单母线分段10 kV系统中缺失母线压变时的电压转换方案设计

刘 宇

[上海机场(集团)有限公司 虹桥国际机场公司, 上海 200335]

0 引 言

对于10 kV中压系统,母线电压是重要的电力运行数据,对于电力计量、继电保护、系统运行监控、备自投装置等都是必不可少的。因此在变电站设计安装中,一般都在母线侧设置独立的PT柜来获得母线电压数据。但是在一些工程项目中,由于现场安装空间限制,或者为了节省预算,会省略母线PT柜,造成母线电压无法直接获取,只能用进线电压作为电力监控、继电保护等的电压测量依据。由于进线电压在部分运行状态下(如两段母线通过分段联络开关供电时)并不等于母线电压,因此需要通过转换逻辑将进线电压转换为母线电压使用。

本文讨论实现了一种结构简单的电压转换回路,实现了在没有母线PT柜的情况下,正确推断母线电压值的作用。

1 无母线压变的典型接线方式

以上海虹桥国际机场T1航站楼改造工程10/0.4 kV变电所为例。该变电所10 kV系统为单母线分段接线,共有两路进线电源(1#进线、2#进线)、两段母线。平时两段母线分裂运行,当某一路进线电源检修时,通过母线分段联络开关可由另一路电源为两段母线供电。

无母线压变的典型单母线分段系统接线方式如图1所示。该变电站由于场地空间限制,无法配置母线PT柜,仅在进线断路器前端配置进线线路PT。

图1 无母线压变的典型单母线分段系统接线方式

2 无母线压变对配套机电设施的影响

2.1 对柴油发电机组投切逻辑的影响

对于供电保障要求较高的变电所,在站内一般配置有柴油发电机组作为备用电源。柴油发电机组的自动起动方式可通过多种方式实现。例如某水电站厂用电的柴油发电机组利用自动转换装置ATS给出起动信号[1];或通过将母线电压信号接入DCS实现在线控制自起动[2]。以上应用方式,柴油发电机组起动信号来源都来自400 V系统,在失压信号的采集上比较简便。

对于系统无母线压变的情况,通常设计将进线PT的无压状态作为柴油发电机组起动信号,即当一路10 kV进线电源失电时,柴油发电机组自动起动并处于热备用状态;当两路10 kV电源均失电时,柴油发电机组投入系统输出电能。上述设计为后续运行带来隐患。当某一路进线电源失压时,进线PT无压,柴油发电机组确实能够正常起动热备用。但实际运行中一般会通过倒闸操作,使用分段联络开关对失压的母线恢复供电。此时供电已经恢复,而柴油发电机组一直处于热备用运行状态,是非常不合理的。运行人员只能将柴油发电机组切换至手动状态并操作停机,从而又导致柴油发电机组失去了作为备用电源的作用。

因此,柴油发电机组的起动信号应当以转换获得的等效母线电压作为参考,而不应只参考进线PT的电压。

2.2 对计量与继电保护的影响

对于单母线分段系统,当两段母线通过分段开关并列运行时,例如1#进线开关分闸,2#进线开关合闸,分段联络开关合闸时,两段母线的实际电压均等于2#进线电压,此时计量与继电保护的电压测量仅参考母线自身对应的进线电压,则会造成计量不准确、继电保护漏报/误报的现象。

因此,计量及继电保护也应当使用等效转换后的母线电压。

3 等效母线电压转换设计原理

设计方案主要针对无母线压变的单母线分段10 kV系统,系统中唯一可采集到的电压测量信号为进线PT的电压信号。

单母线分段系统在两段母线分裂运行时,每段母线的母线电压等于各自进线电源的电压。而当分段联络开关合闸,两段母线由同一路进线供电时,两段母线的母线电压都等于该进线电源电压。因此,只需要根据进线断路器、分段联络断路器的分/合闸状态,将相应的进线电压作为逻辑上的等效母线电压,即可获得母线电压数据。例如在香港Eastern Road变电站智能化改造工程中,就是在仅有进线PT的情况下,通过母线合并单元采集线路电压和开关、刀闸位置信息,并经过逻辑运算处理获得母线电压[3]。而对于普通非智能化变电站,本文试图通过简单的继电器组合来达到相似的目的。电压转换方案设计原理如图2所示。

图2 电压转换方案设计原理

4 等效母线电压转换设计方案

以上海虹桥国际机场T1航站楼改造工程10/0.4 kV变电所为例。

4.1 母线电压与进线电压关系分析

参照图1中单母线分段系统,母线电压与进线电压的关系如表1所示。

表1 母线电压与进线电压的关系

某段母线电压与进线电压存在2种关系。

(1) 母线电压等于某一路进线的进线电压,至于具体是哪一路进线,需要根据各断路器状态进行逻辑选择。

(2) 母线电压完全失压,不与任何一路进线电压有关。这一情况发生在进线断路器和分段断路器同时分闸时。

如果没有把上述2种情况完全考虑进去,则设计的电压转换回路无法完全反映母线电压的实际情况。

4.2 电压转换回路设计

根据上述母线电压与进线电压关系的分析,设计一套模拟一次系统中单母线分断的线路结构。电压转换回路设计图如图3所示。

图3 电压转换回路设计图

电压转换回路主要分为两个部分:一是通过继电器ZJ常开触点将两路进线PT的二次侧联通;二是在两个进线PT的二次侧最前端分别接入进线开关内部继电器的常开信号回路,即图3中的S1、S2。图3中继电器常开触点,当继电器线圈得电时继电器常开触点导通。

电压转换的逻辑主要需要判断分段开关的分/合闸状态,可通过断路器分/合闸继电器输出信号,在DC 110 V控制回路中实现。控制回路设计如图4所示。

图4 控制回路设计

图4中,S1、S2为两路进线开关分/合闸状态常闭触点,当进线开关分闸时导通。设置S1、S2的目的为了给电压转换回路增加逻辑闭锁,确保仅当至少有一路进线开关分闸时,才进行电压转换,防止两路进线压变二次侧并列。

图4中S3为分段开关内部继电器的分/合闸状态常开触点,当分段断路器合闸时S3导通。

4.3 运行方式

(1) 1#进线开关分闸、2#进线开关合闸、分段开关合闸时电压转换回路中1#进线开关常开信号回路S1保持断开,2#进线开关常开信号回路S2闭合;控制回路中1#进线开关常闭触点S1保持闭合、2#进线开关常闭触点S2断开、分段开关常开触点S3闭合,回路导通,继电器线圈得电;电压转换回路中继电器常开触点闭合,实现电压转换。此时,Ⅰ段母线电压与Ⅱ段母线电压均等于2#进线压变电压。

(2) 1#进线开关合闸、2#进线开关分闸、分段开关合闸时运行方式参照A),此时Ⅰ段母线电压与Ⅱ段母线电压均等于1#进线压变电压。

(3) 1#进线、2#进线开关均合闸、分段开关分闸时电压转换回路中1#进线、2#进线开关常开信号回路S1、S2闭合,控制回路断开,此时不进行电压转换。Ⅰ段母线电压等于1#进线压变电压,Ⅱ段母线电压等于2#进线压变电压。

4.4 信号接入设计

对于柴油发电机组联动信号,柴油发电机组需要同时获取两段母线电压值,作为怠速热备用、运行投切的判断依据。因此,联动信号需要采用经过电压转换回路之后的等效母线电压,即分别从图3中的1YMa、1YMb、1YMc以及2YMa、2YMb、2YMc中接出。

对于计量、继电保护等电压信号,同样需要获取母线的实际电压。因此,电压信号需要采用经过电压转换回路之后的等效母线电压,即分别从图3中的1YMa、1YMb、1YMc以及2YMa、2YMb、2YMc中接出。

5 电压转换方案局限性

设计的电压转换方案可间接通过进线PT获得母线电压,但系统中缺失母线PT。随着电气运行控制设备越来越精细化、智能化,将会对未来新技术的改造升级带来阻碍。

以ABB公司的SUE3000快速切换设备为例:该设备的功能类似于普通备自投,但由于其100 ms内快速切换的特性(同时向进线开关、联络开关发出分合闸信号,从而实现快速切换,利用断路器分/合闸动作的时间差来避免进线电源并列),需要对母线残压进行实时采样,从而判断不同母线电压的相位同步情况,避免操作过电压[4]。这一类应用场景下电压转换无法满足其要求。

6 结 语

无母线PT的系统设计不常见,因此在系统设计安装时常常会遇到调试上的问题。通过本方案进行电压转换,可以仅利用进线PT,在不必另外新增母线PT的情况下,获取母线的当前电压。同时还能解决无母线PT系统中遇到的柴油发电机组、电力监控、计量、继保等次生问题。该方案实现方式简单,在系统各种运行方式下都能对母线电压进行正确转换,适用于因场地、资金限制而未配置母线PT柜的各类单母线分段系统。