|
2.2 中低压母线的快速保护
大型冶金供电系统出线多，电机起动频繁，另外由于环境和技术力量等原因，系统故障也较电力系统同等规模的变电站多。传统使用的母线保护就是变压器的后备保护，为保证选择性，经几级时限配合后，前文已提到后备保护的动作时间大约是1.5秒以后。这种情况下如果确属母线故障的话，切除时间太长，易引发其它事故，对系统威胁很大。
图2.3 不完全母差保护原理示意图
针对以上情况，我们专门研发了适用于冶金系统的不完全母线差动（也称简易母差保护）。其保护原理参照图2.3，把多组电源线CT之间或电源线CT与分段CT之间构成一个差动电流元件，同时各出线保护过流元件起动动作后闭锁差动元件，使母线故障能有选择地快速切除。
如果是区内故障，差动保护可以及时快速动作。如果是区外故障，则被馈出线过流元件闭锁。因采用了闭锁元件，为确保证区外故障不误动，保护动作速度不应太快。我们设计的这种原理的母差保护，其最佳动作速度应该是0.1－0.15秒。因而母线故障基本上可以保证快速切除故障。
另外，除了差动保护做为母线的主保护以外，还可使用复压闭锁过流元件作为后备保护，与传统后备保护功能一致。当然后备保护的时限仍需与馈出线保护配合，一般落后出线保护一个等级，即比出线保护延迟0.5S左右。
2.3 系统特点对各保护的影响及解决方法
2.3.1 冲击电流和非周期分量
冶金行业供电系统中，冲击电流大而频繁，并含有显著的非周期分量和谐波分量，这些量对灵敏度较高的微机保护是一个考验。一般来说，对于过电流等保护元件，可以通过定值来躲过冲击电流及非周期分量，但对于差动保护来说，这个问题解决起来比较困难。
由于差动电流是速动性的，只要有差动电流，差动保护一般在0.1S内就会动作。理想情况下，外部故障或正常运行时流入差动元件的电流应该为接近于零，但由于两侧CT的变比误差、角度误差、变压器内部的激磁电流和励磁涌流、变压器分接头调节等等原因，造成正常运行时就存在不平衡电流。当然，躲避这些不平衡电流相对还是比较容易的，可以通过整定动作特性曲线和采用二次谐波制动等原理来防止差动元件可能的误动。
然而如果是由于被保护设备两侧CT暂态特性不一致，或是二次负载阻抗严重不一致而导致区外故障或负荷冲击时产生的暂态不平衡电流，许多微机保护厂家往往对此估计不足。而这种暂态不平衡电流在冶金的供电系统内尤为突出，究其原因，主要是由于大型电动机等设备两侧差动CT在空间上相距较远，有时距离长达几百米，而差动保护往往安装在一侧CT附近，此时另一侧CT二次线需经过较长距离连接到保护装置上，这样两侧CT的二次负载不平衡是显而易见的，它们的非周期分量衰减时间常数也是迥然不同的，由此造成了冲击负荷或外部故障时存在着较严重的暂态不平衡分量。
这种暂态不平衡分量很容易造成差动保护误动。最近马钢出现的一台同步电机在起动时引发某厂家生产的相邻一台同步机差动保护的误动，就是一个侧证。从该保护装置的故障录波图可以看出，由于相邻的同步电机起动时，在电网中注入了较大的非周期分量，因而在误跳的电动机一次侧也引入了非周期分量，该非周期分量通过CT传变到二次侧后，由于二次侧负载阻抗严重不一致，引发的CT二次的暂态不平衡电流，从而造成差动保护的误动。
鉴此我公司特意在差动保护中引入了非周期分量制动方案，该方案有效地解决了因非周期分量暂态不平衡电流而造成的差动误动。当然，对已在现场运行的其他厂家的保护，只要保证两侧CT二次引线距离基本相同，就可以避免纯粹由于二次侧CT导线阻抗不一致造成的保护误动。
2.3.2 谐波分量大
冶金供电系统中含有丰富的谐波分量，如果保护装置在抗干扰方面存在缺陷时，很容易造成保护元件的误动，或是造成保护的精度不够。我们公司采用全波傅利叶滤波方式，能比较好地解决这个问题。
在电力系统中，有些保护装置厂家采用的差分算法来滤除高次谐波分量，即当前采样值与1/3周期前的采样值相减，以滤去三次谐波；当前采样值与1/2周期前的采样值相减，可滤去二次谐波，以此类推，这种方法可以滤去二次、三次、五次、七次等高频谐波分量。这种滤波方式在电力系统微机保护中是比较常用的。差分滤波从数学原理上讲实质是求导，而在物理上表现为高通滤波器，一个差分就是一个高通滤波器，它对高次谐波是放大的。
傅氏滤波则完全不同。它可完全滤除高次谐波，得到较为纯净的基波分量。全波傅氏滤波需要一个周波的数据窗，所以动作速度一般在20ms以上。为提高动作速度，有的厂家使用半波傅氏算法，这样保护在理论上可以在10ms左右动作。但是半波傅氏算法不能滤去偶次滤波，因而速度的提高是以牺牲精度和抗干扰能力为代价的。
在电力系统中，由于高频分量不多，所以差分算法与傅氏算法的效果差别不明显。但是，由于冶金行业供电系统中存在着十几次、二十几次的谐波，这两种方法的区别就很大了，滤波方式的不同体现在保护装置上就是抗干扰能力和定值精度的不同。
我认为，在冶金行业中速度要求不是很高的前提下，全波傅氏算法应该是比较理想的。
2.4 CT变比问题
根据我们的经验，冶金行业CT变比设置与系统短路容量相比的话，存在一定的矛盾。
由于下挂馈出线多，母线负载大，所以系统短路容量往往很大，短路电流在3000－4000A左右。而各馈出线的额定电流往往较小，因而CT变比一般在75/5到200/5之间。各馈出线CT变比相对较小，故障时二次短路电流可能超越保护交流采样范围，甚至造成保护装置内部CT的饱和。
目前微机保护的输入量程一般都在100－150安培以内，对于高于量程的电流，厂家往往估计不足。交流量的超量程输入会带来一系列后果，如烧坏装置的CT线圈、损伤AD芯片、内部寄存器溢出、程序走飞等等。
短路电流超量程是一个很隐蔽的问题，我们公司为此采用了特殊电流互感器和AD芯片前端钳位的方法，双管齐下，已成功地解决了这个问题。
但是由于成本或技术力量等原因，别的公司有可能未在装置上采取相应的措施，从而造成事故扩大化。我认为，这种问题最好在设计时解决，如果设计院在设计时把CT变比放大，比如说300/5，这样就可以从根本解决这个问题了。但是，CT变比放大，又会引发装置的采样分辨率的问题，因而要求保护装置具备较高的采样精度。
2.5 系统的通讯和集成
冶金行业供电系统规模大，需接入的智能设备多（如过程控制装置、整流设备等），信息量很大，系统集成工作量繁重，非常耽误工程进度。对这种情况，我公司提供智能规约转换模块，在每个智能设备上都安装一个智能规约转换器，将五化八门的智能设备规约转换为标准的IEC870－5－101规约，再通过网络汇总接入总控设备。这样，通讯系统就是一个即插即用系统，既省时省力，又提高了系统可靠性，个别系统的故障维护或升级都不影响其它装置的运行。
另外，现在流行的思路是各保护监控设备分散安装以降低投资，减化接线。由于冶金行业存在众多的电动机馈出线等设备，设备及厂站之间有时相距很短，有时又相距近千米以上。简单的分散安装会造成系统集成难度很大。同时，如果把所有的智能装置全部组成一个网络的话，通讯线路长，信息量大，接线也复杂，给施工和维护带来许多不便。
2.4 通讯网络系统图
我公司采用化整为零的思想，根据各设备的区域分布，将相对集中的部分设备构成一个子网，并视需要配备一个超小型分散总控模块，再通过网络将各分散总控模块互联，汇入统一的总控设备。参见图示网络图。
这种多级总线的网络，缩短了每级的网络距离，增强了抗干扰能力，也使个别系统故障时不会导致整个网络的瘫痪，提高了系统可靠性。
2.6 电动机保护
冶金行业不但异步电动机众多，还常常有不少同步电机。
现有厂家提供的异步电动机保护往往是基于电力系统内部的电动机运行状态出发而研制的，没有考虑到冶金行业电动机的特殊之处，缺少许多功能，例如起动控制保护（电机软起动、连续起动闭锁等）；而同步电机一般没有专用保护，设计时常采用电力系统上复杂的发电机保护替代，造价高，维护难，不易管理。
我们公司目前提供普通电动机保护装置，并正在研制开发新一代冶金专用的电动机保护装置，将同步机和异步机的常规保护综合成为一套完整的电机保护，目的是造价低，功能全。
经过调查和研讨，新型电机保护的功能基本上可以满足冶金系统的要求，其保护功能包括差动保护、过流保护（三段）、堵转保护、过热保护、负序过流保护（二段）、接地保护（二段）、过压保护、低压保护、低周保护、高周保护、失步保护、过负荷、起动控制、逆功率等。
2.7 备自投要求复杂
冶金行业多是电缆馈出线，所以一般不装设重合闸。为提高供电可靠性，往往需要装设备用电源自投装置。由于母线分段多，各母线供电备用容量有限，系统往往采用专用的备用母线或备用变压器，由统一的备自投装置来完成。冶金行业的系统复杂，备用电源自动投入时要考虑各种运行方式配合，还要与上级保护配合，有时还要联切电容器等设备，逻辑比电力系统内要复杂得多。
冶金行业供电系统中常见的备自投有多母线互备或专用备用母线等几种。
2.7.1 多母线互备
图2.5 多母线互备系统接线图
母线分段多，各相邻母线均可互备，但由于备用容量有限，不能同时提供两组母线备用，因此对备自投提出了复杂的可备用条件和互锁条件，目前我公司常规备自投设计时已充分考虑了备自投装置间的配合问题，可以解决这个难题。
2.7.2 一母备多母
有时，用户会增加一段备用母线，这样在设计时，可不考虑每条工作母线的热备用容量。参见下图所示的系统主接线图。在这种情况下，一段备用母线/变压器要给多段母线/变压器备用。
目前我公司根据一母多备的特点，设计出了专用的备自投，用单台备自投装置来完成几套常规备自投组合才能完成的功能。这样，大大简化运行维护，投资低，可靠性高。
图2.6 一母备多母系统接线图
上一页 下一页
|
