一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法

含分布式发电的配电网混供线路对10kV馈线保护线路重合闸产生了重大影响。现有变电站10kV馈线开关柜无线路电压抽取装置,重合闸无法实现检无压或检同期功能,直接重合将对分布式发电的发电机组造成较大的冲击,甚至扩大故障范围。
广东电网有限责任公司韶关供电局的研究人员徐兴发、刘泽华,在2020年第7期《电气技术》杂志上撰文,以小水电站混供线路为例,通过研究一种能够适用于10kV开关柜的小型线路电压采集判断装置,提供重合闸检线路无压的电压依据,实现可靠快速复电,保障供电可靠性。
分布式发电(distributed generation, DG)通常指光伏发电、风能发电、燃料电池发电、小水电发电等相对分散的发电方式,是满足社会对能源的需求量和稳定性要求的产物。分布式发电与常规的集中式发电形成互补,有其自身的优势,如提高电力系统可靠性和灵活性、提高资源利用效率减少污染、节约建设及安装的投入,是21世纪电力工业的发展方向。但是,由于配电网接入了分布式发电,改变了电网的网络结构,给配电网重合闸的协调配合带来较大的影响。
现有变电站10kV馈线开关柜无线路电压抽取装置,重合闸无法实现检无压或检同期功能,直接重合将对分布式发电的发电机组造成较大的冲击;同时,由于分布电源的作用故障点并没有消除,断路器重合可能引起故障电流跃变,造成故障点电弧重燃,扩大故障范围。传统的电压互感器体积大,变电站10kV母线电压的采集需要有独立的电压互感器开关柜,因此无法适用于10kV馈线开关柜。
本文以小水电站混供线路为例,通过研究一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置,旨在为配网线路重合闸检无压功能提供电压依据,配合线路保护重合闸,实现快速复电,保障电网的供电可靠性及安全稳定性。
1  分布式小水电上网对重合闸的影响
山区电网水电资源丰富,大量变电站有水电上网,小水电站主要通过10kV线路上网,且大部分T接于10kV馈线,已经形成远距离水电逐级汇集,通过集中升压,实现大功率远距离外送的发展模式,如图1所示。这种模式下的送端系统中,发电机串接入变电站,10kV馈线输送功率减少或功率上送以及小水电输出无功的支持,使得沿馈线上各个负荷节点处电压被抬高(UA<UB<UC )。
图1  小水电并网系统简化模型
配电架空线路超过80%的短路故障是瞬时性故障。当线路发生故障,断路器因保护装置动作而跳闸,经短延时后重合闸动作,恢复线路正常供电。在单电源供电的配电网系统中,瞬时性短路故障电弧可自行熄灭,短路点处的绝缘可自动恢复,采用重合闸方式恢复线路供电,不会对配电系统产生任何冲击和破坏,有利于提高配电系统的供电可靠性。
若是永久性故障,重合闸动作后仍然检测到故障电流,保护装置再次动作,闭锁重合闸,不再重合,从而影响供电可靠性。
图2  线路中段接入DG的配电网
当线路保护动作跳闸后,如果分布式发电未能及时解列,此时重合闸动作可能产生非同期重合闸和故障点电弧重燃的潜在威胁,增加与配网自动化开关配合难度,造成重合闸不成功。
1)导致非同期重合闸
如图2所示,若F1处为瞬时性故障,并且在K1的保护范围内,则K1保护动作断开后,DG形成的电力孤岛很难与电网继续保持完全同步,DG的发电机组将快速失去稳定性,电网系统与DG的电压相角差可能是0°~360°范围内的任意值。
如果此时重合闸动作,将导致非同期合闸,此时保护装置将检测到冲击电流,K1保护可能后加速动作,闭锁重合闸不再重合。当DG容量较大时,非同期合闸产生的冲击电流可能超过发电机组允许的最大冲击电流,甚至烧坏发电机组。
2)导致故障点电弧重燃
配电网线路成功重合的必要条件是故障点电弧完全熄灭。若F1处为永久性的故障,K1保护动作断开后,未解列的DG仍向故障点处供电,故障点处电弧未熄灭。此时馈线保护若重合闸动作,由于电网电源的影响,使得故障点电流跃变,引起故障点电弧重燃,电弧长时间燃烧,导致绝缘击穿,进一步扩大事故,影响停电范围。
3)导致重合闸不成功
接入DG的配电网线路,无论线路发生何种形式的故障,如果DG未能快速切除,重合闸动作可能产生非同期重合闸和故障点电弧重燃的潜在威胁,将降低重合闸的成功率。由于站内重合闸不成功,一方面停电区域将增大,影响用户的生产、生活需求,造成较大的经济损失;另一方面DG形成的孤岛只能够满足小范围的用电需求,相比系统电网有明显的电压波动,影响电压质量。
综上所述,无论线路出现何种形式的故障,都需要将分布式发电电源快速切除。一方面是利用分布式小水电的低周低压解列装置,在线路发生故障时能够及时切除DG;另一方面是依靠线路保护重合闸检无压或检同期功能,避免非同期合闸。
但现实情况是,安装在DG的低周低压解列装置存在被人为拆除的可能,无法确保低周低压解列装置在故障发生时能够及时动作。因此,考虑到DG侧解列及重合闸功能的可靠性及成本,如果站内线路保护装置能够实现重合闸检无压或检同期功能,那么就能够避免非同期合闸及故障点电弧重燃,提高重合闸的成功率。
2  小型线路电压采集判断装置的技术原理及方法
现有变电站10kV馈线开关柜线路缺少一种电压抽取装置,作为判断线路是否有电压的装置。针对分布式电源接入的10kV线路开关跳闸之后,缺少相关的检测线路是否有电压的装置。因此,实现重合闸检无压或检同期功能的关键点在于如何提供重合闸检无压或检同期的电压依据。
针对当前的线路保护装置具备“检无压”重合闸功能;同时,10kV线路保护装置具备“有压”开入的功能,也具备接入线路电压UXL的功能,但是没有相关的电压采集判断装置,从而影响10kV开关柜线路保护重合闸。
针对上述情况,本文提供一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法,主要实施步骤是采用电阻分压后的电压输入到信号处理装置,然后经整流电路驱动光耦、再经过电压比较后驱动继电器输出,实现对线路电压的采集判断的功能,从而实现10kV线路电压的输出电压或有压接点闭合开入到保护装置。
本文提出的一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置包括3个电路,即电阻分压电路、电压比较电路和继电器驱动电路,保护装置配合重合闸。
2.1  电阻分压电路
电阻分压电路是采用电阻分配电压的原则,当10kV系统电压正常时,相电压经电阻分压。如图3所示为电阻分压信号处理电路,其中Rf、Rb为压敏分压电阻,分别保护分压电路和继电器不受过电压损坏。输出的电压U1输入至电阻分压信号处理,将分压电阻分配的电压经电压比较等方式处理后,再驱动继电器输出有压/无压信号。根据信号处理电路的电压输入范围,电阻分压Rf/Rb设计比值为m。
由于信号处理单元、继电器驱动单元均采用外部电源,因此,采用电阻的方式,分压电路可以选取阻值较大、功率较小的电阻器,这样既使电阻发热较小,可以长期运行,又使相对地绝缘电阻足够大、相对地电流足够小,不影响系统状态。
图3  电阻分压信号处理电路
在电阻分压电路中,Rb分压所得的电压为U1,输出到电压比较电路内。
2.2  电压比较电路
电压比较电路具备工作电源,包括电源处理模块、采集模块、放大模块、数据转换模块、微机处理模块、定值整定模块和数据输出模块,如图4所示。
图4  电压比较电路的结构示意图
电源模块,采用外部接入的220VDC/AC电源,作为电压比较电路及继电器驱动电路的工作电源。
采集模块将输入模拟量电压值进行信号处理,将干扰量、多次谐波去除,然后将电压输入到放大模块中,通过两级放大电路进行电压放大,第一次运算放大器和第二次运算放大器均采用运算放大器芯片实现,将两级运算放大电路放大后的电压输入到A/D数据转换模块,A/D数据转换模块将放大后的电压转换为数字信号,并输入到微机处理器。
A/D数据转换模块是将Rb电阻分压获得的电压数据转换为数字量输入到微机处理器,微机处理器具备逻辑分析、判断的功能。
定值整定模块,应用于可整定的继电器,作为判断线路是否存在电压的功能。
2.3  继电器驱动电路
继电器驱动电压采用外部接入的220VDC/AC电源,与一个特定电压信号进行比较。分压电压较大时,输出的信号驱动继电器动作,继电器输出引脚闭合,发出有压信号;当线路电压降到某一值以下时,相电压经电阻分压后将小于比较电压,输出信号令继电器线圈失电,继电器的输出引脚断开,发出无压信号。
在标称电压为10kV系统中,正常时刻的线路单相电压为6kV。当线路相电压高于某固定值时,通过电阻分压后继电器得到较高的电压,该电压可以驱动继电器动作,使其输出引脚闭合。当线路电压低于某固定值时,通过电阻分压后继电器得到较低的电压,此时电压不足以驱动继电器动作,其输出引脚断开。
通过电压比较电路输出的数据,输入到继电器驱动电路中,其驱动器工作示意图,如图5所示。
图5  继电器驱动电路示意图
一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法的控制工作原理为,经过电阻分压电路,其中Rb采集的10kV线路电压,输入采集模块将输入模拟量电压值进行信号处理,将干扰量去除,处理后输入放大模块,经过两级放大电路后输入到A/D数据转换模块,通过A/D数据转换后输入到微机处理器,微处理器进行逻辑判断。
当采集电压超过微机处理模块整定定值USET,经过一定的延时后触发继电器K1,继电器K1动作,常开的3对接点①、②,③、④,⑤、⑥均闭合,其中①、②接点闭合输入至10kV馈线保护装置的保护功能开入模块,作为“线路有压”的开入功能;③、④接点串联10kV馈线开关柜母线二次电压UA,输入至10kV馈线保护装置的采样模块,作为采集线路电压的方法;⑤、⑥接点闭合,线路有压带电指示灯点亮。复位按钮S动作,触发继电器K2,装置复位信号告警与继电器K1,装置恢复正常工作状态。
同时,具备自动复位功能,复位模块是通过复位继电器、有压指示灯复位单元、电源及相关保护电阻组成,如图5所示。进一步说明图5继电器驱动电路的控制回路示意图,其中R1、R2、R3为控制回路的相关保护元件(电阻、电感、电容),K1、K2为继电器,L为电压显示指示灯,S为复归按钮。
综上所述,本文提供的一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法的实施步骤为,电阻分压后的电压输入到信号处理装置后,经整流电路驱动光耦、再经过电压比较后驱动继电器输出,实现对线路电压的采集判断的功能,从而实现10kV线路电压的输出电压或有压接点闭合开入到保护  装置。
2.4  保护装置重合闸配合的方法
具体实施步骤:
1)10kV高压线路通过一种电阻分压电路,将10kV线路电压分压,输出U1的电压至线路电压比较电路。
2)电压比较电路将采集的电压进行信号处理,将干扰量去除,再经过两级放大电路后输入到A/D数据转换,通过A/D数据转换后输入到微机处理器,微机处理器进行逻辑判断,当采集电压超过微机处理模块整定定值USET,经过一定的延时后触发继电器K1,继电器K1动作,10kV线路有压。
3)线路电压输入U1经过电压比较电路输入到微机处理模块,转换为电压值U,当U大于等于有压值Uy时,Uy取70%UN的额定电压(70%×57.7V),电压比较电路输出信号,驱动继电器K1动作,从而继电器K1的3对常开接点闭合,则10kV线路有压。
①、②接点闭合引入到10kV线路保护的保护功能开入模块,作为“线路有压”的开入功能,如图6所示。
图6  线路保护装置有压开入采集示意图
③、④接点串联10kV馈线开关柜母线二次电压UA,输入至10kV馈线保护装置的采样模块,作为采集线路电压的方法,如图7所示。
图7  线路保护装置UXL电压采集示意图
4)U电压小于无压值Uw时,Uw取30%UN的额定电压(30%×57.7V),电压比较电路不输出信号,驱动继电器K1不动作,继电器K1的3对常开接点断开,10kV线路在充电的情况下,10kV线路无压,t时间内,无外部闭锁重合闸开入,此时,10kV线路保护进行检无压重合闸。
图8  10kV开关柜线路电压采集判断装置逻辑流程图
本文提出的一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法,实现当线路有压时,输出电压到保护装置采样板,同时,具备有压接点闭合,实现有压开入到保护装置的功能,作为判断线路电压状态的依据,从而配合重合闸装置实现检无压的功能,其逻辑流程如图8所示。
3  技术效果及应用效果
3.1  技术效果
  • 1)实现了一种适用于10kV馈线开关柜的线路电压采集判断装置及方法。

  • 2)实现了分布式电源接入的10kV线路,变电站10kV开关柜跳闸之后,具有相关的检测线路是否有电压的装置,来配合线路保护装置“检无压”重合闸功能。

  • 3)10kV线路保护装置具备“有压”开入的功能,同时,采样板具备接入线路电压UXL的功能,可以实现“有压”开入的功能、也可以实现采集有压接入线路电压UXL的功能。

  • 4)采集的10kV线路有压,继电器动作接点闭合,开入至10kV线路保护的开入板,作为“线路有压”的开入功能。

  • 5)采集的10kV线路有压,继电器动作接点闭合,串联10kV馈线开关柜母线二次电压UA,输入至10kV馈线保护装置的采样模块,作为采集线路电压的方法。

  • 6)采集的10kV线路有压,继电器动作接点闭合,线路有压带电指示灯点亮。

综上所述,一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法,配合重合闸装置实现检无压功能,能够提高10kV开关柜线路保护重合闸率,使电网供电更加可靠。
3.2  应用效果
研制的一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置,如图9所示,有以下3个方面的应用效果。
图9  线路电压采集判断装置实物图
1)增加线路重合闸的电压依据
小型线路电压采集判断装置能够准确采集线路电压,从硬件方面弥补了站内10kV馈线开关柜无线路电压抽取装置的缺陷,为实现线路重合闸检无压或检同期增加了电压依据。
2)减少重合闸对电网的负效应
线路能够实现重合闸检无压,能够避免非同期合闸和重燃故障点电弧,减少对电网的冲击,提高系统的稳定性。另外还能避免与配网自动化开关的失配问题,增加配网自动化开关故障定位的成功率。
3)提高供电可靠性
由于线路重合闸具备检无压或检同期功能,合理的与重合闸相结合的孤岛模式能够提高原配电网的供电可靠性,在保障用户不停电的情况下为安排停电检修提供备选方案,但是对DG的快速起动能力和快速带负荷能力要求很高,运行方式也相对复杂。
4  结论
本文开头分析了分布式小水电对10kV馈线保护线路重合闸的影响,可能产生非同期重合闸和故障点电弧重燃的潜在威胁,增加与配网自动化开关配合难度。为避免DG的接入给重合闸带来的不利影响,不论线路出现何种形式的故障,均应快速切除DG。
本文针对性地提出一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法,为重合闸检无压提供了电压依据,减少重合闸对电网的负效应,满足了山区电网实际运行的需要,保证了电网的安全稳定运行以及供电可靠性。
(0)

相关推荐