微機(jī)綜保在杜兒坪礦瓦斯電站的應(yīng)用

摘 要 通過微機(jī)綜保在杜兒坪礦瓦斯電站應(yīng)用的實(shí)例介紹，探索了小型瓦斯電站電氣及繼電保護(hù)的配置方案和整定方法，引進(jìn)學(xué)習(xí)國(guó)外繼電保護(hù)裝置，并與國(guó)產(chǎn)微機(jī)綜保和后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行整合優(yōu)化，為瓦斯電站的電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行提供了有力的保證，適合在瓦斯電站推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 瓦斯發(fā)電站；微機(jī)綜保；SIEMENS；繼電保護(hù)

中圖分類號(hào) TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)062-0190-02

近年來，隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和瓦斯利用扶持鼓勵(lì)政策的相繼出臺(tái)，瓦斯作為一種綠色清潔能源開始走上了產(chǎn)業(yè)化的道路，其中使用內(nèi)燃式往復(fù)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行瓦斯發(fā)電是目前最經(jīng)濟(jì)、最有效的一種途徑。

從瓦斯氣體輸配角度考慮，煤礦瓦斯電站一般均靠近礦井瓦斯抽排站建設(shè)，發(fā)電機(jī)組單機(jī)規(guī)模不大，目前從500 kW到4000 kW可選，采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，輔機(jī)設(shè)備數(shù)量不多，負(fù)荷也不大，電站主接線系統(tǒng)相對(duì)靈活。根據(jù)氣量平衡，煤礦瓦斯電站的總裝機(jī)規(guī)模一般不超過30 MW，多就近以6 kv～35 kV電壓等級(jí)接入礦井變電所，所發(fā)電力補(bǔ)充礦井用電。

瓦斯作為新型能源，國(guó)內(nèi)還沒有明確的瓦斯電站的設(shè)計(jì)規(guī)范可依，在進(jìn)行電氣微機(jī)綜保配置和整定時(shí)只能參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范和設(shè)備資料，在充分考慮電站內(nèi)人員及設(shè)備的安全的前提下摸索合理的方案。

1 電氣系統(tǒng)概述

1.1 瓦斯電站概述

杜兒坪礦瓦斯電站位于古交市北石溝村的黃土山地，北與杜兒坪礦北石溝瓦斯抽放站相鄰。電站一期工程投資建設(shè)3x1703 kW發(fā)電機(jī)組，二期工程投資建設(shè)4x1703 kW發(fā)電機(jī)組，采用進(jìn)口道依茨瓦斯內(nèi)燃機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓選用6.3 kV。

1.2 電氣主接線

電站一期3臺(tái)發(fā)電機(jī)均接入6.3 kV I段母線，電站饋出1回6.3 kV聯(lián)絡(luò)線至北石溝變電所。二期工程建設(shè)時(shí)4臺(tái)發(fā)電機(jī)接入6.3 kV II段母線，兩段母線聯(lián)絡(luò)至一期預(yù)留0段開關(guān)柜后經(jīng)一臺(tái)16000 kVA變壓器升壓至38.5 kV，電站38.5 kV以線路變壓器組接線方式饋出1回聯(lián)絡(luò)線接入北石溝風(fēng)機(jī)房35 kV箱式變電站。電站正常工況下通過35 kV線路向電網(wǎng)輸電，同時(shí)保留一期工程建設(shè)的至北石溝

6 kV聯(lián)絡(luò)線作為應(yīng)急電源使用。

1.3 主要設(shè)備選型及布置

瓦斯電站內(nèi)為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，考慮消防、防火等因素，電氣設(shè)備均選用干式無油化產(chǎn)品，充分考慮使用安全、布置空間、操作維護(hù)、平均無故障時(shí)間等因素，變壓器和開關(guān)設(shè)備均選用ABB公司產(chǎn)品，同時(shí)受限于山體軟基場(chǎng)地難于布置等實(shí)際情況，為節(jié)約場(chǎng)地、縮短建設(shè)周期，電站電氣系統(tǒng)設(shè)備均采用集裝箱式安裝。其中，電氣集裝箱1布置6.3 kV I段及0段母線開關(guān)設(shè)備，該箱設(shè)備隨一期機(jī)組進(jìn)口；電氣集裝箱2布置電站站用低壓ABB MNS 380 V開關(guān)設(shè)備、65 Ah DC220V直流屏、38.5 kV線路變壓器組保護(hù)組屏、干式站用變壓器等；電氣集裝箱3布置6.3 kV II段母線開關(guān)設(shè)備及電站38.5 kV開關(guān)設(shè)備，考慮安全、布置及維護(hù)方便，

38.5 kV開關(guān)柜選用ABB SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備；電氣集裝箱4布置ABB SCR10-16000/35干式低損耗升壓變壓器。

2 主要繼電保護(hù)方案

電氣二次部分采用微機(jī)綜保裝置和電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電站電氣設(shè)備的保護(hù)和監(jiān)控，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)具有遠(yuǎn)動(dòng)信息接口，同時(shí)將電站電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)上傳至地調(diào)。

2.1 電站6.3 kV繼電保護(hù)

電站6.3 kV發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置隨主設(shè)備供貨，設(shè)置發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)，后備保護(hù)主要包括相間短路帶時(shí)限過流保護(hù)、無時(shí)限速斷保護(hù)、頻率保護(hù)、失步保護(hù)、磁飽和V/F保護(hù)、失磁保護(hù)、電壓保護(hù)、逆功率保護(hù)、接地保護(hù)及零序保護(hù)等，機(jī)組保護(hù)裝置通過Profibus工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)接入電站綜合自動(dòng)化后臺(tái)。

電站其他6.3 kV線路、母聯(lián)、站用變等回路的繼電保護(hù)裝置均使用SIEMENS公司7SJ68多功能產(chǎn)品，設(shè)置常規(guī)電流和電壓保護(hù)，整定計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)并參考綜保要求進(jìn)行。

2.2 升壓變壓器保護(hù)配置和整定如下

1）保護(hù)配置和功能：設(shè)置差動(dòng)保護(hù)為升壓變主保護(hù)，使用SIEMENS公司7UT612保護(hù)裝置，在升壓變兩側(cè)差流超過整定時(shí)聯(lián)動(dòng)變壓器高、低壓側(cè)斷路器。

同時(shí)在升壓變高、低壓側(cè)各設(shè)置一套后備保護(hù)，高、低后備均選用SIEMENS公司7SJ68產(chǎn)品，設(shè)帶時(shí)限過電流保護(hù)、過負(fù)荷等常規(guī)保護(hù)。

差動(dòng)保護(hù)裝置7UT612常用于兩卷變保護(hù)，其保護(hù)跳閘特性見下圖，

該跳閘特性圖中，Idiff為差動(dòng)電流，Idiff = | I1+I2 | ，Istab為制動(dòng)電流，Istab = | I1 | + | I2 |。其中I1和I2分別為變壓器高低壓側(cè)電流互感器的二次電流值，INTr為變壓器額定電流。

為防止二次及高次諧波造成裝置誤動(dòng)，在圖中閉鎖區(qū)可以設(shè)置諧波制動(dòng)，當(dāng)諧波超過整定值限值可實(shí)現(xiàn)閉鎖差動(dòng)出口不動(dòng)作，閉鎖時(shí)間也可設(shè)定。

裝置具有CT飽和指示器，當(dāng)區(qū)外故障流過很大的穿越電流引起CT飽和而產(chǎn)生差流，裝置可判別該情況。當(dāng)由于CT飽和導(dǎo)致的差流，剛開始時(shí)，電流特性必落在“附加穩(wěn)定區(qū)”中，這時(shí)可閉鎖差動(dòng)保護(hù)約8個(gè)周波，不致差動(dòng)誤動(dòng)。

當(dāng)故障由區(qū)外向區(qū)內(nèi)發(fā)展時(shí)，電流點(diǎn)將落故障特性上，需2周波時(shí)間來確定是區(qū)內(nèi)故障，從而中斷CT飽和閉鎖，差動(dòng)動(dòng)作。因此，差動(dòng)在這種情況下不會(huì)拒動(dòng)。

2）保護(hù)整定。差動(dòng)保護(hù)整定：差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作門檻值Idiff>即最小保護(hù)動(dòng)作電流，按躲過變壓器額定負(fù)載下的最大不平衡電流原則整定，即Idiff>=Krel*(Ker+△U)*Ie，Ie為升壓變二次額定電流，Krel可靠系數(shù)取1.3-1.5，升壓變各側(cè)電流互感器的比誤差Ker按照規(guī)程取0.06，變壓器調(diào)壓引起的誤差△U取調(diào)壓范圍中偏離額定值的最大值，經(jīng)計(jì)算并考慮防止誤動(dòng)Idiff取0.55Ie。

一般變壓器空載投入時(shí)的最大勵(lì)磁涌流要大于最大不平衡電流，因此差電流速斷定值Idiff>>按照躲過變壓器空載投入時(shí)的最大勵(lì)磁涌流整定，即Idiff>>=K*Ie，考慮變壓器容量和系統(tǒng)電抗大小Idiff>>取5.5Ie，動(dòng)作時(shí)間取0S。

比率制動(dòng)特性曲線制動(dòng)系數(shù)按照一段式比率制動(dòng)特性整定，制動(dòng)系數(shù)取0.3。

諧波制動(dòng)比參數(shù)裝置內(nèi)用各相電流中二次諧波分量與基波分量的比值計(jì)，整定值取20%，為防止變壓器某一相涌流超過差動(dòng)門檻值而二次諧波比達(dá)不到20%的情況下造成裝置誤動(dòng)，需要投入交叉閉鎖時(shí)間躲過變壓器勵(lì)磁涌流的衰減時(shí)間，閉鎖時(shí)間取0.2S。

為防止故障電流引起電流互感器飽和造成誤動(dòng)，首先CT二次電流選用1A，另投入CT飽和附加穩(wěn)定區(qū)制動(dòng)，起始制動(dòng)電流取6Ie，交叉閉鎖時(shí)間取0.16S。

2.3 線路保護(hù)配置和整定如下

1）保護(hù)配置和功能：線路相間短路主保護(hù)配置光纖縱差保護(hù)：保護(hù)裝置使用SIEMENS公司7SD610保護(hù)裝置，在線路內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)作于線路兩側(cè)斷路器。

線路后備保護(hù)及解列裝置使用南瑞中德NSP788W，后備保護(hù)主要整定帶時(shí)限過流保護(hù)及高低壓、高低頻解列發(fā)電機(jī)保護(hù)。

主保護(hù)裝置安裝于線路兩側(cè)末端，對(duì)每一相分別進(jìn)行測(cè)量和分析，能識(shí)別復(fù)雜的多相故障，保護(hù)抑制變壓器涌流，出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)雙側(cè)跳閘。兩側(cè)裝置利用專用光纜通信線路通過保護(hù)數(shù)據(jù)接口來進(jìn)行測(cè)量信息的交換，當(dāng)通信故障時(shí)，能自診斷報(bào)警，并能將內(nèi)置的過電流定時(shí)限保護(hù)自動(dòng)切換到緊急操作狀態(tài)，直到通信正常為止，過電流定時(shí)限保護(hù)也可以在任一端獨(dú)立且并行于差動(dòng)保護(hù)操作。

2）保護(hù)整定。線路光差差動(dòng)保護(hù)整定：差動(dòng)啟動(dòng)值Idiff>整定需要考慮被保護(hù)對(duì)象的穩(wěn)態(tài)的支路電流，長(zhǎng)線路情況下的充電電流，一般差動(dòng)啟動(dòng)值Idiff >必須至少是計(jì)算充電電流的2～2.5 倍，而且不應(yīng)低于15%的運(yùn)行額定電流，本項(xiàng)目整定為0.2Ie，時(shí)限0S，其中Ie為線路運(yùn)行的額定電流。差動(dòng)啟動(dòng)值Idiff >歸算至一次值后在線路兩端的設(shè)置相等；為避開合閘時(shí)的線路充電電流及變壓器勵(lì)磁涌流，整定合閘時(shí)差動(dòng)啟動(dòng)值5.5Ie，合閘后閉鎖時(shí)間0.2S再切換到差動(dòng)啟動(dòng)值Idiff>；差動(dòng)速斷啟動(dòng)值Idiff>>整定為線路正常運(yùn)行電流附近，取1.2Ie；線路末端含變壓器，整定線路二次諧波制動(dòng)為15%，當(dāng)涌流超過1.414*In/Uk（In為變壓器額定電流，Uk為變壓器阻抗電壓）時(shí)不設(shè)閉鎖。

2.4 接入變電站繼電保護(hù)改造

瓦斯電站接入北石溝風(fēng)機(jī)房變電站536開關(guān)柜，該接入變電站為杜兒坪礦扇風(fēng)機(jī)房和瓦斯抽放站負(fù)荷供電，瓦斯發(fā)電機(jī)組的調(diào)速及勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)整無法適應(yīng)扇風(fēng)機(jī)房及瓦斯抽排站較大的單機(jī)負(fù)荷變化，為確保礦井重要負(fù)荷的供電安全，用戶委托接入系統(tǒng)按以下主要安全原則設(shè)置：任何故障狀態(tài)優(yōu)先切除瓦斯電站，電站不設(shè)孤網(wǎng)運(yùn)行模式；536開關(guān)設(shè)線路無壓合閘閉鎖；設(shè)線路光差主保護(hù)及電流電壓后備保護(hù)；風(fēng)機(jī)房變電所兩段進(jìn)線無流連跳536（帶母聯(lián)判斷）；風(fēng)機(jī)房上一級(jí)變電所至風(fēng)機(jī)房聯(lián)絡(luò)開關(guān)跳閘通過光纖傳輸斷路器輔助觸點(diǎn)電平信號(hào)連跳536開關(guān)（帶母聯(lián)判斷）；因上級(jí)變電所至風(fēng)機(jī)房變電所聯(lián)絡(luò)開關(guān)有可能投入自動(dòng)重合閘功能，但上級(jí)變電所原先設(shè)計(jì)未考慮下側(cè)為電源，無檢同期或檢無壓閉鎖，為防止電站投入后非同期重合，增加536開關(guān)合閘后斷開上級(jí)聯(lián)絡(luò)線重合閘回路的閉鎖。

根據(jù)上述原則對(duì)接入變電站進(jìn)行繼電保護(hù)改造，主要包括：設(shè)置西門子7SD610線路光差保護(hù)；設(shè)置南瑞中德NSP788W線路后備保護(hù)；設(shè)置南瑞中德NSP788W實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)房變電站兩段進(jìn)線檢無流跳536；設(shè)置光纖連跳裝置TF101K實(shí)現(xiàn)上級(jí)變電所至風(fēng)機(jī)房聯(lián)絡(luò)線開關(guān)跳閘連跳536。

3 結(jié)束語

杜兒坪瓦斯電站繼電保護(hù)系統(tǒng)引進(jìn)了SIEMENS公司的微機(jī)綜保裝置，并整合到國(guó)產(chǎn)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，自投運(yùn)以來運(yùn)行良好，電站電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，保證了瓦斯電站的穩(wěn)定運(yùn)行，也保護(hù)了礦井生產(chǎn)的電力供應(yīng)安全。SIEMENS微機(jī)綜保在抗干擾措施、算法靈活性、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性反方面值得深入地學(xué)習(xí)和探討，以便更好地指導(dǎo)我們今后更加合理地進(jìn)行瓦斯電站保護(hù)配置方案的確定，更加準(zhǔn)確地進(jìn)行繼電保護(hù)整定的計(jì)算。

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