單母線分段10 kV系統中缺失母線壓變時的電壓轉換方案設計

劉 宇

[上海機場(集團)有限公司 虹橋國際機場公司, 上海 200335]

0 引 言

對于10 kV中壓系統,母線電壓是重要的電力運行數據,對于電力計量、繼電保護、系統運行監控、備自投裝置等都是必不可少的。因此在變電站設計安裝中,一般都在母線側設置獨立的PT柜來獲得母線電壓數據。但是在一些工程項目中,由于現場安裝空間限制,或者為了節省預算,會省略母線PT柜,造成母線電壓無法直接獲取,只能用進線電壓作為電力監控、繼電保護等的電壓測量依據。由于進線電壓在部分運行狀態下(如兩段母線通過分段聯絡開關供電時)并不等于母線電壓,因此需要通過轉換邏輯將進線電壓轉換為母線電壓使用。

本文討論實現了一種結構簡單的電壓轉換回路,實現了在沒有母線PT柜的情況下,正確推斷母線電壓值的作用。

1 無母線壓變的典型接線方式

以上海虹橋國際機場T1航站樓改造工程10/0.4 kV變電所為例。該變電所10 kV系統為單母線分段接線,共有兩路進線電源(1#進線、2#進線)、兩段母線。平時兩段母線分裂運行,當某一路進線電源檢修時,通過母線分段聯絡開關可由另一路電源為兩段母線供電。

無母線壓變的典型單母線分段系統接線方式如圖1所示。該變電站由于場地空間限制,無法配置母線PT柜,僅在進線斷路器前端配置進線線路PT。

圖1 無母線壓變的典型單母線分段系統接線方式

2 無母線壓變對配套機電設施的影響

2.1 對柴油發電機組投切邏輯的影響

對于供電保障要求較高的變電所,在站內一般配置有柴油發電機組作為備用電源。柴油發電機組的自動起動方式可通過多種方式實現。例如某水電站廠用電的柴油發電機組利用自動轉換裝置ATS給出起動信號[1];或通過將母線電壓信號接入DCS實現在線控制自起動[2]。以上應用方式,柴油發電機組起動信號來源都來自400 V系統,在失壓信號的采集上比較簡便。

對于系統無母線壓變的情況,通常設計將進線PT的無壓狀態作為柴油發電機組起動信號,即當一路10 kV進線電源失電時,柴油發電機組自動起動并處于熱備用狀態;當兩路10 kV電源均失電時,柴油發電機組投入系統輸出電能。上述設計為后續運行帶來隱患。當某一路進線電源失壓時,進線PT無壓,柴油發電機組確實能夠正常起動熱備用。但實際運行中一般會通過倒閘操作,使用分段聯絡開關對失壓的母線恢復供電。此時供電已經恢復,而柴油發電機組一直處于熱備用運行狀態,是非常不合理的。運行人員只能將柴油發電機組切換至手動狀態并操作停機,從而又導致柴油發電機組失去了作為備用電源的作用。

因此,柴油發電機組的起動信號應當以轉換獲得的等效母線電壓作為參考,而不應只參考進線PT的電壓。

2.2 對計量與繼電保護的影響

對于單母線分段系統,當兩段母線通過分段開關并列運行時,例如1#進線開關分閘,2#進線開關合閘,分段聯絡開關合閘時,兩段母線的實際電壓均等于2#進線電壓,此時計量與繼電保護的電壓測量僅參考母線自身對應的進線電壓,則會造成計量不準確、繼電保護漏報/誤報的現象。

因此,計量及繼電保護也應當使用等效轉換后的母線電壓。

3 等效母線電壓轉換設計原理

設計方案主要針對無母線壓變的單母線分段10 kV系統,系統中唯一可采集到的電壓測量信號為進線PT的電壓信號。

單母線分段系統在兩段母線分裂運行時,每段母線的母線電壓等于各自進線電源的電壓。而當分段聯絡開關合閘,兩段母線由同一路進線供電時,兩段母線的母線電壓都等于該進線電源電壓。因此,只需要根據進線斷路器、分段聯絡斷路器的分/合閘狀態,將相應的進線電壓作為邏輯上的等效母線電壓,即可獲得母線電壓數據。例如在香港Eastern Road變電站智能化改造工程中,就是在僅有進線PT的情況下,通過母線合并單元采集線路電壓和開關、刀閘位置信息,并經過邏輯運算處理獲得母線電壓[3]。而對于普通非智能化變電站,本文試圖通過簡單的繼電器組合來達到相似的目的。電壓轉換方案設計原理如圖2所示。

圖2 電壓轉換方案設計原理

4 等效母線電壓轉換設計方案

以上海虹橋國際機場T1航站樓改造工程10/0.4 kV變電所為例。

4.1 母線電壓與進線電壓關系分析

參照圖1中單母線分段系統,母線電壓與進線電壓的關系如表1所示。

表1 母線電壓與進線電壓的關系

某段母線電壓與進線電壓存在2種關系。

(1) 母線電壓等于某一路進線的進線電壓,至于具體是哪一路進線,需要根據各斷路器狀態進行邏輯選擇。

(2) 母線電壓完全失壓,不與任何一路進線電壓有關。這一情況發生在進線斷路器和分段斷路器同時分閘時。

如果沒有把上述2種情況完全考慮進去,則設計的電壓轉換回路無法完全反映母線電壓的實際情況。

4.2 電壓轉換回路設計

根據上述母線電壓與進線電壓關系的分析,設計一套模擬一次系統中單母線分斷的線路結構。電壓轉換回路設計圖如圖3所示。

圖3 電壓轉換回路設計圖

電壓轉換回路主要分為兩個部分:一是通過繼電器ZJ常開觸點將兩路進線PT的二次側聯通;二是在兩個進線PT的二次側最前端分別接入進線開關內部繼電器的常開信號回路,即圖3中的S1、S2。圖3中繼電器常開觸點,當繼電器線圈得電時繼電器常開觸點導通。

電壓轉換的邏輯主要需要判斷分段開關的分/合閘狀態,可通過斷路器分/合閘繼電器輸出信號,在DC 110 V控制回路中實現。控制回路設計如圖4所示。

圖4 控制回路設計

圖4中,S1、S2為兩路進線開關分/合閘狀態常閉觸點,當進線開關分閘時導通。設置S1、S2的目的為了給電壓轉換回路增加邏輯閉鎖,確保僅當至少有一路進線開關分閘時,才進行電壓轉換,防止兩路進線壓變二次側并列。

圖4中S3為分段開關內部繼電器的分/合閘狀態常開觸點,當分段斷路器合閘時S3導通。

4.3 運行方式

(1) 1#進線開關分閘、2#進線開關合閘、分段開關合閘時電壓轉換回路中1#進線開關常開信號回路S1保持斷開,2#進線開關常開信號回路S2閉合;控制回路中1#進線開關常閉觸點S1保持閉合、2#進線開關常閉觸點S2斷開、分段開關常開觸點S3閉合,回路導通,繼電器線圈得電;電壓轉換回路中繼電器常開觸點閉合,實現電壓轉換。此時,Ⅰ段母線電壓與Ⅱ段母線電壓均等于2#進線壓變電壓。

(2) 1#進線開關合閘、2#進線開關分閘、分段開關合閘時運行方式參照A),此時Ⅰ段母線電壓與Ⅱ段母線電壓均等于1#進線壓變電壓。

(3) 1#進線、2#進線開關均合閘、分段開關分閘時電壓轉換回路中1#進線、2#進線開關常開信號回路S1、S2閉合,控制回路斷開,此時不進行電壓轉換。Ⅰ段母線電壓等于1#進線壓變電壓,Ⅱ段母線電壓等于2#進線壓變電壓。

4.4 信號接入設計

對于柴油發電機組聯動信號,柴油發電機組需要同時獲取兩段母線電壓值,作為怠速熱備用、運行投切的判斷依據。因此,聯動信號需要采用經過電壓轉換回路之后的等效母線電壓,即分別從圖3中的1YMa、1YMb、1YMc以及2YMa、2YMb、2YMc中接出。

對于計量、繼電保護等電壓信號,同樣需要獲取母線的實際電壓。因此,電壓信號需要采用經過電壓轉換回路之后的等效母線電壓,即分別從圖3中的1YMa、1YMb、1YMc以及2YMa、2YMb、2YMc中接出。

5 電壓轉換方案局限性

設計的電壓轉換方案可間接通過進線PT獲得母線電壓,但系統中缺失母線PT。隨著電氣運行控制設備越來越精細化、智能化,將會對未來新技術的改造升級帶來阻礙。

以ABB公司的SUE3000快速切換設備為例:該設備的功能類似于普通備自投,但由于其100 ms內快速切換的特性(同時向進線開關、聯絡開關發出分合閘信號,從而實現快速切換,利用斷路器分/合閘動作的時間差來避免進線電源并列),需要對母線殘壓進行實時采樣,從而判斷不同母線電壓的相位同步情況,避免操作過電壓[4]。這一類應用場景下電壓轉換無法滿足其要求。

6 結 語

無母線PT的系統設計不常見,因此在系統設計安裝時常常會遇到調試上的問題。通過本方案進行電壓轉換,可以僅利用進線PT,在不必另外新增母線PT的情況下,獲取母線的當前電壓。同時還能解決無母線PT系統中遇到的柴油發電機組、電力監控、計量、繼保等次生問題。該方案實現方式簡單,在系統各種運行方式下都能對母線電壓進行正確轉換,適用于因場地、資金限制而未配置母線PT柜的各類單母線分段系統。