基于MACH2系统非电量“三取二”保护的工程实现

【摘要】本文对MACH2系统非电量“三取二”保护进行了研究分析，通过与现有的几种非电量保护进行对比分析，并结合生产实际，提出在江陵换流站进行非电量保护改造，并通过现场试运行证明了方法的可行性。

【关键词】非电量保护;单重化;双重化;三取二

1.引言

换流变压器和平波电抗器是高压直流输电系统的核心设备，除了设置电量保护作为保护，同时还设备了数量众多的非电量保护。非电量保护作为换流变和平抗的重要保护，可直接出口跳闸，其可靠性尤为重要，处理非电量保护的优化设置问题有利于提高保护系统的可靠性[1]。

为了提高换流站非电量保护的可靠性，根据国家电网公司生产技术部要求，湖北电力公司在2012年对江陵换流站实施了非电量保护的三取二改造。通过对已有的几种非电量保护设计方案进行分析对比，并结合江陵换流站的实际情况，确定了完全双重化的功能三取二保护方案，实现了江陵站换流变和平抗设备的瓦斯、油流等非电量继电器的三取二改造。实现“三取二”保护方案极大地提高了高压直流输电系统的可靠性，有效降低了换流站非计划停电的几率。

2.现有的几种非电量保护配置方案

（1）非电量保护单重化方案

在早期的高压直流输电工程中，对设备非电量保护的重要性认识不足，设备的非电量保护主要是采用单重化的保护设计。图1为单重化保护的原理图。

图1 单重化保护的原理图

单重化保护配置方案中，从设备非电量继电器（如换流变本体瓦斯继电器）接点来的信号进入非电量保护装置，经过保护装置重动后出口跳闸及报警信号。

单重化保护配置存在明显的缺点：

1）非电量继电器单一接点的误动将导致跳闸出口，引起直流系统非计划停运。

2）任意单一保护元件（如继电器、非电量保护装置、信号电缆等）的故障，将导致直流系统的拒动或误动。

国家电网公司统计了2002年以來高压直流输电工程因换流变压器非电量保护误动导致直流系统非计划停运的情况，统计研究结果表明，换流变压器非电量保护误动的重要原因之一就是非电量保护逻辑设计不合理，缺乏防止误动的措施[2]。

（2）非电量保护双重化方案

由于单重化保护配置在实际运行中存在明显的缺陷，因此高压直流输电工程一般采用非电量保护双重化配置方案。非电量保护双重化方案的原理图如图2所示。

图2 双重化保护的原理图

双重化保护配置方案中，利用扩展继电器对设备非电量继电器的接点信号进行扩展，分别送至两套独立的非电量保护装置，两套独立的非电量保护装置对继电器接点信号进行逻辑判断并出口跳闸和报警信号。

双重化保护配置比单重化保护装置增加了一套保护装置，使得保护防拒动的水平得到了极大的提高。

（3）非电量三取二保护方案

直流系统的重要性要求保护具有极高的防误动和拒动的能力[3]，而“三取二”保护逻辑具有较高的可靠性，因此在目前的高压直流输电系统中非电量保护更多地使用“三取二”配置方案。在“三取二”保护配置方案中，设备的非电量继电器至少提供三副独立的跳闸接点，保护装置对接点信号进行判断，三副接点中至少有两副接点动作，才出口跳闸。

采用“三取二”保护方案，当一副接点误动作时，保护并不出口跳闸，因此能有效防止保护误动。当其中一副接点因故障而不动作，此时如果另外两副接点正常动作，保护仍能正确出口跳闸，因此能有效地防止保护拒动。

目前工程中采用的典型的“三取二”保护方案分为出口三取二和功能三取二两类。

1） 出口三取二

出口三取二的原理图如图3所示。在出口三取二保护配置方案中，设备的每一个非电量继电器（如换流变的本体瓦斯继电器和有载调压瓦斯继电器等）提供三副跳闸接点，每副接点信号分别上送至三套同样的非电量保护装置中，每一台保护装置对每个继电器发送的一副接点信号进行开入处理并出口保护。在三台保护装置的出口配置有“三取二”模块，对三台保护装置的出口信号进行逻辑判断，若同时有两台保护装置出口跳闸，则出口跳闸。

图3 出口三取二保护的原理图

2）功能三取二

功能三取二的原理图如图4所示。在功能三取二保护配置方案中，设备的每一个非电量继电器提供三副跳闸接点，设备所有继电器的三副跳闸接点同时上送至“三取二”非电量保护装置。保护装置对开入的接点信号进行逻辑判断，只有当同一个非电量信号的三副接点中至少有两副接点动作时，保护装置才出口跳闸。

图4 功能三取二保护的原理图

与出口三取二方案相比，功能三取二方案具有以下优点：

可靠性更高。两种方案均能有效防止同一继电器其中一副接点误动作而导致的保护误动作。但是当设备两台不同的继电器同时有一副接点因故障而误动作时，出口三取二会发生保护误动作，而功能三取二不会因此而误动作，因此放误动的可靠性更高。

因此在实际工程应用中普遍采用功能三取二方案。

实际工程中，为体现换流变压器非电量保护的灵敏性、选择性、可维护性和高可靠性，一般采用完全双重化的“三取二”逻辑保护配置方案。基于功能三取二的完全双重化三取二方案的原理图如图5所示。

图4 电源三重化保护的原理图

使用完全双重化三取二方案，非电量保护的三副接点同时分别送入两套相同的三取二非电量保护装置，两套保护装置独立进行三取二判断，并出口保护信号。当其中一套三取二非电量保护装置发生故障拒动，另一套保护装置仍能正确出口保护，能有效防止保护拒动。

3.工程应用

江陵换流站非电量三取二改造方案：

进行非电量保护改造前，江陵换流站的换流变、平波电抗器等设备的非电量保护存在瓦斯继电器可靠性差、油流继电器存在误动隐患等问题。另外换流变、平抗非电量继电器仅有两副跳闸接点，继电器的任一跳闸接点动作均使会直接出口，继电器和装置故障导致单极闭锁风险较大。根据国家电网公司生产技术部要求，湖北电力公司在2012年换流站年度大修期间，实施江陵换流站非电量保护改造。

图5 改造前非电量保护图

图6 改造后非电量保护图

为提高瓦斯和油流继电器动作可靠性，江陵换流站计划更换为具有三副独立跳闸接点的瓦斯和油流继电器，采用三取二出口模式，从源头及保护逻辑两方面彻底消除非电量保护继电器单一接点故障误动隐患。

改造中计划对原有的继电器进行更换，对非电量保护逻辑进行改造，包括回路改造、增加板卡、更改程序实现三取二功能。

改造前的非电量保护原理图如图5所示。改造前设备非电量继电器有两副跳闸接点，上送ETCS（Electronic Transformer Control System），经保护逻辑判断后，上送极控制保护屏PCP，出口跳闸和报警。其中任何一副接点动作，保护都将出口跳闸。

改造后的非电量保护原理图如图6所示。改造后设备非电量继电器有三副跳闸接点，接点信号上送ETCS，在ETCS内经过三取二逻辑判断，只有当继电器的至少两副接点动作，才上送跳闸信号至PCP，出口跳闸和报警。继电器仅一副接点动作，保护不出口跳闸。

4.总结

高压直流输电中换流变和平抗等设备的非电量保护“三取二”方案，能有效降低非电量保护误动、拒动的概率，是现阶段高压直流输电系统非电量保护冗余方式的较好选择。

通过对已有的几种非电量保護设计方案进行分析对比，并结合江陵换流站的实际情况，对江陵已有的非电量保护进行了三取二改造，大大降低了换流站非电量保护非计划停运概率，增加了直流系统运行可靠性，确保了跨区电网安全稳定运行。

参考文献

[1]曹志辉，彭春燕.变压器非电量问题分析[J].变压器，2010，

47（8）：51-54.

[2]杨振东，宁波，谭静.换流变压器非电量保护误动原因分析及解决措施[J].华中电力，2010，23（5）：52-55.

[3]Bie Z H.Integration ofAlgorithmic and Heuristic Tech2niques forTransition2optimised Voltage andReactive Pow2erControl[J].IEEE Proceedings on Gener， Transm andDistrib，2006.

作者简介：曹亮（1975—），男，工程师，长期从事直流控制保护系统的研究工作。