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中国电力设备管理协会

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大型厂(站)厂用电系统实现1进3联快速保护的创新及应用

作者:   发布时间:2020-11-24

一、创新成果概述

目前市面上针对小型简单的 3kV~10kV 的厂(站)用母线,只有一路工作进线电源、一路母联开关的情况下,可以采用母线电流闭锁式母线快速保护。但更多的大型发电厂及变电站的发电厂及变电站的 3kV~10kV 母线厂(站)用,由于接线复杂,接线方式涉及有多个母联开关,母线是没有任何专门的快速保护的。一般由变压器后备保护低压侧进线过流保护和高压侧过流保护来实现。由于低压侧进线过流保护、高压侧过流保护与出线开关的保护需要相互配合,配合级差至少为 300ms,配合级数多,所以导致低压侧和高压侧进线过流保护延时至少 1 秒以上动作切除故障。因此,厂(站)用 3kV~10kV 母线上所发生的任何故障都要延时至少 1 秒以上动作切除,造成母线故障时保护动作延时较长,不能及时切除故障将造成母线严重烧毁,甚至发展成“火烧连营”的重大事故。

通过对龙滩电厂 10kV 母线保护的优化改造中,提出了能应用于在一路工作进线电源、三路及以下母联开关的一次接线方式下单路电源或单路母联开关作为本段电源供电情况的 10kV 电流闭锁式母线快速保护。同时实现了 10kV 电压等级下的母线区内故障时主保护和区外保护拒动时失灵的后备保护的两种保护功能。母线区内故障时母线保护能可靠动作,能将原切除故障时间 1秒以上缩减到 0.15 秒,提高了设备的运行安全。

二、主要做法

1、本项目在江苏金智科技股份有限公司现有的iPACS-5761简易母差保护装置基础上,针对现有一路工作进线和一路母联开关的一次接线方式及对应闭锁式过流保护功能逻辑,并结合一路工作进线和3路母联开关的一次接线方式所需馈线过流闭锁进线过流保护的技术要求,提出了一种新的3KV-10KV母线保护及失灵保护方法。(在一路工作进线电源、三路及以下母联开关的一次接线方式下单路电源或单路母联开关作为本段电源供电方式下的发电厂及变电站用3kV~10kV母线的失灵保护方法。设置一段母线保护,当供电开关电流达到母线保护定值,同时其他开关上电流不超过失灵定值,且无其他闭锁信号时动作跳开供电开关。若收到馈线的闭锁信号或同时其他母联开关有超过失灵定值的电流,则延时,等待区外故障被切除。若延时达到失灵延时定值且故障电流依然存在,则认为开关拒动,失灵保护动作跳开供电开关。)

2、在实验室对保护逻辑回路进行验证

对“一种3KV-10KV母线保护及失灵保护的新方法”在ipacs-5761母差保护装置上进行验证(见国网电力科学研究院实验验证中心动模实验报告) 

图1 在实验室模式试验主要接线图

 2014年11月份,在国网电力科学研究院实验验证中心,在实验室模拟接线图1下,龙滩电厂委托江苏金智科技股份有限公司对相关保护逻辑进行了检验:分别模拟母线分列运行下区内金属性故障,区外金属性故障,发展性故障,经过过度电阻故障,CT断线,PT断线,空充母线、线路故障类型,保护动作正确,逻辑符合要求。结论:经质量检验,所检项目区内外金属性故障、发展性故障,检验结果符合检验依据的要求。备注:龙滩电厂率先提出的“一种3kV-10kV母线保护及失灵保护的新方法”所涉及的母线逻辑保护属于区内故障,已经包含在内进行了验证。

3、在龙滩电厂10KV母线改造中进行了应用

2014 年12 月03 日至2015 年04 月23 日,龙滩电厂配合10kV I 段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段、Ⅴ段、Ⅵ段母线检修,龙滩电厂对10KV母线保护进行了改造。(见附件 龙滩水力发电厂10kV母线保护改造报告)改造项目计划如下: 

图2 龙滩电厂10KV母线改造计划

(1)检修过程中消除的重大缺陷及采取的主要措施:对10kV 厂用电段母线保护进行配置优化改造,增加专门的母线快速保护,作为10kV厂用电段母线的主保护,以便快速切除故障。

(2)技术改造项目内容及效果:本次改造主要实施10kV I 段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段、Ⅴ段、Ⅵ段母线保护装置安装、电缆敷设及二次配线,10kV I 段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段、Ⅴ段、Ⅵ段进线及联络开关相关二次回路接线更改,母线保护装置单体调试、二次回路检查试验及10kV 各段母线保护装置整组试验、投运等项目,达到相关改造技术要求,检查接线正确,二次回路绝缘合格,母线保护动作逻辑正确,动作时间满足定值要求,保护正确动作

(3)设备重大改进的内容及效果:1、本次改造新增10kV I 段、Ⅱ段、Ⅲ段、Ⅳ段、Ⅴ段、Ⅵ段母线保护装置及相关二次回路。2、改造完成后检查接线正确,回路绝缘合格,进行了装置单体调试,主要包括采样检查、开入开出检查、装置逻辑验证、信号模拟试验等工作,之后进行整组试验,保护动作正确,符合投运条件。

(4) 试验结果的简要分析

改造接线正确,验证母线保护采样、逻辑正确,可以投运。

4、获取发明专利授权

“一种3KV-10KV母线保护及失灵保护的新方法”申请了发明专利,并于2016年5月获得授权,专利号为ZL 201410200673.1。

5、请第三方对项目进行了验收

2016年7月6日,广西水电学会作为第三方,请相关专家对龙滩电厂2014年10KV母线保护改造项目进行了验收。(见附件 第三方验收报告)

① 首次创新提出了在一路工作进线、三路母联开关,单路电源供电方式下的 10KV 电流闭锁式母线保护方法,在国内复杂的大型发电厂及变电站的 3kV~10kV 厂(站)用母线上实现快速保护,填补了国内复杂3kV~10kV 厂(站)用母线无任何专门快速保护的空白。

② 在3kV~10kV 厂(站)用母线上实现快速保护后,将母线区内故障时技术指标原切除故障时间 1 秒以上缩减到 0.15 秒,提高设备的安全性、可靠性,并在龙滩水电厂成功应用1年,取得良好的经济效益和社会效益,具有很大应用推广价值。

三、主要创新点

1、提出了一路工作进线电源、三路及以下母联开关的厂(站)用3kV~10kV母线保护及失灵保护的新保护(见图3)。其特征在于:该方法主要是通过检测保护基本量来组成闭锁式过流母线保护及失灵保护动作基本逻辑,当母线出现故障时,作出相应的保护动作,对母线进行快速保护;所述的保护基本量包括开入模拟量、开入开关量和开出量,其中:开入模拟量包括一路工作进线电源开关的三相电流互感器二次电流、三路母联开关的各自三相电流互感器二次电流、母线三相电压互感器二次电压;开入开关量包括各个出线瞬时闭锁过流接点、母线保护功能压板投入、母线失灵保护功能压板投入;开出量包括跳一路工作进线电源开关的跳闸继电器接点、跳三路母联开关的各自跳闸继电器接点、母线保护动作信号接点、失灵保护动作信号接点、保护装置报警信号接点、保护装置闭锁信号接点;所述的母线保护及失灵保护动作基本逻辑为:本段母线分别在工作进线电源、母联1、2、3开关供电电源供电时,母线区内故障时供电电源过流动作而出线无过流闭锁,母线保护短延时动作跳开供电电源;母线区外故障时供电电源过流动作而出线过流闭锁,母线保护不动作,若此时出线开关、保护拒动时,则母线失灵动作长延时跳开供电电源。 

图3 一路工作进线电源、三路及以下母联开关的厂(站)用3kV~10kV母线保护及失灵保护框架图

2、3kV~10kV母线保护及失灵保护方法,当工作进线电源作为供电电源时,母线保护及失灵保护动作基本逻辑(见图4):

(1)母线发生区内母线短路故障时,工作进线开关相电流高定值元件和复合电压元件动作,而三路母联开关相电流低定值元件、出线1至N开关保护输出瞬时过流接点均不动作,满足母线保护动作逻辑,短延时跳工作进线电源开关,闭锁备自投装置,发出母线保护动作信号、点亮跳闸灯和报警灯;

(2)母线发生区外母联1开关或母联2开关或母联3开关或出线负荷短路故障时,工作进线开关相电流高、低定值元件动作,而母联1开关或母联2开关或母联3开关或出线相电流低定值元件动作,不满足母线保护动作逻辑,短时闭锁母线保护,母线保护不动作;若此时由于母联1开关或母联2开关或母联3开关或出线负荷或保护拒动,长时间无法切除出线故障,母联1开关或母联2开关或母联3开关或出线负荷相电流低定值元件动作在设定时间内未返回,则满足失灵保护动作逻辑,失灵保护动作,长延时跳工作进线电源开关,闭锁备自投装置,发出母线保护动作信号、点亮跳闸灯和报警灯。 

图4 工作进行电源做供电电源的保护动作基本逻辑图

3、3kV~10kV母线保护及失灵保护方法,当母联1开关供电电源作为供电电源时,母线保护及失灵保护动作基本逻辑(见图5):

(1)母线发生区内母线短路故障时,母联1开关相电流高定值元件和复合电压元件动作,而工作进线、母联2、母联3开关相电流低定值元件、出线1至N开关保护输出瞬时过流接点均不动作,满足母线保护动作逻辑,短延时跳母联1开关,闭锁备自投装置,发出母线保护动作信号、点亮跳闸灯和报警灯;

(2)母线发生区外工作进线开关或母联2开关或母联3开关或出线负荷短路故障时,母联1开关相电流高、低定值元件动作,而工作进线开关或母联2开关或母联3开关或出线相电流低定值元件动作,不满足母线保护动作逻辑,短时闭锁母线保护,母线保护不动作;若此时由于工作进线开关或母联2开关或母联3开关或出线负荷或保护拒动,长时间无法切除出线故障,工作进线开关或母联2开关或母联3开关或出线负荷相电流低定值元件动作在设定时间内未返回,则满足失灵保护动作逻辑,失灵保护动作,长延时跳母联1开关,闭锁备自投装置,发出母线保护动作信号、点亮跳闸灯和报警灯。 

图5 当母联1开关供电电源作为供电电源时线保护动作基本逻辑图

4、3kV~10kV母线保护及失灵保护方法,当母联2开关供电电源作为供电电源时,母线保护及失灵保护动作基本逻辑(见图6):

(1)母线发生区内母线短路故障时,母联2开关相电流高定值元件和复合电压元件动作,而工作进线、母联1、母联3开关相电流低定值元件、出线1至N开关保护输出瞬时过流接点均不动作,满足母线保护动作逻辑,短延时跳母联1开关,闭锁备自投装置,发出母线保护动作信号、点亮跳闸灯和报警灯;

母线发生区外工作进线开关或母联1开关或母联3开关或出线负荷短路故障时,母联2开关相电流高、低定值元件动作,而工作进线开关或母联1开关或母联3开关或出线相电流低定值元件动作,不满足母线保护动作逻辑,短时闭锁母线保护,母线保护不动作;若此时由于工作进线开关或母联1开关或母联3开关或出线负荷或保护拒动,长时间无法切除出线故障,工作进线开关或母联1开关或母联3开关或出线负荷相电流低定值元件动作在设定时间内未返回,则满足失灵保护动作逻辑,失灵保护动作,长延时跳母联2开关,闭锁备自投装置,发出母线保护动作信号、点亮跳闸灯和报警灯。

图6 母联2开关供电电源作为供电电源时保护动作基本逻辑图

5、所述的3kV~10kV母线保护及失灵保护方法,当母联3开关供电电源作为供电电源时,母线保护及失灵保护动作基本逻辑(见图7):

(1)母线发生区内母线短路故障时,母联3开关相电流高定值元件和复合电压元件动作,而工作进线、母联1、母联2开关相电流低定值元件、出线1至N开关保护输出瞬时过流接点均不动作,满足母线保护动作逻辑,短延时跳母联3开关,闭锁备自投装置,发出母线保护动作信号、点亮跳闸灯和报警灯;

母线发生区外工作进线开关或母联1开关或母联2开关或出线负荷短路故障时,母联3开关相电流高、低定值元件动作,而工作进线开关或母联1开关或母联2开关或出线相电流低定值元件动作,不满足母线保护动作逻辑,短时闭锁母线保护,母线保护不动作;若此时由于工作进线开关或母联1开关或母联2开关或出线负荷或保护拒动,长时间无法切除出线故障,工作进线开关或母联1开关或母联2开关或出线负荷相电流低定值元件动作在设定时间内未返回,则满足失灵保护动作逻辑,失灵保护动作,长延时跳母联3开关,闭锁备自投装置,发出母线保护动作信号、点亮跳闸灯和报警灯。

图7 母联3开关供电电源作为供电电源时保护动作基本逻辑图

四、应用成效

2014年12月25日第一台保护改造完成后顺利投入运行。3年多来,经历了各种工况运行的考验,装置正常,运行动作正常平稳,未出现任何异常情况,取得了良好改造效果。

五、可推广性

龙滩电厂2014年12月-2015.5年日对厂用10kV 系统进行了改造,3多来,经历了各种工况运行的考验,装置正常,运行平稳,未出现任何异常情况。由于该新型母线保护方法具有安全性高、可靠性高、灵敏度高、灵活性大等优点,很具有很大的现场实际应用价值,可以广泛推广使用。(供稿单位:龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂)