水力發電廠10kV電力保護裝置的改造
摘要:為提高10kV電站原有整合式保護測量控制裝置的可靠性,此裝置電子元件老化嚴重,自動化程度低,人機介面及軟體友善不足,維護工作困難。為解決這些問題,水力發電廠決定對10kV電站電力保護裝置進行升級改造。新的保護控制裝置具有多種保護功能,操作介面友好,操作維護便捷,提高了水力發電廠用電運轉的可靠性,並保障了電站的安全穩定運作。
關鍵字:10kV保護控制裝置;可靠性;水力發電廠保護
0 引言
廣西某縣市上游15公里處有一座水力發電廠,是「西電東傳」的標誌性工程,也是西部地區發展的重要工程。該水電站於2001年7月1日動工建設,2009年底全面投入生產。設計水位400米,水壩高216.5米,壩頂長836米,庫容273億立方米,裝置容量630萬千瓦,年發電量187億千瓦時。電站分兩期建設完成。由於電站裝置容量龐大,對社會影響深遠。為保障供電品質和長期安全可靠的電力供應,該水力發電廠逐步改造升級了10千伏電廠用電綜合保護測量控制裝置。
1. 10kV電廠電力系統簡介
該水力發電廠的10kV系統為低電流接地系統。其佈線方式採用多電源獨立供電,I~VI段母線採用「手拉手」環備,並採用重要的負載分散配置,確保供電可靠性。整個10kV供電系統共有7條母線:I、II、III、IV、V和VI段分別取自1、2、3、4、5和7號機組的低壓變壓器側;VII段為外部電源、安全電源和柴油發電機的引入點,用作10kV I、III和VI段母線的備用電源。電站內所有10kV負載均依分散獨立原則均勻分佈在I~VI段母線上。透過10kV電站母線連接的設備依負載特性分為配電變壓器、高壓馬達、電壓互感器和接觸開關。水力發電廠10kV供電系統連接示意圖如圖1。
圖1 10kV工廠電力線路
1. 10kV電力保護裝置改造的原因
該10kV電廠原有的綜合保護測量控制系統採用進口上海阿海琺MiCOM-P122型一體式保護裝置,自2007年5月投入運轉以來,其電子元件老化嚴重,保護光耦合輸入元件損壞頻發,嚴重影響電廠安全穩定運作。此外,原廠商已停止生產同型號備件,僅能購買升級替換件,且保護裝置數據不符合要求,備用開關保護裝置也無備件;自動化程度不高,數位化程度低,設備資訊管理不便,無法滿足當前需求,人機界面和全英文軟體操作不友好,導致工作繁瑣,降低工作效率。鑑於以上因素,有必要對10kV電廠的綜合保護測量控制系統進行技術改造。
3. 10kV電廠電力保護和變壓器的要求
開關櫃及其安裝位置保持不變,更換所有原有的饋線負載開關、母線開關、電壓互感器櫃、內部二次電纜及接線端子排;根據新設備的尺寸重新設計改造開關櫃面板;完成新設備接入電源監控系統及通信接口地址的佈線。改造過程中,在維持原有保護配置不變的情況下,優化運轉迴路。
4. 新型綜合保護測量與控制設備的選用
新型一體化保護測量控制裝置應整合控制、保護、故障波形記錄、測量、訊號警報、開關量擷取和通訊功能。該裝置以三級無向電流保護為核心,具備線路參數監測採集功能,測量數據和保護資訊可透過通訊連接埠上傳至電力監控系統,從而實現配電網自動化。根據水力發電廠10kV廠區電力保護裝置改造計畫全國供應商公開招標結果,最終選定由艾克瑞爾股份有限公司生產的AM5SE系列測量控制裝置。根據10kV廠區母線不同的負載特性,AM5SE-F線路保護測量控制裝置、AM5SE-T變壓器保護監測控制裝置、AM5SE-M馬達保護測量控制裝置、AM5SE-B自控保護測量控制裝置以及AM5SE-UB PT櫃監測裝置的各型號保護功能如下表所示:
| 模型 | 保護功能 |
| AM5SE-F 線路保護測量控制裝置 | 三級過電流保護(低壓閉合,可反向保護)、反向時限過電流保護(低壓閉合可保護)、兩級零階101過電流/反向時限過電流保護、兩級零階1.2電流/反向時限過電流保護、重合閘、加速過電流保護(低壓閉合)、過載警報、過載跳脫、失壓跳脫、失壓警報、過電壓保護、零階過電壓保護、反向功率保護、低頻負載降低/高頻保護(滑差)、PT斷路警報、控制電路斷路警報、帶過電流鎖定功能的FC迴路、斷電保護、CT斷路警報和檢查 |
| AM5SE-T 配電保護測量與控制裝置 | 三級過電流保護(可透過複合電壓閉合實現)、反向時限過電流保護(可透過複合電壓鎖定實現)、兩級零階101過電流保護、兩級零階102過電流保護、零階反向時限過電流保護、過載警報、過載跳閘、電壓互感器斷路警報、控制電啟動電流連接電導 |
| AM5SE-B 自投射保護測量與控制裝置 | 三段過電流保護(複合電壓鎖定,帶方向鎖定)、反向時間過電流保護(複合電壓鎖定)、加速過電流保護(複合電壓鎖定)、備用功能(支援11種供電系統)、PT斷路警報、控制電路斷路警報、母線充電保護、重合閘、過載耦合/警報、兩段零序過電流保護、零序加速過電流保護 |
| AM5SE-M 馬達保護測量與控制裝置 | 電流保護(啟動、運轉),電流兩級保護,反向時間保護,兩級負序保護,負序反向時間限制保護,兩級零序過電流保護,熱過載,過載保護,過載警報,過載跳閘,閉鎖保護,長啟動時間,斷電保護,PT斷路警報,控制電路斷路警報,低電壓保護,零序過電壓警報,帶過電流鎖定功能的FC迴路,電壓不平衡保護,相序保護,電壓相序保護,過電壓保護 |
除了上述保護功能外,每台微電腦保護測量控制裝置均配備RS485通信接口,可與電力監控系統通信,實現獨立運行電路監控功能,實現開關狀態監測,開關電路監控更加全面;內置跳頻功能,用戶可選擇是否啟用。新配置的AM5SE系列微電腦保護測量控制裝置保護功能豐富,各選單皆可自由設定中英文,方便操作維護。
5. 10kV電站設計
新配置的AM5SE系列電腦整合保護測量控制裝置及其圖面由艾克瑞有限公司設計。二次迴路的原理圖設計必須以原10kV高壓櫃二次迴路圖為基礎。端子排佈局以圖面設計為準,且圖面設計必須符合相關法規要求。對於負載性質相同的圖面設計,端子數和線路數應高度統一並遵循一定的規律。圖紙設計的準確性決定了施工調試能否順利進行以及運作後的生產安全。
6. 6台10kV電廠的電力保護和變壓器過程
10kV變電站的建設必須符合以下條件:詳細的施工方案和圖面;設備管理人員完成新設備的驗收;施工人員完成安全訓練;以及工具和材料齊全。施工嚴格按照方案和圖紙進行,以確保每個環節順利完成。
6.1 10kV工廠電力保護硬體轉換
10kV 電廠改造建設主要包括三個環節:更換開關櫃內的端子排、拆除舊的綜合保護測量控制裝置、安裝組裝新的綜合保護裝置、電纜佈置。
6.1.1. 更換終端行
端子更換需逐一進行,每次只更換一個端子;嚴禁同時更換兩個或兩個以上端子,以免接錯線導致接線錯誤。應單獨更換開關櫃內的一排端子,有效防止接線錯誤;交流電源、直流電源、跳脫電路、訊號電路均需加裝隔離裝置,確保端子間隔離,防止短路;端子應壓緊,不得鬆脫。更換一排端子時,請務必確保原迴路端子和線路編號保持不變,以便後續接線和線路檢查工作順利進行。
6.1.2 拆除舊的綜合保護測量控制裝置
根據施工計畫和圖紙,拆除待拆除的零件,包括舊的整合式保護測量控制裝置、開關櫃中的中間繼電器、電壓繼電器、時間繼電器等零件以及相關的二次電纜。拆除時,請注意防止人為損壞零件和誤拆有用的二次電纜。將拆除的部件進行整理、分類,並指定存放地點,防止工地雜亂,施工現場應符合6S要求。
6.1.3 綜合保護測量控制裝置的安裝裝配線及電纜佈置
由於新舊綜合保護測量控制裝置尺寸不同,開關櫃面板上的安裝視窗尺寸與新綜合保護測量控制裝置的尺寸不符。必須對開關櫃面板上的安裝窗口進行切割和擴容,才能安裝新的綜合保護測量控制裝置,並注意切割時不要刮傷面板。連接新裝置的電纜必須使用新電纜,所有未使用的電纜都應拆除,以防止寄生迴路的產生。佈線必須嚴格按照設計圖進行,以防止漏電、接錯線和誤接。新裝置的電纜佈線應整齊、統一、合理,以便於檢查及維護。
6.2 10 kV電廠的電力保護與調試
保護和調試主要分為四個環節:二次迴路檢查、迴路功能驗證、保護裝置靜態調試和傳輸測試。根據施工圖仔細檢查每個端子和每條線路編號。重點檢查CT二次迴路無開路,PT二次迴路極性與接線是否正確;檢查遙測、遠端通訊、遠端控制接線是否正確;檢查直流控制迴路無短路,接地線LN之間無短路;測量直流控制迴路絕緣電阻是否符合要求(1000V);測量交流/直流迴路是否帶電。值得注意的是,由於外包單位不熟悉工廠的二次迴路,在轉換過程中容易出現遺漏和接錯。
接通交流電壓和直流控制迴路的電源,以驗證各迴路的功能。檢查遙測、遠端訊號和遠端控制訊號是否正確,儀表、指示燈、照明和加熱電路是否正常;開關本體的防跳功能是否正常。接通控制迴路的電源,進一步驗證各迴路的接線是否正確。
保護裝置的靜態調試包括對裝置進行抽樣檢查、定值上傳及檢查、功能檢查。透過在電流互感器二次側施加電流,並在電壓互感器櫃端施加電壓類比訊號,檢查線路保護裝置AM5SE-F、變壓器保護裝置AM5SE-T、馬達保護裝置AM5SE-M、備用自切換裝置AM5SE-B以及電壓互感器監控系統。檢查裝置AM5SE-UB、電壓表、電流表和監控系統是否顯示正確,並驗證交流電壓和交流電流迴路的相序和相位是否正確。根據定值單對保護裝置設定定值,並檢查定值是否正確。保護功能檢查是透過施加類比量,驗證AM5SE系列微電腦保護測量控制裝置的動作邏輯和動作時間是否正確,無拒收和故障,且動作時間應滿足要求。保護裝置的靜態調試確保保護裝置能夠靈敏地回應故障,並可靠且快速地發出警報信號和跳閘指令。
綜合保護測量控制裝置與電力監控系統的資料連接正常,後台可即時擷取保護裝置的運作狀態、設定值、事件記錄等資訊。保護裝置連接到後台系統,提高了繼電器保護系統的管理等級和故障資訊處理的自動化程度。
傳輸測試旨在模擬保護裝置收集到的故障量,並使保護裝置輸出跳脫開關,以驗證裝置保護邏輯、跳閘迴路和訊號迴路的正確性;同時驗證能否透過主機遠端操作正確控制開關的開合。每組保護裝置應進行完整的傳輸測試,以確保各開關櫃保護裝置的保護邏輯、保護輸出跳脫、遠端開關開合以及訊號指示均正確無誤。
6.3 轉換和優化過程中遇到的問題
新型綜合保護測量控制裝置改造完成後,在輸電試驗中發現,開關只能閉合一次。若要再次閉合,則必須重新啟動控制電源。經分析發現,斷路器合閘線圈中不存在常閉點。由於保護裝置中設置了合閘繼電器以確保斷路器可靠閉合,此時,由於斷路器合閘線圈中不存在常閉點,合閘後若無斷點,合閘保閘繼電器的能量無法釋放,因此需要重啟控制電源,才能釋放合閘保閘繼電器的能量,從而實現下一次合閘。經與斷路器生產廠商及水力發電廠相關人員多次溝通,最終在合閘線圈前串聯了一組常閉點,解決了上述問題。以AM5SE-T變壓器保護測量控制裝置為例,水力發電廠改造後的合閘迴路二次電路圖如圖2所示。
圖2 AM5SE-T分路電路的二次圖
7. 10kV電力監測系統的改造
為了即時監控整個配電站的運作情況和資料收集,該水力發電廠配置了一套Acrel-2000Z電力監控系統,將微機保護資料上傳至電力監控系統,實現對10kV變電站的電力監控和管理,提升自動化管理水準。其主要功能包括:即時監控、電氣參數查詢、運行報告、即時警報、歷史事件查詢、電力統計報告、用戶權限管理、網路拓撲結構分析、電能品質監控、遠端控制、通訊管理、故障波形記錄、事故回溯、曲線查詢、Web存取和APP存取。
8. 結論
水力發電廠10kV電力保護裝置的改造升級解決了電子元件老化嚴重、自動化程度低、人機介面及軟體不友善、維護工作困難等問題。 AM5SE系列微電腦保護測量控制裝置的替換使其功能更加強大、人性化,設備液晶屏顯示電壓、電流採樣量及各類事件記錄更加直觀;調試軟體功能強大、操作簡單、易於掌握,軟體界面友好;運行電路具備開關切換及控制電路斷開的監控功能;設備面板指示燈直接顯示開關跳脫位置及閉合狀態,使運轉維護人員操作更加直觀;配置的AM5SE-M電機保護測量控制裝置增加了電機啟動/運行狀態識別功能,並具備啟動段、運行段、運行兩段等保護功能,解決了電機啟動電流大、易導致誤跳閘的問題。保護裝置配備RS485通訊接口,各保護裝置之間以「手拉手」方式連接,並將資料傳輸至Acrel-2000Z電力監控系統,方便查看保護資訊和故障資訊。自從新型綜合保護測量控制裝置投入使用以來,設備一直運作正常。此新型綜合保護裝置具有保護功能豐富、操作介面友善、操作維護便捷等優點,提高了水力發電廠運作的可靠性,並保障了電站的安全穩定運行,具有顯著意義。
參考
[1] 水力發電廠繼電器繼電器保護設計規範 Nb/T 35010-2013
[2] DL/T 5164-2002 電廠輔助動力裝置設計技術規範
[3] GB/T 50171-2012 電氣設備安裝工程面板、櫃體及二次電路佈線施工及驗收規範
[4] 黃金新. 龍潭水力發電廠10kV輔助電源保護裝置的改造
[5] 安克魯用戶變電站的整合自動化及維運解決方案。 2021年11月
發佈時間:2022年8月17日



