小水電高周高壓保護裝置研發

張偉軍

摘 要：隨著經濟的發展，我國電力產業也逐日提升，小水電接入上網的數目與日俱增。在小水電地區，易發生主供線路跳閘，小水電形成孤網運行導致過電壓現象發生，從而燒毀用戶用電設備的事故。為解決這一問題，對小電源解列裝置進行研究，開發出一種針對此現象的新型小水電高周高壓保護裝置。文章從分析孤網運行的高周高壓原理出發，進而介紹了研發原理和裝置的主要功能，簡要地對該新型裝置進行了介紹，希望能使讀者對新型小水電高周高壓保護裝置有一定的了解。

關鍵詞：小水電；保護裝置；研發

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）33-0010-02

1 概 述

韶關新豐地區位于我國南部，屬于降雨較為豐富的亞熱帶季風氣候。且地區內變電站由于水電裝機容量高（約為142 MW），并有大量變電站有水電上網，約有近300個小水電站接入上網。這些原因導致變電站發生饋線解列，連接至饋線上的負荷減小。同時，水電運行過程中出力不變，小水電站在工作過程中功率不平衡且電壓升高，產生了過電壓現象。過電壓現象的發生曾導致用電用戶的大量電器被燒毀，造成了嚴重的經濟損失，電站因此遭到了用戶的投訴。除此之外，過電壓的發生也帶來了很大的安全隱患，影響電網的檢無壓重合閘動作。10 kV公用線路的一次示意圖，如圖1所示。

小水電站發電機自身帶有過電壓保護裝置，用于處理過電壓產生造成的隱患。該過電壓保護裝置工作原理是：預先設定過電壓值，當小水電饋線上電壓達到預設電壓值時，裝置會進行切機，將小水電切掉。但是，這種方式存在一個很大的弊端，在正常工作下容易產生誤動，且誤動之后難以再次將發電機并網。通過從計量自動化系統獲取的數據分析，可以發現由于功率輸送方向限制，發電端電壓高于負荷端。由于線路末端有小電源上網，線上電壓出現抬升現象。當線路足夠長，電壓會隨線路太高，當抬至過保護裝置預設電壓值時，小水電就會被裝置切斷。水電站因此損失發電量和額外增加并網工作，選擇退出保護，導致線路跳閘后無法切機。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生誤動作，現有的單一過電壓保護裝置無法滿足上述要求。為達到及時切機還能擁有較高的動作可靠率，我們研發了一種新型的小水電高周高壓保護裝置。

2 孤網運行的高周高壓原理分析

通過對小水電地區進行調查，我們通過簡化水電站并網系統運行模型，類比孤網運行系統，在理論上分析孤網運行的高壓高周原理。

水輪機轉子運動方程如下：

式（1）中J物理意義為水輪機轉子的轉動慣量，？棕物理意義為轉子的角速度，即為轉子角速度的變化率，Pm物理意義為發動機機械功率，Pe物理意義為發動機電磁功率。由式（1）我們可以知道，發動機機械功率和電磁功率的差值變化會引起水輪機轉子轉動速度變化，進而影響了孤網運行的頻率。在小水電站正常運行的情況下，水輪機轉子的發動機機械功率和電磁功率是相等的，此時轉子角速度變化率為0。當小水電站斷開時形成了孤網運行，此時發動機機械功率暫時保持，而發動機電磁功率會由于孤網運行而有明顯下降，這將導致Pm-Pe>0，轉子角速度變化率變大，使得轉子角速度增加，從而增大了孤網運行頻率。

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功功率；VN為線路負荷側電壓。小水電串接入水電站后，10 kV饋線上發生有功功率和無功功率向母線倒送的情況。一旦遇到線路發生保護動作跳閘，該倒送過程無法完成，小水電的有功功率和無功功率無法被傳送，負荷點處的電壓因此被抬高。當一些地區由于故障而形成孤網運行時，過剩的功率無法倒送，會發生高周高壓的情況。

3 裝置研發的理論設計過程

3.1 提高保護裝置的可靠性

當系統電壓發生波動時，傳統的過電壓保護裝置易發生誤動作。造成這一問題的主要原因是判定依據過于單一，只有電壓值為判據，一旦線路電壓達到預設電壓值時就會進行動作。為解決這一問題，我們將過電壓保護裝置改進為高頻高壓保護裝置，采取將電壓值和頻率值共同作為是否切機的判別依據，只有當電壓波動和頻率波動共同發生時才會發生解列。這樣當跳閘沒有出現時就不會發生誤動。通過增加動作發生的判別依據，解列裝置的可靠性有了很大的提升。

3.2 提高保護裝置的快速性

在研發時的錄波分析過程中，我們注意到頻率每增加1Hz需要大約1秒的時間，而電壓變化是瞬時的，高頻高壓保護裝置動作的速度較慢。若電壓發生變化時，高頻高壓保護裝置未及時發生動作，仍然有可能燒壞用戶的用電設備。在經過討論以后，我們決定保留一組過壓保護裝置，為這組過壓保護裝置設定一個較高的電壓值，一旦電壓超過了該值就可進行切機工作，無需等待頻率變化。增加了這一改進后，保護裝置的快速性也得到了保證。

3.3 提高保護裝置的靈敏性

我們注意到，保護裝置存在一種特殊使用情況，即跳閘后出力與負荷均衡、孤網運行時，電壓變化不夠明顯。這種情況下雖然不會產生過電壓燒壞用戶的用電設備，但頻率發生波動，供電質量較低，而且影響了重合閘的動作。因此我們還針對孤網運行配置了一套頻率解列保護，當頻率超過限定值時，可經延時斷開發電機開關。這樣新型小電源解列裝置的靈敏性得到了有效的提高。

通過對跳閘后嚴重過電壓、一般過電壓、沒有過電壓這三種情況均做了相應的保護動作。產生嚴重過電壓，要快速切機；一般過電壓，要可靠切機；沒有過電壓，孤網運行，要靈敏切機。保護裝置的動作邏輯圖，如圖2所示。

3.4 試點運行后的改良

①高周高壓保護裝置在正常工作的情況下，裝置顯示頻率存在1Hz的波動。經過討論后，我們認為產生這種現象的原因是在開發裝置的過程中，我們使用的采樣電壓質量較高，因此頻率采樣算法的濾波考慮不足，而在實際的水電站中電壓有諧波干擾。通過擴大采樣周期，增加一倍采樣點，最終使正常工作時的頻率波動控制在0.2 Hz內。

②裝置電源取自電路，當發生高達380 V的過電壓時解列裝置也會被燒毀，將無法達到保護的效果。在解列裝置內部內置電力電子變換模塊及配合調制算法，使裝置穩壓范圍變寬。在耐壓實驗中，解列裝置在400 V交流電源下，能正常運作至少2～3 min。

③高周高壓保護裝置與傳統過電壓保護裝置相比，功能更加完善成本也相應提高。為平衡電站的投入成本，對裝置內部結構進行擴充，增加電壓采集、跳閘出口接點，改進算法。

4 高周高壓保護裝置的主要功能

保護裝置使用了整體面板及多種安裝結構，裝置選用了智能高速CPU芯片進行計算，配有一路跳閘出口，安裝時需要配合高壓自動化開關進行安裝，把高周高壓保護裝置的跳閘出口接點并接在自動化開關的跳閘接點就可以，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，根據實際情況進行選擇，裝置對頻率與電壓量的判據條件也應當根據實際情況進行相應的調整。為防止由于電氣化電路、沖擊負荷或是電力系統發生故障等問題導致解列裝置發生誤動或是拒動現象，我們在裝置的直流電源輸入端增設了專用的電源濾波器，除此之外，還增設了二階無源濾波器和二階有源濾波器至交流濾波回路中。

新型高周高壓保護裝置的主要功能如下：

①能測量裝置安裝處的主線和支線電壓、頻率及它們的變化率。

②在電力系統有些地區電網由于有功功率過剩引起頻率上升時，裝置根據頻率升高值自動切除水電站支線。

③本裝置具有高周高壓保護控制功能，配置兩段式高周、高壓保護，具有繼電器跳閘出口和信號報警出口繼電器。

5 結 語

針對當前小水電地區的孤網運行時高周高壓造成用戶用電設備燒毀，電網的重合閘動作受到影響等問題，研發了一種新型高周高壓保護裝置。該裝置在已有的過保護裝置上進行了相應的改進，當變電站10 kV饋線開關跳閘，饋線電壓頻率升高時，能及時將小水電解列，保護用戶用電設備?，F階段，該新型解列裝置已投入試點使用，有效地解決了系統發生電壓波動時裝置發生誤動現象，也有效避免了小水電上網地區用電用戶電器被過電壓燒毀的投訴，為重合閘方式提供滿足的條件，縮短線路復電時間，提高了電網的供電可靠性，減輕水電站監管工作壓力，保障水電站的經濟效率，整體上來說，使用效果良好。

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