單母線分段10 kV系統(tǒng)中缺失母線壓變時(shí)的電壓轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)

劉 宇

[上海機(jī)場(集團(tuán))有限公司 虹橋國際機(jī)場公司, 上海 200335]

0 引 言

對于10 kV中壓系統(tǒng),母線電壓是重要的電力運(yùn)行數(shù)據(jù),對于電力計(jì)量、繼電保護(hù)、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、備自投裝置等都是必不可少的。因此在變電站設(shè)計(jì)安裝中,一般都在母線側(cè)設(shè)置獨(dú)立的PT柜來獲得母線電壓數(shù)據(jù)。但是在一些工程項(xiàng)目中,由于現(xiàn)場安裝空間限制,或者為了節(jié)省預(yù)算,會(huì)省略母線PT柜,造成母線電壓無法直接獲取,只能用進(jìn)線電壓作為電力監(jiān)控、繼電保護(hù)等的電壓測量依據(jù)。由于進(jìn)線電壓在部分運(yùn)行狀態(tài)下(如兩段母線通過分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)供電時(shí))并不等于母線電壓,因此需要通過轉(zhuǎn)換邏輯將進(jìn)線電壓轉(zhuǎn)換為母線電壓使用。

本文討論實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡單的電壓轉(zhuǎn)換回路,實(shí)現(xiàn)了在沒有母線PT柜的情況下,正確推斷母線電壓值的作用。

1 無母線壓變的典型接線方式

以上海虹橋國際機(jī)場T1航站樓改造工程10/0.4 kV變電所為例。該變電所10 kV系統(tǒng)為單母線分段接線,共有兩路進(jìn)線電源(1#進(jìn)線、2#進(jìn)線)、兩段母線。平時(shí)兩段母線分裂運(yùn)行,當(dāng)某一路進(jìn)線電源檢修時(shí),通過母線分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)可由另一路電源為兩段母線供電。

無母線壓變的典型單母線分段系統(tǒng)接線方式如圖1所示。該變電站由于場地空間限制,無法配置母線PT柜,僅在進(jìn)線斷路器前端配置進(jìn)線線路PT。

圖1 無母線壓變的典型單母線分段系統(tǒng)接線方式

2 無母線壓變對配套機(jī)電設(shè)施的影響

2.1 對柴油發(fā)電機(jī)組投切邏輯的影響

對于供電保障要求較高的變電所,在站內(nèi)一般配置有柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。柴油發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)方式可通過多種方式實(shí)現(xiàn)。例如某水電站廠用電的柴油發(fā)電機(jī)組利用自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置ATS給出起動(dòng)信號(hào)[1];或通過將母線電壓信號(hào)接入DCS實(shí)現(xiàn)在線控制自起動(dòng)[2]。以上應(yīng)用方式,柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)信號(hào)來源都來自400 V系統(tǒng),在失壓信號(hào)的采集上比較簡便。

對于系統(tǒng)無母線壓變的情況,通常設(shè)計(jì)將進(jìn)線PT的無壓狀態(tài)作為柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)信號(hào),即當(dāng)一路10 kV進(jìn)線電源失電時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)起動(dòng)并處于熱備用狀態(tài);當(dāng)兩路10 kV電源均失電時(shí),柴油發(fā)電機(jī)組投入系統(tǒng)輸出電能。上述設(shè)計(jì)為后續(xù)運(yùn)行帶來隱患。當(dāng)某一路進(jìn)線電源失壓時(shí),進(jìn)線PT無壓,柴油發(fā)電機(jī)組確實(shí)能夠正常起動(dòng)熱備用。但實(shí)際運(yùn)行中一般會(huì)通過倒閘操作,使用分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)對失壓的母線恢復(fù)供電。此時(shí)供電已經(jīng)恢復(fù),而柴油發(fā)電機(jī)組一直處于熱備用運(yùn)行狀態(tài),是非常不合理的。運(yùn)行人員只能將柴油發(fā)電機(jī)組切換至手動(dòng)狀態(tài)并操作停機(jī),從而又導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組失去了作為備用電源的作用。

因此,柴油發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)信號(hào)應(yīng)當(dāng)以轉(zhuǎn)換獲得的等效母線電壓作為參考,而不應(yīng)只參考進(jìn)線PT的電壓。

2.2 對計(jì)量與繼電保護(hù)的影響

對于單母線分段系統(tǒng),當(dāng)兩段母線通過分段開關(guān)并列運(yùn)行時(shí),例如1#進(jìn)線開關(guān)分閘,2#進(jìn)線開關(guān)合閘,分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘時(shí),兩段母線的實(shí)際電壓均等于2#進(jìn)線電壓,此時(shí)計(jì)量與繼電保護(hù)的電壓測量僅參考母線自身對應(yīng)的進(jìn)線電壓,則會(huì)造成計(jì)量不準(zhǔn)確、繼電保護(hù)漏報(bào)/誤報(bào)的現(xiàn)象。

因此,計(jì)量及繼電保護(hù)也應(yīng)當(dāng)使用等效轉(zhuǎn)換后的母線電壓。

3 等效母線電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)方案主要針對無母線壓變的單母線分段10 kV系統(tǒng),系統(tǒng)中唯一可采集到的電壓測量信號(hào)為進(jìn)線PT的電壓信號(hào)。

單母線分段系統(tǒng)在兩段母線分裂運(yùn)行時(shí),每段母線的母線電壓等于各自進(jìn)線電源的電壓。而當(dāng)分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘,兩段母線由同一路進(jìn)線供電時(shí),兩段母線的母線電壓都等于該進(jìn)線電源電壓。因此,只需要根據(jù)進(jìn)線斷路器、分段聯(lián)絡(luò)斷路器的分/合閘狀態(tài),將相應(yīng)的進(jìn)線電壓作為邏輯上的等效母線電壓,即可獲得母線電壓數(shù)據(jù)。例如在香港Eastern Road變電站智能化改造工程中,就是在僅有進(jìn)線PT的情況下,通過母線合并單元采集線路電壓和開關(guān)、刀閘位置信息,并經(jīng)過邏輯運(yùn)算處理獲得母線電壓[3]。而對于普通非智能化變電站,本文試圖通過簡單的繼電器組合來達(dá)到相似的目的。電壓轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)原理

4 等效母線電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案

以上海虹橋國際機(jī)場T1航站樓改造工程10/0.4 kV變電所為例。

4.1 母線電壓與進(jìn)線電壓關(guān)系分析

參照圖1中單母線分段系統(tǒng),母線電壓與進(jìn)線電壓的關(guān)系如表1所示。

表1 母線電壓與進(jìn)線電壓的關(guān)系

某段母線電壓與進(jìn)線電壓存在2種關(guān)系。

(1) 母線電壓等于某一路進(jìn)線的進(jìn)線電壓,至于具體是哪一路進(jìn)線,需要根據(jù)各斷路器狀態(tài)進(jìn)行邏輯選擇。

(2) 母線電壓完全失壓,不與任何一路進(jìn)線電壓有關(guān)。這一情況發(fā)生在進(jìn)線斷路器和分段斷路器同時(shí)分閘時(shí)。

如果沒有把上述2種情況完全考慮進(jìn)去,則設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)換回路無法完全反映母線電壓的實(shí)際情況。

4.2 電壓轉(zhuǎn)換回路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述母線電壓與進(jìn)線電壓關(guān)系的分析,設(shè)計(jì)一套模擬一次系統(tǒng)中單母線分?jǐn)嗟木€路結(jié)構(gòu)。電壓轉(zhuǎn)換回路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換回路設(shè)計(jì)圖

電壓轉(zhuǎn)換回路主要分為兩個(gè)部分:一是通過繼電器ZJ常開觸點(diǎn)將兩路進(jìn)線PT的二次側(cè)聯(lián)通;二是在兩個(gè)進(jìn)線PT的二次側(cè)最前端分別接入進(jìn)線開關(guān)內(nèi)部繼電器的常開信號(hào)回路,即圖3中的S1、S2。圖3中繼電器常開觸點(diǎn),當(dāng)繼電器線圈得電時(shí)繼電器常開觸點(diǎn)導(dǎo)通。

電壓轉(zhuǎn)換的邏輯主要需要判斷分段開關(guān)的分/合閘狀態(tài),可通過斷路器分/合閘繼電器輸出信號(hào),在DC 110 V控制回路中實(shí)現(xiàn)?？刂苹芈吩O(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 控制回路設(shè)計(jì)

圖4中,S1、S2為兩路進(jìn)線開關(guān)分/合閘狀態(tài)常閉觸點(diǎn),當(dāng)進(jìn)線開關(guān)分閘時(shí)導(dǎo)通。設(shè)置S1、S2的目的為了給電壓轉(zhuǎn)換回路增加邏輯閉鎖,確保僅當(dāng)至少有一路進(jìn)線開關(guān)分閘時(shí),才進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,防止兩路進(jìn)線壓變二次側(cè)并列。

圖4中S3為分段開關(guān)內(nèi)部繼電器的分/合閘狀態(tài)常開觸點(diǎn),當(dāng)分段斷路器合閘時(shí)S3導(dǎo)通。

4.3 運(yùn)行方式

(1) 1#進(jìn)線開關(guān)分閘、2#進(jìn)線開關(guān)合閘、分段開關(guān)合閘時(shí)電壓轉(zhuǎn)換回路中1#進(jìn)線開關(guān)常開信號(hào)回路S1保持?jǐn)嚅_,2#進(jìn)線開關(guān)常開信號(hào)回路S2閉合;控制回路中1#進(jìn)線開關(guān)常閉觸點(diǎn)S1保持閉合、2#進(jìn)線開關(guān)常閉觸點(diǎn)S2斷開、分段開關(guān)常開觸點(diǎn)S3閉合,回路導(dǎo)通,繼電器線圈得電;電壓轉(zhuǎn)換回路中繼電器常開觸點(diǎn)閉合,實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。此時(shí),Ⅰ段母線電壓與Ⅱ段母線電壓均等于2#進(jìn)線壓變電壓。

(2) 1#進(jìn)線開關(guān)合閘、2#進(jìn)線開關(guān)分閘、分段開關(guān)合閘時(shí)運(yùn)行方式參照A),此時(shí)Ⅰ段母線電壓與Ⅱ段母線電壓均等于1#進(jìn)線壓變電壓。

(3) 1#進(jìn)線、2#進(jìn)線開關(guān)均合閘、分段開關(guān)分閘時(shí)電壓轉(zhuǎn)換回路中1#進(jìn)線、2#進(jìn)線開關(guān)常開信號(hào)回路S1、S2閉合,控制回路斷開,此時(shí)不進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。Ⅰ段母線電壓等于1#進(jìn)線壓變電壓,Ⅱ段母線電壓等于2#進(jìn)線壓變電壓。

4.4 信號(hào)接入設(shè)計(jì)

對于柴油發(fā)電機(jī)組聯(lián)動(dòng)信號(hào),柴油發(fā)電機(jī)組需要同時(shí)獲取兩段母線電壓值,作為怠速熱備用、運(yùn)行投切的判斷依據(jù)。因此,聯(lián)動(dòng)信號(hào)需要采用經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換回路之后的等效母線電壓,即分別從圖3中的1YMa、1YMb、1YMc以及2YMa、2YMb、2YMc中接出。

對于計(jì)量、繼電保護(hù)等電壓信號(hào),同樣需要獲取母線的實(shí)際電壓。因此,電壓信號(hào)需要采用經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換回路之后的等效母線電壓,即分別從圖3中的1YMa、1YMb、1YMc以及2YMa、2YMb、2YMc中接出。

5 電壓轉(zhuǎn)換方案局限性

設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)換方案可間接通過進(jìn)線PT獲得母線電壓,但系統(tǒng)中缺失母線PT。隨著電氣運(yùn)行控制設(shè)備越來越精細(xì)化、智能化,將會(huì)對未來新技術(shù)的改造升級(jí)帶來阻礙。

以ABB公司的SUE3000快速切換設(shè)備為例:該設(shè)備的功能類似于普通備自投,但由于其100 ms內(nèi)快速切換的特性(同時(shí)向進(jìn)線開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)發(fā)出分合閘信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)快速切換,利用斷路器分/合閘動(dòng)作的時(shí)間差來避免進(jìn)線電源并列),需要對母線殘壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣,從而判斷不同母線電壓的相位同步情況,避免操作過電壓[4]。這一類應(yīng)用場景下電壓轉(zhuǎn)換無法滿足其要求。

6 結(jié) 語

無母線PT的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不常見,因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝時(shí)常常會(huì)遇到調(diào)試上的問題。通過本方案進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,可以僅利用進(jìn)線PT,在不必另外新增母線PT的情況下,獲取母線的當(dāng)前電壓。同時(shí)還能解決無母線PT系統(tǒng)中遇到的柴油發(fā)電機(jī)組、電力監(jiān)控、計(jì)量、繼保等次生問題。該方案實(shí)現(xiàn)方式簡單,在系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下都能對母線電壓進(jìn)行正確轉(zhuǎn)換,適用于因場地、資金限制而未配置母線PT柜的各類單母線分段系統(tǒng)。