次類推完成全部間隔母線保護測量。所有間隔測量正確后，恢復(fù)母聯(lián)QF200充電過流保護。

2.5變電站新建或改造變壓器

新建或改造變壓器，無論是新CT(任一側(cè))還是新保護，由于更換變壓器保護尚未測方向，且主變壓器未配置輔助保護，因此主變壓器送電時應(yīng)空母線。

變電站B主變壓器T2送電時，變電站方式調(diào)整情況：變電站B高、中壓側(cè)空出母線(母線W1)如圖6所示。

圖6　變壓器改造或新建時的主接線

2.5.1情況1

母聯(lián)充電過流保護在最小運行方式下，主變壓器中、低壓側(cè)故障靈敏度足夠,具體如下：

a) 空充主變壓器或利用電容器測方向時，變壓器/各側(cè)母線發(fā)生故障(K1—K4)。臨時保護投入原則：變電站B空出母線，投入變電站B母聯(lián)QF200充電過流保護或變電站B母差保護中母聯(lián)斷路器充電、過流保護作為快速保護。

b) 主變壓器并列運行測方向時，高壓側(cè)母聯(lián)CT、中壓側(cè)母聯(lián)CT、變壓器低壓側(cè)CT之間發(fā)生故障。臨時保護投入原則：變電站B空出高、中壓側(cè)母線，投入變電站B母聯(lián)QF200、QF100充電過流保護或變電站B母差保護中母聯(lián)斷路器充電、過流保護作為快速保護。將主變壓器中、低壓側(cè)復(fù)壓閉鎖過流保護跳三側(cè)保護段退出復(fù)壓閉鎖并改臨時定值，高、中、低壓CT應(yīng)提前做好通流試驗。

應(yīng)特別注意的是，為防止主變壓器并列運行測方向時，由于主變壓器本身故障引起中低壓側(cè)母聯(lián)或分段跳閘損失負荷，當(dāng)主變壓器聯(lián)跳中、低壓側(cè)母聯(lián)或分段時間為0.3 s時，上述臨時改變壓器中、低壓側(cè)后備過流跳三側(cè)時間不應(yīng)改為0.3 s，應(yīng)改為0.15 s(時間取0.15 s ，一是考慮跳主變壓器各側(cè)時間與中、低壓側(cè)母聯(lián)或分段0.3 s跳閘時間配合，保證主變壓器故障僅跳開主變壓器各側(cè)，防止事故范圍擴大；二是考慮與中、低壓側(cè)出線速斷配合，避免不必要的越級跳閘)。

圖7　220 kV變電站一次主接線

變壓器低壓側(cè)CT與低壓側(cè)各出線CT之間發(fā)生故障。臨時保護投入原則：變電站B母聯(lián)QF200、QF100充電過流保護或變電站B母差保護中母聯(lián)斷路器充電、過流保護作為快速保護；主變壓器低壓側(cè)復(fù)壓閉鎖過流保護跳主變壓器三側(cè)；變電站B已運行變壓器低壓側(cè)復(fù)壓閉鎖過流保護跳開分段。

2.5.2情況2

母聯(lián)充電過流保護在最小運行方式下，主變低壓側(cè)故障靈敏度不足，具體分析如下：

a) 空充主變壓器或利用電容器測方向時，變壓器/各側(cè)母線發(fā)生故障(K1—K4)。臨時保護投入原則：變電站B空出母線，投入變電站B母聯(lián)200充電過流保護或變電站B母差保護中母聯(lián)斷路器充電、過流保護作為快速保護。將主變壓器中、低壓側(cè)的復(fù)壓閉鎖過流保護跳三側(cè)保護段退出復(fù)壓閉鎖，并改臨時定值，高、中、低壓CT應(yīng)提前做好通流試驗。

b) 主變壓器并列運行測方向時，高壓側(cè)母聯(lián)CT、中壓側(cè)母聯(lián)CT、變壓器低壓側(cè)CT之間發(fā)生故障。臨時保護投入原則：變電站B空出高、中壓側(cè)母線，投入變電站B母聯(lián)QF200、QF100充電過流保護或變電站B母差保護中母聯(lián)斷路器充電、過流保護作為快速保護。將主變壓器中、低壓側(cè)復(fù)壓閉鎖過流保護跳三側(cè)保護段退出復(fù)壓閉鎖并改臨時定值，高、中、低壓CT應(yīng)提前做好通流試驗。

變壓器低壓側(cè)CT與低壓側(cè)各出線CT之間發(fā)生故障。臨時保護投入原則：變電站B母聯(lián)QF200、QF100充電過流保護或變電站B母差保護中母聯(lián)斷路器充電、過流保護作為快速保護；主變壓器低壓側(cè)復(fù)壓閉鎖過流保護跳主變壓器三側(cè)；變電站B已運行變壓器低壓側(cè)復(fù)壓閉鎖過流保護跳開分段。

3典型案例

某220 kV變電站A GIS設(shè)備全部更換啟動時采用臨時保護配置策略，相關(guān)電氣一次接線如圖7所示。

圖7中，變電站A的220 kV GIS設(shè)備更換，220 kV母差更換，220 kV線路保護、母差保護及變壓器保護均無法確定CT極性正確，需帶負荷測方向。為保障設(shè)備更換后的安全穩(wěn)定運行，按照臨時保護配置策略進行送電，主要送電步驟如下：

步驟1，(變電站A)投入220 kV母聯(lián)QF200充電、過流保護。220 kV W1、W2并列，(對側(cè)變電站B)線路L1掛220 kV W1。

步驟2，(變電站B)投入線路L1的QF219充電、過流保護。用線路L1的QF219自220V T1母線對線路L1、變電站A W1、W2整體沖擊送電。

步驟3，(變電站A)220 kV W1、W2電壓互感器(voltage transformer, VT)同電源核相，正確；空出220 kV W2冷備用，(對側(cè)變電站B)線路L2掛220 kV W2。

步驟4,(變電站B)投入線路L2的QF220充電、過流保護。用線路L2的QF220自220 kV 主變壓器T2母線對線路L2、變電站A的220 kV W2沖擊送電。

步驟5，(變電站A)220 kV W1、W2 VT異電源核相，正確；用母聯(lián)QF200同期合環(huán)；檢查QF220母聯(lián)保護裝置采樣正常，空220 kV W2冷備用，(對側(cè)變電站C)線路L3掛W2。

步驟6，(變電站C)空出220 kV W2由母聯(lián)QF200充電備用；投入220 kV母聯(lián)QF200充電、過流保護。用線路L3的QF211自220 kV W2對線路L3、變電站A的220 kV W2沖擊送電。

步驟7，(變電站A)220 kV W1、W2 VT異電源核相，正確；用母聯(lián)QF200同期合環(huán)；測量線路L1、線路L2、線路L3保護、220 kV母差保護方向，正確；投入線路L1、線路L2、線路L3單相重合閘；空出220 kV W2冷備用，(對側(cè)變電站D)線路L4掛W2。

步驟8，(變電站B)按定值單要求恢復(fù)線路L1、線路L2斷路器本身充電過流保護；投入線路L1、線路L2單相重合閘；220 kV母線恢復(fù)正常聯(lián)結(jié)方式。(變電站C)按定值單要求恢復(fù)220 kV母聯(lián)QF200充電過流保護；投入線路L3單相重合閘；220 kV母線恢復(fù)正常聯(lián)結(jié)方式。

步驟9，(變電站D)投入線路L4的QF215本身充電、過流保護。用線路L4的QF215自220 kV W2對線路L4、變電站A的220 kV W2沖擊送電。

步驟10，(變電站A)220 kV W1、W2 VT異電源核相，正確；用母聯(lián)QF200同期合環(huán)；測量線路L4保護、220 kV母差保護方向，正確；投入線路L4單相重合閘。

步驟11，(變電站D)按定值單要求恢復(fù)線路L4的QF215本身充電過流保護；投入線路L4單相重合閘。(變電站A)空出220 kV W2由母聯(lián)QF200充電備用；將220 kV母聯(lián)QF200充電、過流保護改為臨時定值。用主變壓器T1 QF201自220 kV W2對T1沖擊送電； T1帶負荷；220 kV母差保護、T1保護測方向，正確；按定值單要求恢復(fù)220 kV母聯(lián)QF200充電過流保護；恢復(fù)220 kV母線正常聯(lián)結(jié)方式。

步驟12，啟動送電結(jié)束。

4結(jié)論

本文對新改擴設(shè)備啟動送電臨時保護配置策略進行研究，確保新改擴設(shè)備投運且保護未進行相量檢查時電網(wǎng)發(fā)生故障可快速切除，保障大規(guī)模電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。通過一起220 kV變電站GIS設(shè)備更換作為典型案例來驗證臨時保護配置策略的實用性，分析表明，本策略具有較強工程應(yīng)用價值，進一步提升對電網(wǎng)的駕馭能力。

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Research on Temporary Protection Configuration Strategy for Startup of Newly Reconstructed Equipments

LI Naiyong1, ZOU Benfa2, XU Naiyuan1, LIU Qin3, LI Kuan4, YU Weiwei2, ZHANG Han2, WU Jinyu5

(1. State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan, Shandong 250001, China; 2. State Grid Weihai Power Supply Company, Weihai, Shandong 264200, China; 3.State Grid Penglai Power Supply Company, Penglai, Shandong 265600, China; 4. State Grid Shandong Electric Power Research Institute, Jinan, Shandong 250100, China; 5. State Grid Weifang Power Supply Company, Weifang, Shandong 261021, China)

Abstract：In order to ensure reliably cut off system faults in the process of newly reconstructed equipments putting into production, a new set of temporary protection configuration strategy for newly reconstructed equipments is presented. Temporary protection mainly includes charging protection, over current protection and charging over current protection which is used for working conditions of startup power transmission of new equipments, old facilities maintenance and power transmission after reconstruction so as to ensure that when the main protection of equipments is not acting effectively after reconstruction, it is able to reduce power cut risk lowest by means of other auxiliary protection ways at the time of system fault. In allusion to five kinds of typical facilities maintenance or replacement working conditions in substation, this paper respectively studies relevant temporary protection configuration strategy. Typical case of GIS equipment replacement in 220 kV substation is used for verifying validity of the temporary protection configuration strategy.

Key words：temporary protection; facility maintenance; new equipment power transmission; relay protection

收稿日期：2016-01-07修回日期：2016-03-15

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.013

中圖分類號：TM77

文獻標志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)06-0072-06

作者簡介：

李乃永(1981)，男，山東臨沂人。高級工程師，工學(xué)博士，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制、分布式發(fā)電和故障診斷等工作。

鄒本法(1964)，男，山東威海人。工程師，主要從事配電線路施工、電網(wǎng)建設(shè)工作。

許乃媛(1974)，女，山東蓬萊人。高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)自動化控制工作。

(編輯王夏慧)