抽水蓄能保護開關位置信號采用擴展接點的風險分析

趙補石， 賀儒飛， 畢智偉， 王方

(1. 南方電網調峰調頻發電有限公司， 廣東 廣州510950；2. 湖南省湘電試驗研究院有限公司， 湖南 長沙410004；3. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007)

0 引言

抽水蓄能電站是促進新能源消納, 推動新型能源戰略的關鍵力量[1-2], 由于新能源場站的負荷存在不確定性和隨機波動性, 電力負荷峰谷特性更加復雜, 抽水蓄能機組工況轉換更加頻繁[3-4], 機組及變壓器保護的投退頻率也隨之增多。 抽水蓄能機組及主變壓器保護系統需要判別機組運行工況[5-6], 以自動投退相應的保護[7-10], 這是抽水蓄能保護的基本技術要求。 其工況判別目前的主流方法是采集機組主回路上的各個開關刀閘的位置信號, 由位置特征來判別運行工況。 開關刀閘的位置信號一般取自開關刀閘自身的位置輔助接點, 但這些接點的數量往往是有限的, 因此需要采用重動繼電器對接點進行擴展。 在某些抽水蓄能電廠, 部分保護設備就采用了擴展接點, 但是這種方式會給保護帶來一定的誤動風險。

1 基本情況

某抽水蓄能電站采用ABB 公司生產的GCB(Generator Circuit Breaker, 發電機出口斷路器),其機構本體直接提供的分位輔助接點有12 付,由于機組的勵磁、 調速器、 監控、 保護、 電氣閉鎖等多個二次控制保護系統都需要用到分位接點, 且往往這些系統都是雙重化[11], 甚至三重化配置, 所以造成本體位置輔助接點數量不夠用, 誤動風險高[12-15]。 以主變保護B 套為例, 該保護需要采集GCB 的分位位置信號, 由于GCB 自帶的分位輔助接點數量不夠, 故采用了擴展接點。 如圖1 所示, GCB 分位、 合位接點接至擴展繼電器K602、 K602 的61-62 常閉接點再接入主變保護B套, 該分位信號主要用于主變差動保護的動作邏輯。

圖1 主變保護B 套采用CCB 分位擴展接點示意圖

1.1 GCB 位置接點動作行程

圖2 為GCB 位置輔助接點動作行程圖, 黑色表示閉合, 白色表示斷開。 如果從GCB 主觸頭位置來區分, 主觸頭斷開表明GCB 一次回路處于分位, 主觸頭合上表明GCB 一次回路處于合位, 所以主觸頭的分合代表了GCB 的實際位置。 但GCB位置輔助接點并不安裝在主觸頭上, 而是安裝在GCB 操動機構上, 其動作行程與GCB 主觸頭行程不完全同步, 主觸頭變位與位置輔助接點變位不在同一時刻, 存在一定超前或滯后, 主觸頭位置分界點實際處于位置輔助接點的合位和分位之間。 而保護不可能直接檢測主觸頭位置, 只能檢測位置輔助接點的信號, 也就是說, 在GCB 分合過程中, 保護測得的GCB 位置, 必然會出現一段時間的過渡過程, 既不在合位也不在分位。

圖2 GCB 位置輔助接點動作行程圖

1.2 主變差動保護動作邏輯

抽水蓄能機組的主變壓器保護通常安裝有大差和小差兩種差動保護, 其中大差保護的保護范圍包括GCB。 當機組未并網時, 即抽水蓄能機組換相刀分閘位置＝1 或GCB 分閘位置＝1, 機端電流不流經主變(如變頻啟動和電氣制動過程), 機端電流不計入大差保護的差流計算。 保護裝置對開關刀閘位置等開入信號的變位, 通常設置有10 ms的防抖延時, 即信號翻轉之后, 需經過10 ms 才能夠正式確認信號的狀態。 另外, 主變差動保護差流值達到動作值后, 一般要經過20 ～30 ms 的運算處理, 保護才會動作出口。 而當機組已經并網, 機端電流會流過主變, 如果主變大差保護還沒有計入機端電流, 由于機端電流缺失造成的差流有可能達到動作門檻(取決于機端電流的大小), 則保護會在20 ms后動作。 可見, GCB 位置信號的變位延時與保護的動作邏輯密切相關, GCB 位置信號與機端電流的變化應保持同步, 兩者的時間差越小越好。

2 采用GCB 本體位置輔助接點的動作行為分析

2.1 開關由分到合過程分析

如圖3 所示, t1為分位接點由閉合到斷開的時刻, t2為主觸頭由斷開到合上的時刻, t3為合位接點由斷開到閉合的時刻。 在GCB 合閘操作過程中,t1時分位接點首先斷開, 經10 ms 防抖延時, 即t1+10 ms時, 保護經防抖延時確認GCB 分閘位置＝0, 機端電流開始計入差流。 t2時主觸頭閉合, 機端開始流過并網沖擊電流, 如果t1+10 ms＞t2, 則從t2至t1+10 ms 這端時間內, 機端電流尚未計入差流, 但實際已有電流故差流可能超過動作門檻。但差動保護至少需要20 ms 才能動作。 因t2＞t1, 故t1+10 ms-t2＜20 ms, 差流不足以維持20 ms, 如圖4所示。 主變差動保護即使已經啟動, 仍然會在20 ms內復歸, 差動保護不會誤動。

圖3 GCB 本體位置接點動作行程與電流 變化時序圖

圖4 采用本體接點差動保護動作時序圖

2.2 開關由合到分過程分析

GCB 分閘操作過程中, 由于分位接點閉合晚于GCB 主觸頭分斷, 即晚于機端電流切除, 當機端電流不計入差流時, 機端確已無電流, 因此差動保護不會誤動。

綜上, 采用GCB 本體位置輔助接點時, 無論GCB 由分到合, 還是由合到分, 差動保護均不會誤動。

3 采用GCB 位置擴展接點動作行為分析

3.1 開關由分到合過程分析

如圖5—6 所示, t1、 t2、 t3代表的意義同圖3,t4為擴展分位接點由閉合到斷開的時刻。 GCB合閘操作過程中, t1時GCB 本體分位接點首先斷開, t2時主觸頭閉合, 機端流過并網沖擊電流, 開始產生差流。 由于采用了雙穩態繼電器的常閉接點作為分位擴展接點, 至t3時GCB 本體合位接點閉合, 雙穩態繼電器K602 勵磁才能狀態翻轉, 再經一定的繼電器動作時間(一般為10～20 ms), 直至t4時繼電器內的擴展分位接點才斷開, 再經10 ms防抖延時, 保護才判斷GCB 分閘位置＝0, 將機端電流計入差流后差流消失。 從t2開始有差流直到t4+10 ms 差流消失, 經過了較長的時間, 完全有可能超過差動保護的動作時間20 ms, 即(t4+10 ms)-t2＞20 ms, 這樣就有可能造成差動保護誤動作。

圖5 GCB 擴展分位接點動作行程與電流 變化時序圖

圖6 采用擴展接點差動保護動作時序圖

3.2 開關由合到分過程分析

開關分閘過程中, 由于擴展分位接點需要在本體分位接點閉合使位置繼電器狀態翻轉之后才能閉合, 那么一定會晚于機端電流切除, 且晚于本體分位接點閉合, 機端電流將一直計入差流計算直至確認擴展分位接點已變位, 保護不會誤動, 也不存在拒動風險。

綜上, 采用GCB 擴展位置接點時, GCB 由分到合, 差動保護有較大誤動風險, 由合到分, 差動保護不會誤動。

4 避免保護誤動的應對措施

通過對GCB 開關位置原生接點和擴展接點動作行為分析可知, 抽水蓄能保護的開關位置信號如果采用擴展接點, 受動作行程和動作時序的影響,會導致較高的誤動風險。 在本例中, 機組并網過程中在GCB 開關由分至合過程中, 由于擴展分位接點斷開較慢, 大大滯后于機端電流出現, 差動保護容易誤動, 而采用本體輔助接點則無此隱患。 為消除采用擴展接點帶來的誤動風險, 確保在開關切換過程中保護不發生誤動, 電站對各臺機組的開關接點回路進行全面篩查和整改, 一些原本采用了本體接點但對時滯要求不高的回路改為采用擴展接點,留出本體接點給保護回路用, 而保護回路原采用了擴展接點的全部改為本體接點, 消除誤動隱患, 提高保護動作可靠性。

5 結語

抽水蓄能保護判別運行工況需要判斷開關位置, 實際工程應用中, 有采用開關本體位置輔助接點信號及擴展位置接點信號這兩種做法。 開關位置信號變位與開關實際位置變化相比存在一定時差,當采用擴展接點時, 時滯大幅增加, 保護不能及時判別出工況的變化, 無法執行正確的動作邏輯, 從而使保護存在誤動或拒動風險, 為避免保護不正確動作, 建議: ①開關刀閘設備選型時原生接點的數量預留應充足, 以滿足控制保護設備的需要。 ②盡量采用開關刀閘位置的本體接點, 避免采用擴展接點。 原來已經采用了擴展接點的, 如具備條件應進行技改更換為本體接點, 或采取其他有效防誤措施, 例如延長保護動作時間或抬高動作門檻, 但有可能會造成保護性能降低。 ③抽水蓄能保護設計時要注意保護的動作邏輯和工況判別條件, 充分考慮開關刀閘位置轉換過程中的狀態變化對保護動作行為的影響。