220 kV線路并聯(lián)電抗器工程應(yīng)用研究

孫健杰,袁明哲,殷攀程,張 治,陳 翔

(1. 國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司,四川 成都 610041;2. 國家電網(wǎng)有限公司西南分部,四川 成都 610041)

0 引 言

中國500 kV及以上的超(特)高壓輸電線路,距離一般長達(dá)數(shù)百公里甚至上千公里,線路容性充電功率較大,通常采取在線路首末端裝設(shè)并聯(lián)電抗器以解決無功平衡和過電壓問題[1-2]。

現(xiàn)階段城市供電逐漸向電纜化方向發(fā)展,由于電纜対地電容較大且遷改線路較長,也會導(dǎo)致線路充電功率過大的情況[3]。因此,目前有較多220 kV變電站同樣需要設(shè)置并聯(lián)電抗器對容性充電功率進(jìn)行就地消納,防止無功串行和影響電網(wǎng)的正常運行[4-6]。

目前,220 kV線路加裝并聯(lián)電抗器工程在國內(nèi)的實例較少,工程實踐應(yīng)用缺乏典型經(jīng)驗可循。一方面,在220 kV及以下電網(wǎng)中,因容性無功功率相對較少,未在高壓側(cè)配置感性無功補償裝置,因此,220 kV并聯(lián)電抗器目前并無通用設(shè)計和典型設(shè)計參考;另一方面,雖然500 kV高壓電抗器應(yīng)用已然成熟,但由于其接線方式和一、二次設(shè)備配置與220 kV差別甚大,經(jīng)驗不具備借鑒性[7]。

基于上述現(xiàn)狀,下面將以工程實踐應(yīng)用為切入點,詳細(xì)介紹了220 kV線路高壓電抗器擴建過程中的工程設(shè)計原則、技術(shù)要點及運行典型經(jīng)驗等,并對工程技術(shù)難點進(jìn)行分析研究。

1 工程設(shè)計原則

現(xiàn)國內(nèi)220 kV及以下變電站加裝高壓并聯(lián)電抗器多參照330 kV及以上高壓并聯(lián)電抗器加裝方式,具體設(shè)計原則應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實地勘察和變電站實際情況確定[8-9]。

1.1 電氣主接線方式

高壓電抗器加裝于線路側(cè),一般采用引下線“T”接方式并入,與間隔共用出線側(cè)避雷器,不改變電氣主接線方式,其主接線如圖1所示。

圖1 線路并聯(lián)高壓電抗器主接線

1.2 主要設(shè)備選擇

220 kV及以上電壓等級的并聯(lián)電抗器絕大多數(shù)采用油浸式鐵芯電抗器。為了避免與線路電容形成并聯(lián)諧振,合理選擇電抗器的容量十分重要。

在設(shè)計并聯(lián)電抗器的容量時,除了要考慮限制工頻過電壓外,還涉及到系統(tǒng)的穩(wěn)定、無功功率平衡、自激電壓和諧振等問題。因此電抗器的容量選擇與安裝方式要根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及運行情況等因素確定方案。

表1所示為單位線路長度下,電抗器容量在不同充電功率下的合理選擇范圍。其中,220 kV電壓等級電抗器一般按三相設(shè)計,330 kV及以上電壓等級電抗器由于容量較大,大多數(shù)按單相設(shè)計[9]。

表1 單位線路長度容性充電功率和合理容量

1.3 二次系統(tǒng)配置

220 kV并聯(lián)電抗器配置雙重化的主、后備保護一體電抗器電氣量保護和一套非電量保護。相應(yīng)220 kV線路兩側(cè)斷路器的雙套線路保護均應(yīng)配置集成過電壓保護功能的裝置,具體配置情況見表2。

表2 220 kV高壓電抗器保護及相應(yīng)線路保護配置

2 技術(shù)要點

2.1 相關(guān)保護配置不合理

2.1.1 存在問題

在某220 kV線路高壓電抗器擴建工程前期,高壓電抗器的電量保護及非電量保護采用通過啟動對應(yīng)線路保護的遠(yuǎn)跳回路實現(xiàn)跳對側(cè)斷路器的設(shè)計方案。

當(dāng)高壓電抗器保護發(fā)遠(yuǎn)跳命令跳對側(cè)斷路器時,需經(jīng)對側(cè)斷路器就地判據(jù),滿足就地判據(jù)后方可跳閘。就地判據(jù)就是保護裝置啟動即可跳閘,裝置啟動的判據(jù)是零序電流和電流變化量達(dá)到整定定值。在現(xiàn)有保護配置下,此方案存在以下問題:

1)在高壓電抗器發(fā)生輕微故障或者高阻接地時,對側(cè)就地判據(jù)并不能可靠啟動或?qū)?cè)斷路器拒動,導(dǎo)致高壓電抗器故障時不能快速脫離電源點,可能造成電網(wǎng)故障擴大或者設(shè)備損壞;

2)高壓電抗器電量保護啟動采用啟動線路保護遠(yuǎn)跳方式跳對側(cè)斷路器時,不能區(qū)分是否啟動對側(cè)母線失靈回路,將造成對側(cè)母線保護拒動或者誤動的風(fēng)險。

2.1.2 解決方案

220 kV線路兩側(cè)斷路器的雙套線路保護均改造為集成過電壓保護功能的裝置。

集成過電壓功能的線路保護遠(yuǎn)方跳閘就地判據(jù)一般有7個判據(jù),即電流變化量、零負(fù)序電流、零負(fù)序電壓、低電流、低功率因數(shù)、低有功功率等。各個判據(jù)均可由整定方式字決定其是否投入,任何一個判據(jù)滿足時均可啟動跳閘出口,更好地保證對側(cè)斷路器不會拒動[11]。

2.2 完善高壓電抗器保護解母線保護復(fù)壓功能

2.2.1 存在問題

常規(guī)220 kV線路保護不需要接入母線保護的失靈解復(fù)壓回路。通常認(rèn)為線路故障即使可能經(jīng)高阻接地,母線電壓依然會有較明顯的變化,完全可以達(dá)到失靈保護的復(fù)壓開放條件。當(dāng)線路并接高壓電抗器后,情況則有所不同。

高壓電抗器作為一種特殊變壓器,屬于高阻元件,其鐵芯繞組阻抗極高。當(dāng)電抗器末端故障時,首端的線路電壓及母線電壓可能變化不明顯,不足以達(dá)到失靈保護電壓開放的條件。同理于變壓器低壓側(cè)故障時高壓側(cè)電壓變化不明顯的情況[12]。

在這種情況下,高壓電抗器故障且斷路器失靈時可能出現(xiàn)失靈保護拒動的情況,進(jìn)而造成事故擴大或者設(shè)備損壞。

2.2.2 解決方案

將高壓電抗器保護的一組啟動失靈備用接點開出至母線保護的線路失靈解閉鎖開入中,增加高壓電抗器保護至母線失靈保護的解復(fù)壓回路,實現(xiàn)高壓電抗器保護動作同時啟動失靈、解復(fù)壓的一并開出。圖2為某220 kV線路高壓電抗器保護解復(fù)壓回路。

圖2 某220 kV線路高壓電抗器保護解復(fù)壓回路

2.3 線路保護

2.3.1 存在問題

在線路輕載運行時,可能因為長線路的電容效應(yīng)導(dǎo)致線路末端產(chǎn)生過電壓,此時需要線路保護的過電壓保護功能切除線路兩側(cè)斷路器。

1)當(dāng)線路正常運行時,線路電壓與母線電壓相同,故保護取母線或線路二次電壓均不影響過電壓保護正常動作。

2)當(dāng)線路本側(cè)斷路器熱備用或冷備用,同時對側(cè)斷路器向線路充電時,線路電壓與母線電壓則存在差異。一旦線路出現(xiàn)過電壓的情況,母線電壓依然穩(wěn)定不變,導(dǎo)致線路過電壓時線路保護拒動的可能。

2.3.2 解決方案

線路過電壓保護功能須采集線路側(cè)電壓才能正確判斷出線路過電壓狀態(tài),繼而切除線路兩側(cè)斷路器。

2.4 高壓電抗器保護遠(yuǎn)跳功能實現(xiàn)方式

2.4.1 存在問題

220 kV線路保護通過遠(yuǎn)方跳閘功能實現(xiàn)跳線路對側(cè)斷路器[13]。對于配置過電壓及遠(yuǎn)方跳閘功能的線路保護而言,當(dāng)線路對端的母線保護、電抗器保護等動作時均可通過光纖通道發(fā)遠(yuǎn)跳信號。其中,啟動遠(yuǎn)跳功能可通過3種開入實現(xiàn),分別是遠(yuǎn)跳(遠(yuǎn)方其他保護動作)、遠(yuǎn)傳1、遠(yuǎn)傳2。

遠(yuǎn)傳1開入經(jīng)遠(yuǎn)傳收信邏輯和相應(yīng)的就地判據(jù)實現(xiàn)遠(yuǎn)跳功能,與遠(yuǎn)跳命令邏輯相同;但是遠(yuǎn)傳1經(jīng)過的就地判據(jù)條件更為多樣,增加了低電流、低功率因數(shù)、低有功功率等判據(jù)可供選擇,因此能夠更為準(zhǔn)確、快速地判斷故障情況,有效防止斷路器拒動。

遠(yuǎn)傳2開入則不經(jīng)就地判據(jù),即本端光纖通道收到對端“遠(yuǎn)傳2”命令時,不經(jīng)故障判據(jù)直接三相跳閘。所以遠(yuǎn)傳2一般不用來遠(yuǎn)跳對側(cè)斷路器,可用作如啟動對側(cè)故障錄波等信息傳輸功能。

在線路加裝并聯(lián)電抗器后,高壓電抗器電量保護及非電量保護動作后如何配合線路保護實現(xiàn)跳線路兩側(cè)斷路器是工程設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。

2.4.2 解決方案

1)高壓電抗器電量保護啟動遠(yuǎn)方跳閘接入相對應(yīng)線路保護的遠(yuǎn)傳1開入(要求啟對側(cè)母線保護失靈),對應(yīng)線路保護自身遠(yuǎn)跳開入不變;對側(cè)220 kV線路保護收遠(yuǎn)傳1接點接入操作箱TJR跳對應(yīng)斷路器,并利用保護動作節(jié)點啟動母線保護的該線路間隔三相失靈。電量保護啟動遠(yuǎn)傳回路如圖3所示。

圖3 220 kV線路高壓電抗器電量保護啟動遠(yuǎn)傳回路

2)高壓電抗器非電量保護通過電纜接本側(cè)線路保護裝置實現(xiàn)非電量跳閘信號關(guān)聯(lián)對應(yīng)的1、2號線路保護的遠(yuǎn)傳1開入(雖然規(guī)范要求不啟動對側(cè)母線保護失靈,但目前實際設(shè)備難以滿足條件)。非電量保護啟動遠(yuǎn)傳回路如圖4所示。

圖4 220 kV線路高壓電抗器非電量保護啟動遠(yuǎn)傳回路

3)在進(jìn)行線路高壓電抗器保護檢修時,電量保護和非電量保護均可通過退出啟動遠(yuǎn)方跳閘出口軟/硬壓板,實現(xiàn)防止誤跳對側(cè)斷路器及誤啟動對側(cè)母線失靈開入。

2.5 母線保護模型

2.5.1 存在問題

高壓電抗器電量保護啟動失靈回路應(yīng)關(guān)聯(lián)至相應(yīng)220 kV母線保護的本線路間隔三相啟動失靈,而線路保護則關(guān)聯(lián)為本線路間隔分相啟動失靈[14-15]。

此種情況下,可能存在母線保護硬件配置或軟件模型不支持一個支路接收不同保護各自的啟動失靈開入。對于常規(guī)站而言,母線保護的裝置硬件可能缺少相應(yīng)接口回路;對于智能站而言,母線保護模型則可能要求同一個間隔的A、B、C分相及三相啟動失靈開入必須要求關(guān)聯(lián)來自同一保護裝置GOOSE控制塊。

2.5.2 解決方案

根據(jù)工程實際情況,對母線保護硬件配置或程序版本和模型進(jìn)行升級,以實現(xiàn)每個支路支持接收兩組失靈開入的能力,并且分相和三相兩組啟動失靈需經(jīng)過獨立接收軟壓板控制,如圖5所示。

圖5 220 kV線路間隔啟動失靈回路

若更改整個母線保護模型,則與之對應(yīng)的所有間隔必須全部進(jìn)行傳動試驗;若只針對失靈開入功能模塊進(jìn)行程序和模型升級,保持母線保護輸出控制塊模型不變,則無須重復(fù)進(jìn)行傳動試驗,升級完成后與升級前出口報文比對無誤后便可投入運行。

3 運行注意事項

3.1 定值中的注意事項

220 kV高壓電抗器保護定值與其他保護的定值有很大的差異,具體體現(xiàn)在兩個方面。

1)各類保護裝置的定值均需要人為進(jìn)行整定,但高壓電抗器保護僅需要整定系統(tǒng)參數(shù),各種保護定值項均由裝置自動生成,部分廠家通過“自動整定定值”控制字進(jìn)行控制。建議采用人工整定方式以便于根據(jù)實際運行情況進(jìn)行調(diào)整。

2)220 kV電抗器與500 kV電抗器結(jié)構(gòu)雖然相同,但其銘牌參數(shù)所代表的含義可能不盡相同。如500 kV電抗器銘牌容量表示分相容量[16],而220 kV電抗器銘牌容量可能表示三相容量,導(dǎo)致在定值整定時容易出現(xiàn)重大錯誤。

3.2 送電時光纖差動保護投退注意事項

當(dāng)對側(cè)站或本側(cè)站對電抗器進(jìn)行空載充電時,電抗器產(chǎn)生的感性電流與線路產(chǎn)生的容性電流相互補償,線路保護感受到的電流和差流基本為0。當(dāng)線路并聯(lián)電抗器時,保護邏輯有相應(yīng)的考慮措施,通過合理整定線路保護的定值,可完全避免高壓電抗器對光纖差動保護的影響,故不用退出線路保護的光纖差動保護。

3.3 電抗器對220 kV備自投裝置功能的影響

220 kV變電站的220 kV備自投多采用進(jìn)線備自投方式,在某一進(jìn)線加裝高壓電抗器后,可能會對備自投功能造成一定影響。

在對某變電站220 kV備自投進(jìn)行傳動試驗時,通過比對備自投動作報告發(fā)現(xiàn)當(dāng)加裝高壓電抗器的A線路主供時,拉開該線路對側(cè)斷路器,其跟跳斷路器動作時間相對其他傳動方式晚78 ms,具體情況見表3。

兩種情況的故障錄波波形如圖6—圖7所示。對比分析可以得出由于A線路有非線性元件電抗器,當(dāng)拉開A線路對側(cè)斷路器時,因本側(cè)220 kV母線無負(fù)載,電壓不會快速下降,存在電壓下降過程。兩種情況下,從主供電源電壓消失至備自投動作成功,所用時間分別為6455 ms(A線路)和2172 ms(B線路)。

圖6 A線路(圖中265)主供時220 kV備自投動作波形

圖7 B線路(圖中263)主供時220 kV備自投動作波形

由此可得A線路并聯(lián)電抗器運行作主供電源時,由于儲能元器件的存在[17],在220 kV母線空載運行時將導(dǎo)致220 kV備自投動作時間延長,系統(tǒng)恢復(fù)正常時間遲滯。

4 結(jié) 論

上面結(jié)合國內(nèi)實際工程實例,對220 kV線路加裝并聯(lián)電抗器的技術(shù)難點進(jìn)行了研究分析,并針對現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范中無明確要求或相關(guān)要求難以實際落實的關(guān)鍵問題提出了較為合理、明確的處理思路和解決方案,以期解決現(xiàn)場設(shè)計和施工人員的相關(guān)疑惑和困擾。