小水电高周高压保护装置研发

张伟军

摘 要：随着经济的发展，我国电力产业也逐日提升，小水电接入上网的数目与日俱增。在小水电地区，易发生主供线路跳闸，小水电形成孤网运行导致过电压现象发生，从而烧毁用户用电设备的事故。为解决这一问题，对小电源解列装置进行研究，开发出一种针对此现象的新型小水电高周高压保护装置。文章从分析孤网运行的高周高压原理出发，进而介绍了研发原理和装置的主要功能，简要地对该新型装置进行了介绍，希望能使读者对新型小水电高周高压保护装置有一定的了解。

关键词：小水电；保护装置；研发

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0010-02

1 概 述

韶关新丰地区位于我国南部，属于降雨较为丰富的亚热带季风气候。且地区内变电站由于水电装机容量高（约为142 MW），并有大量变电站有水电上网，约有近300个小水电站接入上网。这些原因导致变电站发生馈线解列，连接至馈线上的负荷减小。同时，水电运行过程中出力不变，小水电站在工作过程中功率不平衡且电压升高，产生了过电压现象。过电压现象的发生曾导致用电用户的大量电器被烧毁，造成了严重的经济损失，电站因此遭到了用户的投诉。除此之外，过电压的发生也带来了很大的安全隐患，影响电网的检无压重合闸动作。10 kV公用线路的一次示意图，如图1所示。

小水电站发电机自身带有过电压保护装置，用于处理过电压产生造成的隐患。该过电压保护装置工作原理是：预先设定过电压值，当小水电馈线上电压达到预设电压值时，装置会进行切机，将小水电切掉。但是，这种方式存在一个很大的弊端，在正常工作下容易产生误动，且误动之后难以再次将发电机并网。通过从计量自动化系统获取的数据分析，可以发现由于功率输送方向限制，发电端电压高于负荷端。由于线路末端有小电源上网，线上电压出现抬升现象。当线路足够长，电压会随线路太高，当抬至过保护装置预设电压值时，小水电就会被装置切断。水电站因此损失发电量和额外增加并网工作，选择退出保护，导致线路跳闸后无法切机。既要在线路跳闸后快速切除小水电，又要在正常方式下不发生误动作，现有的单一过电压保护装置无法满足上述要求。为达到及时切机还能拥有较高的动作可靠率，我们研发了一种新型的小水电高周高压保护装置。

2 孤网运行的高周高压原理分析

通过对小水电地区进行调查，我们通过简化水电站并网系统运行模型，类比孤网运行系统，在理论上分析孤网运行的高压高周原理。

水轮机转子运动方程如下：

式（1）中J物理意义为水轮机转子的转动惯量，？棕物理意义为转子的角速度，即为转子角速度的变化率，Pm物理意义为发动机机械功率，Pe物理意义为发动机电磁功率。由式（1）我们可以知道，发动机机械功率和电磁功率的差值变化会引起水轮机转子转动速度变化，进而影响了孤网运行的频率。在小水电站正常运行的情况下，水轮机转子的发动机机械功率和电磁功率是相等的，此时转子角速度变化率为0。当小水电站断开时形成了孤网运行，此时发动机机械功率暂时保持，而发动机电磁功率会由于孤网运行而有明显下降，这将导致Pm-Pe>0，转子角速度变化率变大，使得转子角速度增加，从而增大了孤网运行频率。

式（2）中R、X分别为线路的等值电阻和电抗，P、Q分别为线路接带的有功功率和无功功率；VN为线路负荷侧电压。小水电串接入水电站后，10 kV馈线上发生有功功率和无功功率向母线倒送的情况。一旦遇到线路发生保护动作跳闸，该倒送过程无法完成，小水电的有功功率和无功功率无法被传送，负荷点处的电压因此被抬高。当一些地区由于故障而形成孤网运行时，过剩的功率无法倒送，会发生高周高压的情况。

3 装置研发的理论设计过程

3.1 提高保护装置的可靠性

当系统电压发生波动时，传统的过电压保护装置易发生误动作。造成这一问题的主要原因是判定依据过于单一，只有电压值为判据，一旦线路电压达到预设电压值时就会进行动作。为解决这一问题，我们将过电压保护装置改进为高频高压保护装置，采取将电压值和频率值共同作为是否切机的判别依据，只有当电压波动和频率波动共同发生时才会发生解列。这样当跳闸没有出现时就不会发生误动。通过增加动作发生的判别依据，解列装置的可靠性有了很大的提升。

3.2 提高保护装置的快速性

在研发时的录波分析过程中，我们注意到频率每增加1Hz需要大约1秒的时间，而电压变化是瞬时的，高频高压保护装置动作的速度较慢。若电压发生变化时，高频高压保护装置未及时发生动作，仍然有可能烧坏用户的用电设备。在经过讨论以后，我们决定保留一组过压保护装置，为这组过压保护装置设定一个较高的电压值，一旦电压超过了该值就可进行切机工作，无需等待频率变化。增加了这一改进后，保护装置的快速性也得到了保证。

3.3 提高保护装置的灵敏性

我们注意到，保护装置存在一种特殊使用情况，即跳闸后出力与负荷均衡、孤网运行时，电压变化不够明显。这种情况下虽然不会产生过电压烧坏用户的用电设备，但频率发生波动，供电质量较低，而且影响了重合闸的动作。因此我们还针对孤网运行配置了一套频率解列保护，当频率超过限定值时，可经延时断开发电机开关。这样新型小电源解列装置的灵敏性得到了有效的提高。

通过对跳闸后严重过电压、一般过电压、没有过电压这三种情况均做了相应的保护动作。产生严重过电压，要快速切机；一般过电压，要可靠切机；没有过电压，孤网运行，要灵敏切机。保护装置的动作逻辑图，如图2所示。

3.4 试点运行后的改良

①高周高压保护装置在正常工作的情况下，装置显示频率存在1Hz的波动。经过讨论后，我们认为产生这种现象的原因是在开发装置的过程中，我们使用的采样电压质量较高，因此频率采样算法的滤波考虑不足，而在实际的水电站中电压有谐波干扰。通过扩大采样周期，增加一倍采样点，最终使正常工作时的频率波动控制在0.2 Hz内。

②装置电源取自电路，当发生高达380 V的过电压时解列装置也会被烧毁，将无法达到保护的效果。在解列装置内部内置电力电子变换模块及配合调制算法，使装置稳压范围变宽。在耐压实验中，解列装置在400 V交流电源下，能正常运作至少2～3 min。

③高周高压保护装置与传统过电压保护装置相比，功能更加完善成本也相应提高。为平衡电站的投入成本，对装置内部结构进行扩充，增加电压采集、跳闸出口接点，改进算法。

4 高周高压保护装置的主要功能

保护装置使用了整体面板及多种安装结构，装置选用了智能高速CPU芯片进行计算，配有一路跳闸出口，安装时需要配合高压自动化开关进行安装，把高周高压保护装置的跳闸出口接点并接在自动化开关的跳闸接点就可以，如图3所示。交流输入方式有两种，分别是单相电压输入和两相电压输入，根据实际情况进行选择，装置对频率与电压量的判据条件也应当根据实际情况进行相应的调整。为防止由于电气化电路、冲击负荷或是电力系统发生故障等问题导致解列装置发生误动或是拒动现象，我们在装置的直流电源输入端增设了专用的电源滤波器，除此之外，还增设了二阶无源滤波器和二阶有源滤波器至交流滤波回路中。

新型高周高压保护装置的主要功能如下：

①能测量装置安装处的主线和支线电压、频率及它们的变化率。

②在电力系统有些地区电网由于有功功率过剩引起频率上升时，装置根据频率升高值自动切除水电站支线。

③本装置具有高周高压保护控制功能，配置两段式高周、高压保护，具有继电器跳闸出口和信号报警出口继电器。

5 结 语

针对当前小水电地区的孤网运行时高周高压造成用户用电设备烧毁，电网的重合闸动作受到影响等问题，研发了一种新型高周高压保护装置。该装置在已有的过保护装置上进行了相应的改进，当变电站10 kV馈线开关跳闸，馈线电压频率升高时，能及时将小水电解列，保护用户用电设备。现阶段，该新型解列装置已投入试点使用，有效地解决了系统发生电压波动时装置发生误动现象，也有效避免了小水电上网地区用电用户电器被过电压烧毁的投诉，为重合闸方式提供满足的条件，缩短线路复电时间，提高了电网的供电可靠性，减轻水电站监管工作压力，保障水电站的经济效率，整体上来说，使用效果良好。

参考文献：

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