集成热工功能的调相机组非电量保护装置设计

孙仲民 张晓宇 莫品豪 郑 超 顾乔根

集成热工功能的调相机组非电量保护装置设计

孙仲民 张晓宇 莫品豪 郑 超 顾乔根

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

为了将调相机工程中的热工保护与分散控制系统解耦，并进一步提高热工保护的可靠性，需要将热工保护功能迁移至非电量保护装置。本文设计集成热工功能的调相机及变压器非电量保护装置，支持热工开入和非电量开入，可兼容多类信号采集，并针对各类热工信号特点设计了相应的保护动作元件。最后通过加强电源监视及三取二输出进一步提高保护动作的可靠性，降低保护拒动或误动风险。

继电保护；非电量保护；热工保护；调相机

0 引言

随着特高压、远距离直流输电工程的不断发展，电力系统对大容量动态无功支撑能力的要求越来越高[1]。在此背景下，新一代调相机凭借其容量大、维护少、瞬时无功支撑能力强、暂态无功响应快的特点，成为直流输电工程中最重要的无功补偿设备，发挥着电压支撑作用[2-3]。

电力系统的电气量是指通过电压、电流互感器等采集获取到的电气参数。由电气量构成的保护，称为电气量保护[4-5]。与之相对应的非电量，通常是指电力系统中一次设备的瓦斯[6]、温度、压力等参数。非电量保护是大型变压器、调相机的常见后备保护[7-8]，其与电量保护的原理不同，可以和电量保护配合构成更完善的保护，因而得到广泛应用。就地仪表采集到的调相机相关热工保护信号通常接入分散控制系统（distributed control system, DCS）装置[9]，由DCS完成三取二逻辑处理后再输出3路热工保护信号至三取二装置[10]，最后由三取二装置完成判断后动作跳闸。整个过程中存在两次三取二计算，并且DCS输出的3个热工信号为同源，存在单一故障导致“三取二”失效的情况。为了简化信号传输链路，提高保护动作的可靠性和保护运维便利性，需要对调相机热工保护方案进行改进。通过使DCS和热工保护完全解耦，并将热工保护整体迁移至非电量保护装置，可进一步提高热工保护可靠性。

本文结合热工保护和非电量保护的特性，设计一种集热工保护和非电量保护于一体的保护装置，给出各个重要保护动作元件的设计方案和运算逻辑，并针对保护可靠性，提出二次回路和出口的设计思路。采用该非电量保护装置，可大大提高热工保护的可靠性，并简化二次设备的运维复杂度，减少后续现场运维人员的工作量。

1 热工及非电量信号接入方案

目前，直流输电工程中广泛采用“三取二”保护逻辑，提高了保护动作的可靠性[11]。鉴于调相机在高压输电工程中的重要性，通常也采用三取二的跳闸逻辑提高保护动作的可靠性。调相机工程中的热工信号接入DCS后的信号传递示意图如图1所示。

图1 热工信号接入DCS后的信号传递示意图

由图1可知，3组热工信号直接接入DCS，由DCS进行三取二等逻辑运算后输出动作信号，并将输出节点扩展成3组后接入三取二装置，最后由三取二装置完成动作出口。

从信号传递示意图来看，采用热工信号接入DCS的方案存在单一回路或者装置异常导致整个三取二失效的可能性。为解决这一问题，将热工保护和DCS解耦，同时将热工信号接入非电量保护装置。改进后的热工及非电量保护信号接入示意图如图2所示。

图2 改进后热工及非电量保护信号接入示意图

由图2可知，集成热工功能的非电量保护装置需配置三台，分别为C1套、C2套和C3套。三取二装置需要配置两台，分别为A套和B套。所有模拟量和开关量的采集由热工及非电量保护装置完成，所有三取二逻辑由三取二保护装置完成，最终由后者出口跳闸。此方案工程适应性较强，无论是新建站还是改造站都便于实施。

为了避免两个以上不同类型非电量或者热工信号同时出现故障导致保护误动的情况，热工及非电量保护装置给三取二装置发送的为各个热工或者非电量信号，由三取二装置完成同一类型信号的判断后动作跳闸。

三取二保护装置的每个动作元件都有三个模式，分别为三取二模式、二取一模式和一取一模式，具体如下。

三取二模式：单台热工及非电量保护装置动作情况下，三取二保护装置可靠不动作。在两台热工及非电量保护装置动作情况下，三取二保护装置要可靠动作。

二取一模式：当一台热工及非电量保护装置异常，另两台热工及非电量保护装置任一动作时，三取二保护装置要可靠动作。

一取一模式：极端情况，当两台热工及非电量保护装置均异常，最后一台热工及非电量保护装置动作时，三取二保护装置要可靠动作。

此外，热工信号由就地仪表采集后经转换装置可同时发送至热工及非电量保护装置和DCS。同时，三取二装置也支持与DCS的通信，可发送各类告警和动作信号。通过上述接口及协同工作，DCS可实现对重要信号及动作的监视、告警和控制。

2 非电量保护原理与设计

非电量信号可分为跳闸类非电量信号和非跳闸类非电量信号，采集自调相机工程中主变压器和励磁变压器的本体，可直接或者通过转换装置转换后，经二次回路接入保护装置的非电量重动模块。信号变位时经过重动模块输出中央信号、远方信号和事件记录三对信号接点，其中，中央信号接点有磁保持功能，即当非电量信号返回后，中央信号接点保持导通直至按下相应的复归按钮，其他出口接点则立即返回。

由于变压器针对不同的非电量信号可继续运行的时间有所不同，因此设计非电量延时动作元件。对于需要延时跳闸的非电量信号，除了能重动及输出上述三对接点外，在满足设定的延时逻辑后，能发送相应的延时动作报文或者启动专门的跳闸继电器出口。需要延时跳闸的非电量开入信号原理如图3所示。非电量延时保护逻辑如图4所示，非电量延时保护元件受软硬压板控制，可单独出口，不受重动继电器影响。

图3 需延时跳闸的非电量开入信号原理

图4 非电量延时保护逻辑

为了配合三取二设计，非电量开入和非电量延时动作信号可分别输出，可通过硬接点或光纤发送至各三取二装置。

3 热工保护原理与设计

调相机按冷却方式可分为空冷机组和双水内冷机组，两种方式因冷却原理和结构的差异，导致热工保护也存在不同。在设计热工保护时需要考虑兼容调相机不同的冷却模式。

3.1 温度异常保护

装置有可进行温度采集的测量模块，含有多组独立通道，可分别接入不同温度测量信号。

温度采集模块主要用于采集出线端和非出线端轴瓦温度，考虑到轴瓦温度不会短时突变，因此当采集的温度变化率大于最大温度变化率定值，或者温度采样信号超出采样范围时，置品质异常。温度品质判据表达式为

温度异常保护动作判据为：采集温度大于温度异常动作定值。当保护软压板、功能控制字投入且采样品质正常条件下，温度监视元件判据满足时，温度监视保护经延时动作。温度异常保护动作逻辑如图5所示。

图5 温度异常保护动作逻辑

此外，多通道的温度测量信号均设置包含独立定值的保护元件，满足多组监视需求。

3.2 油位异常保护

装置具有可进行润滑油主油箱液位采集的模块，同样含有多组独立通道，通过采集的4～20mA直流电流信号反映油位情况。当采集的小电流信号出现超出4～20mA范围等异常时会导致品质异常。

油位异常保护还设置了“油位监视功能切换”定值，以满足对液位过高或过低不同的判断需求。油位异常保护判据为：“油位监视功能切换”定值整定为过量保护时，通过小电流信号计算出的位置值大于动作定值；“油位监视功能切换”定值整定为欠量保护时，通过小电流信号计算出的位置值小于动作定值。当保护软压板、功能控制字投入且采样品质正常条件下，油位异常保护元件判据满足时，油位监视保护经延时动作。油位异常保护动作逻辑如图6所示。

图6 油位异常保护动作逻辑

此外，多通道的4～20mA直流信号均设置独立保护元件，同样支持独立定值，满足多组监视需求。

3.3 转子水流量低保护

机组的转速探头采集到转速后会转换为小电流信号发送给保护装置，装置利用4～20mA直流采集模块采集转速值，当小电流信号超出采样范围时则认为当前采集的转速品质异常。

通过就地压差开关获得转子水压力，若小于设定值，则送出一组开关量信号到保护装置，即转子水流量低开入。

只有当转速较高，同时转子线圈进水流量低时，才认为是机组发生异常。因此，转速高需要配合转子水流量低开入构成转子水流量低保护。

转子水流量低保护的判据为：通过小电流信号计算出的转速大于动作定值，且有转子水流量低开入。保护软压板、功能控制字投入且采样品质正常条件下，满足转子水流量低保护的判据时，保护装置经延时动作出口。转子水流量低保护动作逻辑如图7所示。

图7 转子水流量低保护动作逻辑

3.4 热工开入经延时跳闸

调相机组的一部分热工信号经就地仪表采集后，通过二次回路直接以开关量的方式接入热工及非电量保护装置，由装置经防抖延时等处理后用于保护动作跳闸。以双水内冷机组和空冷机组为例，常见用于热工保护的信号见表1。

表1 热工保护常用信号

4 电源可靠性设计

为进一步提高可靠性，集成热工功能的非电量保护装置采用双电源模块设计，并确保接入单台保护装置的两个电源模块的交流电来自不同电源屏，任一电源丢失的情况下，不影响装置正常运行，并给出电源异常告警报文。

通常站内开入电源也来自两路不同电源屏，开入电源接入方式如图8所示。由图8可知，C1套非电量保护装置开入电源采用第一段直流电源供电，C2套非电量保护装置开入电源采用第二段直流电源供电，C3套非电量保护装置开入电源采用一、二段切换后直流电源供电，C3非电量保护屏中需配置直流电源自动切换模块。

图8 开入电源接入方式

采用双电源模块和双开入电源接入方式时，单一电源缺失可保证三台装置都能继续正常运行，但此时三台非电量保护装置中必然有一台保护装置的开入电源消失。如图8中的开入电源1缺失，C3套非电量保护装置的开入电源经电压切换装置由开入电源2供电，C1套非电量保护装置开入电源缺失。

考虑到非电量保护装置的开入电源对保护动作的重要性，设计具备电源监视功能的非电量和热工保护开入模块，三取二通道中发送开关量的同时也会发送开入电源是否异常的信号。当与保护功能相关的开入电源异常时，三取二保护装置将保护功能由三取二模式切换为二取一模式，保证极端工况下保护能可靠动作出口。

5 结论

为了将热工保护迁移至非电量保护装置，并进一步提高保护可靠性，设计了集成热工功能的非电量保护装置，保留了原有非电量保护的特点，并支持非电量开入的数字化通信。同时，还设计了针对热工保护特点的保护动作元件，兼容多类采样模拟量接入，设计保护动作逻辑。最后通过提高输入、输出可靠性来提高保护动作的可靠性，降低保护拒动或误动风险。

采用该设计的集成热工功能的非电量保护装置已经在调相机工程中得到试点应用，目前对于老旧站的升级改造还需要进一步研究和完善。将热工保护集成至非电量保护，同样有助于未来调相机热工和非电量保护的标准化设计。

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Design of non-electricity protection device with integrated thermal engineering function for synchronous condenser

SUN Zhongmin ZHANG Xiaoyu MO Pinhao ZHENG Chao GU Qiaogen

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In order to decouple the thermal protection from the distributed control system and further improve the reliability of the thermal protection, it is necessary to transfer the thermal protection function to the non-electricity protection device. A non-electricity protection device for synchronous condenser and transformer with integrated thermal function is designed, which supports thermal and non-electricity input and is compatible with multiple types of signal acquisition. Corresponding protective action elements are designed according to the characteristics of various thermal signals. Finally, the reliability of protection action is further improved by strengthening power monitoring and taking two outputs from three to reduce the risk of protection rejection or misoperation.

relay protection; non-electricity protection; thermal protection; synchronous condenser

2022-05-26

2022-06-14

孙仲民（1989—），男，江苏盐城人，博士，高级工程师，主要从事电力系统继电保护及二次系统智能运维的研究与开发工作。