110 kV电网故障问题分析及继电保护整定计算研究
2022-03-12许君
许 君
(国网湖南省电力有限公司 永州供电分公司,湖南 永州 425000)
0 引 言
目前,我国电网处于飞速发展态势。随着新老设备的交替与继电保护装置的大规模投入,电网故障分析的准确性与处理效率有了明显提升。继电保护整定计算是定值计算工作的执行核心,可以全面分析电网故障,及时处理故障。继电保护整定计算软件经由10余年的发展已逐渐成熟,实用水平较高,可以满足各地区电网生产的实际需求,为定值的统一管理提供了完备条件。
1 电力系统继电保护整定计算程序应用的重要意义
电力系统运行的安全性与继电保护整定计算结果有着紧密联系。应用装置的可靠性是维持电力系统运行稳定的基础。正确的保护定值能够降低电网事故发生风险,避免故障范围扩大。电网规模不断扩大,继电保护整定值的计算量也在逐渐增多[1]。110 kV电网的整定计算过程较为复杂,具有平行线路零序互感等电网特点,使得继电保护的日常管理工作复杂。随着工作量的加大,仅依靠人力计算无法匹配实际工作要求。为使电网稳定运行,应用专业的软件系统配合计算机网络技术,为继电保护整定计算提供事故分析的基础依据,保证计算的准确性和及时性[2]。继电保护整定计算将电网管理人员从繁重的工作中解脱出来,具有极强的技术价值与经济价值。
2 电网故障电流计算
通过准确计算故障电路,确定继电保护整定值并科学校验其产生动作,明确线路中各节点故障电流值与分支系数,保证结果的准确性。
发生电力系统故障的原因为相与地的短路或不同相之间短路,在电路中检测到远超正常运行状态的短路,进而降低节点电压以免影响负荷工作状态,危害各类电气设备运行安全[3]。由于短路故障的特殊性,系统稳定性将产生解列现象,造成各区域大规模停电。若有不对称短路情况或会由于较大零电流分流,使得相邻通信线路遭受严重干扰。
为避免短路故障的危害,在设计电力系统时需计算短路电流。发生短路故障时,根据预先明确的系统参数数值确定短路电流与接点电压。按照短路故障的风险从大到小排列依次为单相短路故障、两相接地、两相短路故障以及三相对称短路故障。三相对称短路发生概率较小,但应用三相短路故障可作为检验电气设备能力的方法,因为该短路故障产生的后果最严重。
笔算和直流计算台等是传统短路电路或故障计算的常用计算方法,但电网规模的扩大使其逐渐无法满足庞大的计算量需求。多数设备容量存在限制,影响电力系统的多重故障计算准确性和计算效率[4]。计算机的出现使得运算速度和容量相较传统工具均有了明显提升,配合使用矩阵法、分块法等科学计算方法,可以满足庞大电力系统的复杂故障计算需求,实现了完备的故障分析与解决。
电力系统中的短路故障经常伴随着电磁与机电暂态,使得在故障发生的时间段内电流和电压均随时间改变,如工频周期分量和非周期分量(随时间衰减)等,因此使用微积分方程或代数方程组计算短路电路与复杂故障[5]。继电保护整定与装置运行分析环节,需计算故障在某一瞬间的电压周期分量,无须重复计算其变化过程,省略了诸多计算步骤。
3 继电保护整定计算
3.1 目的与任务
整定计算是继电保护工作的关键任务,是确保电力生产稳定运行的重要基础。电力系统中设定各级别调度部门,执行整定计算任务的对象是已经配置完全的继电保护装置,依照电力系统对应参数与实际运行要求获取需要的整定值,从而保证各类继电保护有机协调布置,充分发挥其应用优势[6]。以110 kV电网为例,若能够获取电力设计部门的配合条件,即可在校对继电保护整定计算配置相关数据后开发出具有实际应用价值的整定计算软件。
根据保护给出整定值是继电保护整定计算的核心任务,可根据电网运行实际条件制定有效的继电保护整定方案。制定方案具体内容的依据包括系统电压等级和设备类型等。依照不同的继电保护功能,分解为不同的整定方案,保证工作完成效果,提高工作效率。分解的各类整定方案具有独立性特点,相互之间的配合关系使方案的实际落实可匹配电力系统的运行需求[7]。继电保护整定方案并非固定的。由于系统运行变化能力限制,超出预定范围便需重新整定继电保护,以匹配运行实际需要。保护装置性能有限,变化限度超出的情况下,将使得保护装置失去其保护功能。
继电保护的整定计算需充分分析自身整定问题,考虑继电保护的配置情况与选型情况,确定系统结构与运行效果,实现整定计算的综合运用目标。具体的整定计算步骤为:第一,以继电保护功能为基础,确定短路计算具体方式,包括对短路类型的选择和分值系数计算条件等;第二,计算短路故障;第三,整定计算同一功能保护,确定整定值[8];第四,比较整定结果,制定合适的整定计算方案,通过归纳问题提出匹配运行条件的实际要求;第五,生成定值单,包含编制之间、系统概况、变化原则、变化限度、整定原则、问题与对策、保护规定以及对选定运行方式限制要求等内容。
3.2 选择合适的整定计算方式
继电保护整定计算环节选择的运行方式,以不对继电保护效果产生不良影响为原则,选择匹配变化适应能力的方案,同时需充分考虑继电保护的实际条件。选择的计算方式与运行方案是否合理,直接影响继电保护效果与配置选型准确性。运行方式的变化限度是最大与最小运行模式的确定,以常见运行方式的最大化满足为前提,加大变化范围。
3.2.1 将电力系统常见运行方式作为整定计算依据
正常运行与正常检修是电力系统的常见运行方式。正常运行包含投入的全部变压器和线路等,能够在系统负荷范围内选择合适的发电设备,发挥继电保护作用。改善正常运行情况的保护性能,在对定值做整定保护期间,将目光放在正常运行方式上,从而匹配对装置工作性能的基本要求[9]。正常检修方式是正常运行模式下相邻组件或被保护设备的检修状态。若组件较多,则对应多种检修模式。整定计算保护过程中应确保在正常检修模式下,装置的选择性和灵敏性均符合对保护装置运行整定的基本要求。
3.2.2 改变发电厂外部系统运行方式
我国各大电网的保护整定过程中,系统对应的发电厂始终处于最大运行状态,以负荷需求为前提投入最多机组。它包含每个发电厂最小运行方式,仅在同一母线的连接线路中的保护整定过程中才考虑该种情况。校验线路电路2段保护灵敏系数,只改变母线电源保护的运行方式,将其切换为最小[10]。计算线路2段与线路1段保护配合分支系数(最小),应首先切换末端母线电源到最小,无须改变电源运行方式。
3.2.3 正常以外检修方式
不将特殊运行方式作为整定计算的基本依据,但仍然需要对整定方案进行补充,以起到临时处理参考的作用。
3.2.4 变压器中性点接地
首先确保对应变电站零序阻抗的稳定性保持不变,充分考虑接地保护的实际情况。例如,接地距离保护和零序电流保护等,零序阻抗保持不变,作为系统整定方案的前提条件。
3.2.5 比较保护电流
特定保护装置产生整定计算点短路现象时,需保护短路电流处于最大值。整定计算环节需获取最大或最小电流值,保证整定计算的全面性和准确性。
3.3 故障类型与方式的具体选择
在执行继电保护整定计算任务时,需要了解常见故障类型与故障处理方式。首先,考虑单一设备故障的常见情况,不分析复杂故障的情况下,针对接地短路的保护主要集中在单相接地和两相短路接地,明确故障类型。其次,针对相间短路保护,故障类型的选择依据一般为三相与两相短路。最后,整定计算零序电路保护环节,针对三相重合闸线路类型,充分考虑断路器的合闸情况。若线路为单相重合闸,则应考虑两相运行情况。
3.4 整定配合原则
断路器配置是电力系统继电保护装置的基础,以断路器分段为前提,对继电保护做整定处理。针对继电保护的分级基础为保护正方向,保证正方向上下级保护的配合协调效果,满足选择性的基本要求。在上下保护动作特性范围内不可存在交叉点,且应预留裕度。
整定计算环节,计算条件应为电力系统的运行过程保护,根据保护原理可将整定计算方法分为差动原理保护和阶段性保护2类。差动原理保护包含了对内外故障做具体区分的能力,并维持其基本的保护方案,且相邻保护与定值之间不存在配合关系,具有独立特点,计算较为简单。阶段性保护要求上下(相邻)级间应存在配合关系,且伴随系统运行方式的改变变更其保护范围,因此整定计算过程较为复杂,且具有较多结果可选性。
在整定阶段保护环节,上下级配合需要遵循以下要求。首先,配合时间。上级与下级的保护整定时间应存在时间级差。其次,配合保护范围。对于同一故障点来说,下一级灵敏系数一般大于上一级保护。最后,配合过程均严格按照保护正方向。
3.5 整定方法
一方面,整定条件与整定公式有关系数的确定,主要依据保护装置工程原理与系统运行特点。另一方面,初始整定值的设定需充分考虑整定条件,灵敏度校验应预先明确电力系统最小运行方式,确保灵敏度匹配运行方式的特点与实际要求,最终确定选定整定值。若发现与要求不符,则重新考虑并分析最小运行方式与整定条件,保证选择的恰当性,从而全面核验保护装置的选型与装置配置过程中存在的问题。
4 结 论
110 kV电网故障分析与继电保护整定计算需考虑电网运行特征,在明确各类保护功能的前提下计算出整定值,具有较强的通用性。由于摒弃了传统的整定值计算工具,更换的计算系统实现了电网继电保护的计算自动化应用目标,具有较强的经济价值,提高了管理水平与工作质量,应用前景广阔。