隨著特高壓、遠(yuǎn)距離直流輸電工程的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)大容量動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力的要求越來(lái)越高。在此背景下，新一代調(diào)相機(jī)憑借其容量大、維護(hù)少、瞬時(shí)無(wú)功支撐能力強(qiáng)、暫態(tài)無(wú)功響應(yīng)快的特點(diǎn)，成為直流輸電工程中最重要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，發(fā)揮著電壓支撐作用。

電力系統(tǒng)的電氣量是指通過(guò)電壓、電流互感器等采集獲取到的電氣參數(shù)。由電氣量構(gòu)成的保護(hù)，稱(chēng)為電氣量保護(hù)。與之相對(duì)應(yīng)的非電量，通常是指電力系統(tǒng)中一次設(shè)備的瓦斯、溫度、壓力等參數(shù)。非電量保護(hù)是大型變壓器、調(diào)相機(jī)的常見(jiàn)后備保護(hù)，其與電量保護(hù)的原理不同，可以和電量保護(hù)配合構(gòu)成更完善的保護(hù)，因而得到廣泛應(yīng)用。

就地儀表采集到的調(diào)相機(jī)相關(guān)熱工保護(hù)信號(hào)通常接入分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）裝置，由DCS完成三取二邏輯處理后再輸出3路熱工保護(hù)信號(hào)至三取二裝置，最后由三取二裝置完成判斷后動(dòng)作跳閘。整個(gè)過(guò)程中存在兩次三取二計(jì)算，并且DCS輸出的3個(gè)熱工信號(hào)為同源，存在單一故障導(dǎo)致“三取二”失效的情況。

為了簡(jiǎn)化信號(hào)傳輸鏈路，提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性和保護(hù)運(yùn)維便利性，需要對(duì)調(diào)相機(jī)熱工保護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)使DCS和熱工保護(hù)完全解耦，并將熱工保護(hù)整體遷移至非電量保護(hù)裝置，可進(jìn)一步提高熱工保護(hù)可靠性。

本文結(jié)合熱工保護(hù)和非電量保護(hù)的特性，設(shè)計(jì)一種集熱工保護(hù)和非電量保護(hù)于一體的保護(hù)裝置，給出各個(gè)重要保護(hù)動(dòng)作元件的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)算邏輯，并針對(duì)保護(hù)可靠性，提出二次回路和出口的設(shè)計(jì)思路。采用該非電量保護(hù)裝置，可大大提高熱工保護(hù)的可靠性，并簡(jiǎn)化二次設(shè)備的運(yùn)維復(fù)雜度，減少后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的工作量。

1 熱工及非電量信號(hào)接入方案

目前，直流輸電工程中廣泛采用“三取二”保護(hù)邏輯，提高了保護(hù)動(dòng)作的可靠性。鑒于調(diào)相機(jī)在高壓輸電工程中的重要性，通常也采用三取二的跳閘邏輯提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性。調(diào)相機(jī)工程中的熱工信號(hào)接入DCS后的信號(hào)傳遞示意圖如圖1所示。

圖1 熱工信號(hào)接入DCS后的信號(hào)傳遞示意

由圖1可知，3組熱工信號(hào)直接接入DCS，由DCS進(jìn)行三取二等邏輯運(yùn)算后輸出動(dòng)作信號(hào)，并將輸出節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展成3組后接入三取二裝置，最后由三取二裝置完成動(dòng)作出口。

從信號(hào)傳遞示意圖來(lái)看，采用熱工信號(hào)接入DCS的方案存在單一回路或者裝置異常導(dǎo)致整個(gè)三取二失效的可能性。為解決這一問(wèn)題，將熱工保護(hù)和DCS解耦，同時(shí)將熱工信號(hào)接入非電量保護(hù)裝置。改進(jìn)后的熱工及非電量保護(hù)信號(hào)接入示意圖如圖2所示。

圖2改進(jìn)后熱工及非電量保護(hù)信號(hào)接入圖

由圖2可知，集成熱工功能的非電量保護(hù)裝置需配置三臺(tái)，分別為C1套、C2套和C3套。三取二裝置需要配置兩臺(tái)，分別為A套和B套。所有模擬量和開(kāi)關(guān)量的采集由熱工及非電量保護(hù)裝置完成，所有三取二邏輯由三取二保護(hù)裝置完成，最終由后者出口跳閘。此方案工程適應(yīng)性較強(qiáng)，無(wú)論是新建站還是改造站都便于實(shí)施。

為了避免兩個(gè)以上不同類(lèi)型非電量或者熱工信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)故障導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的情況，熱工及非電量保護(hù)裝置給三取二裝置發(fā)送的為各個(gè)熱工或者非電量信號(hào)，由三取二裝置完成同一類(lèi)型信號(hào)的判斷后動(dòng)作跳閘。

三取二保護(hù)裝置的每個(gè)動(dòng)作元件都有三個(gè)模式，分別為三取二模式、二取一模式和一取一模式，具體如下。

三取二模式：?jiǎn)闻_(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置動(dòng)作情況下，三取二保護(hù)裝置可靠不動(dòng)作。在兩臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置動(dòng)作情況下，三取二保護(hù)裝置要可靠動(dòng)作。

二取一模式：當(dāng)一臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置異常，另兩臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置任一動(dòng)作時(shí)，三取二保護(hù)裝置要可靠動(dòng)作。

一取一模式：極端情況，當(dāng)兩臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置均異常，最后一臺(tái)熱工及非電量保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，三取二保護(hù)裝置要可靠動(dòng)作。

此外，熱工信號(hào)由就地儀表采集后經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置可同時(shí)發(fā)送至熱工及非電量保護(hù)裝置和DCS。同時(shí)，三取二裝置也支持與DCS的通信，可發(fā)送各類(lèi)告警和動(dòng)作信號(hào)。通過(guò)上述接口及協(xié)同工作，DCS可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要信號(hào)及動(dòng)作的監(jiān)視、告警和控制。

2 非電量保護(hù)原理與設(shè)計(jì)

非電量信號(hào)可分為跳閘類(lèi)非電量信號(hào)和非跳閘類(lèi)非電量信號(hào)，采集自調(diào)相機(jī)工程中主變壓器和勵(lì)磁變壓器的本體，可直接或者通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換后，經(jīng)二次回路接入保護(hù)裝置的非電量重動(dòng)模塊。信號(hào)變位時(shí)經(jīng)過(guò)重動(dòng)模塊輸出中央信號(hào)、遠(yuǎn)方信號(hào)和事件記錄三對(duì)信號(hào)接點(diǎn)，其中，中央信號(hào)接點(diǎn)有磁保持功能，即當(dāng)非電量信號(hào)返回后，中央信號(hào)接點(diǎn)保持導(dǎo)通直至按下相應(yīng)的復(fù)歸按鈕，其他出口接點(diǎn)則立即返回。

由于變壓器針對(duì)不同的非電量信號(hào)可繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)間有所不同，因此設(shè)計(jì)非電量延時(shí)動(dòng)作元件。對(duì)于需要延時(shí)跳閘的非電量信號(hào)，除了能重動(dòng)及輸出上述三對(duì)接點(diǎn)外，在滿足設(shè)定的延時(shí)邏輯后，能發(fā)送相應(yīng)的延時(shí)動(dòng)作報(bào)文或者啟動(dòng)專(zhuān)門(mén)的跳閘繼電器出口。需要延時(shí)跳閘的非電量開(kāi)入信號(hào)原理如圖3所示。非電量延時(shí)保護(hù)邏輯如圖4所示，非電量延時(shí)保護(hù)元件受軟硬壓板控制，可單獨(dú)出口，不受重動(dòng)繼電器影響。

圖3 需延時(shí)跳閘的非電量開(kāi)入信號(hào)原理

圖4 非電量延時(shí)保護(hù)邏輯

為了配合三取二設(shè)計(jì)，非電量開(kāi)入和非電量延時(shí)動(dòng)作信號(hào)可分別輸出，可通過(guò)硬接點(diǎn)或光纖發(fā)送至各三取二裝置。

3 熱工保護(hù)原理與設(shè)計(jì)

調(diào)相機(jī)按冷卻方式可分為空冷機(jī)組和雙水內(nèi)冷機(jī)組，兩種方式因冷卻原理和結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致熱工保護(hù)也存在不同。在設(shè)計(jì)熱工保護(hù)時(shí)需要考慮兼容調(diào)相機(jī)不同的冷卻模式。

3.1 溫度異常保護(hù)

裝置有可進(jìn)行溫度采集的測(cè)量模塊，含有多組獨(dú)立通道，可分別接入不同溫度測(cè)量信號(hào)。溫度采集模塊主要用于采集出線端和非出線端軸瓦溫度，考慮到軸瓦溫度不會(huì)短時(shí)突變，因此當(dāng)采集的溫度變化率大于最大溫度變化率定值，或者溫度采樣信號(hào)超出采樣范圍時(shí)，置品質(zhì)異常。

溫度品質(zhì)判據(jù)表達(dá)式為

溫度異常保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為：采集溫度大于溫度異常動(dòng)作定值。當(dāng)保護(hù)軟壓板、功能控制字投入且采樣品質(zhì)正常條件下，溫度監(jiān)視元件判據(jù)滿足時(shí)，溫度監(jiān)視保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作。溫度異常保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖5所示。

圖5 溫度異常保護(hù)動(dòng)作邏輯

此外，多通道的溫度測(cè)量信號(hào)均設(shè)置包含獨(dú)立定值的保護(hù)元件，滿足多組監(jiān)視需求。

3.2 油位異常保護(hù)

裝置具有可進(jìn)行潤(rùn)滑油主油箱液位采集的模塊，同樣含有多組獨(dú)立通道，通過(guò)采集的4～20mA直流電流信號(hào)反映油位情況。當(dāng)采集的小電流信號(hào)出現(xiàn)超出4～20mA范圍等異常時(shí)會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)異常。

油位異常保護(hù)還設(shè)置了“油位監(jiān)視功能切換”定值，以滿足對(duì)液位過(guò)高或過(guò)低不同的判斷需求。油位異常保護(hù)判據(jù)為：“油位監(jiān)視功能切換”定值整定為過(guò)量保護(hù)時(shí)，通過(guò)小電流信號(hào)計(jì)算出的位置值大于動(dòng)作定值；“油位監(jiān)視功能切換”定值整定為欠量保護(hù)時(shí)，通過(guò)小電流信號(hào)計(jì)算出的位置值小于動(dòng)作定值。當(dāng)保護(hù)軟壓板、功能控制字投入且采樣品質(zhì)正常條件下，油位異常保護(hù)元件判據(jù)滿足時(shí)，油位監(jiān)視保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作。油位異常保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖6所示。

圖6 油位異常保護(hù)動(dòng)作邏輯

此外，多通道的4～20mA直流信號(hào)均設(shè)置獨(dú)立保護(hù)元件，同樣支持獨(dú)立定值，滿足多組監(jiān)視需求。

3.3 轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)

機(jī)組的轉(zhuǎn)速探頭采集到轉(zhuǎn)速后會(huì)轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)發(fā)送給保護(hù)裝置，裝置利用4～20mA直流采集模塊采集轉(zhuǎn)速值，當(dāng)小電流信號(hào)超出采樣范圍時(shí)則認(rèn)為當(dāng)前采集的轉(zhuǎn)速品質(zhì)異常。

通過(guò)就地壓差開(kāi)關(guān)獲得轉(zhuǎn)子水壓力，若小于設(shè)定值，則送出一組開(kāi)關(guān)量信號(hào)到保護(hù)裝置，即轉(zhuǎn)子水流量低開(kāi)入。

只有當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，同時(shí)轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)水流量低時(shí)，才認(rèn)為是機(jī)組發(fā)生異常。因此，轉(zhuǎn)速高需要配合轉(zhuǎn)子水流量低開(kāi)入構(gòu)成轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)。

轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)的判據(jù)為：通過(guò)小電流信號(hào)計(jì)算出的轉(zhuǎn)速大于動(dòng)作定值，且有轉(zhuǎn)子水流量低開(kāi)入。保護(hù)軟壓板、功能控制字投入且采樣品質(zhì)正常條件下，滿足轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)的判據(jù)時(shí)，保護(hù)裝置經(jīng)延時(shí)動(dòng)作出口。轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子水流量低保護(hù)動(dòng)作邏輯

3.4 熱工開(kāi)入經(jīng)延時(shí)跳閘

調(diào)相機(jī)組的一部分熱工信號(hào)經(jīng)就地儀表采集后，通過(guò)二次回路直接以開(kāi)關(guān)量的方式接入熱工及非電量保護(hù)裝置，由裝置經(jīng)防抖延時(shí)等處理后用于保護(hù)動(dòng)作跳閘。以雙水內(nèi)冷機(jī)組和空冷機(jī)組為例，常見(jiàn)用于熱工保護(hù)的信號(hào)見(jiàn)表1。

表1 熱工保護(hù)常用信號(hào)

4 電源可靠性設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高可靠性，集成熱工功能的非電量保護(hù)裝置采用雙電源模塊設(shè)計(jì)，并確保接入單臺(tái)保護(hù)裝置的兩個(gè)電源模塊的交流電來(lái)自不同電源屏，任一電源丟失的情況下，不影響裝置正常運(yùn)行，并給出電源異常告警報(bào)文。

通常站內(nèi)開(kāi)入電源也來(lái)自兩路不同電源屏，開(kāi)入電源接入方式如圖8所示。由圖8可知，C1套非電量保護(hù)裝置開(kāi)入電源采用第一段直流電源供電，C2套非電量保護(hù)裝置開(kāi)入電源采用第二段直流電源供電，C3套非電量保護(hù)裝置開(kāi)入電源采用一、二段切換后直流電源供電，C3非電量保護(hù)屏中需配置直流電源自動(dòng)切換模塊。

圖8 開(kāi)入電源接入方式

采用雙電源模塊和雙開(kāi)入電源接入方式時(shí)，單一電源缺失可保證三臺(tái)裝置都能繼續(xù)正常運(yùn)行，但此時(shí)三臺(tái)非電量保護(hù)裝置中必然有一臺(tái)保護(hù)裝置的開(kāi)入電源消失。如圖8中的開(kāi)入電源1缺失，C3套非電量保護(hù)裝置的開(kāi)入電源經(jīng)電壓切換裝置由開(kāi)入電源2供電，C1套非電量保護(hù)裝置開(kāi)入電源缺失。

考慮到非電量保護(hù)裝置的開(kāi)入電源對(duì)保護(hù)動(dòng)作的重要性，設(shè)計(jì)具備電源監(jiān)視功能的非電量和熱工保護(hù)開(kāi)入模塊，三取二通道中發(fā)送開(kāi)關(guān)量的同時(shí)也會(huì)發(fā)送開(kāi)入電源是否異常的信號(hào)。當(dāng)與保護(hù)功能相關(guān)的開(kāi)入電源異常時(shí)，三取二保護(hù)裝置將保護(hù)功能由三取二模式切換為二取一模式，保證極端工況下保護(hù)能可靠動(dòng)作出口。

5 結(jié)論

為了將熱工保護(hù)遷移至非電量保護(hù)裝置，并進(jìn)一步提高保護(hù)可靠性，設(shè)計(jì)了集成熱工功能的非電量保護(hù)裝置，保留了原有非電量保護(hù)的特點(diǎn)，并支持非電量開(kāi)入的數(shù)字化通信。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了針對(duì)熱工保護(hù)特點(diǎn)的保護(hù)動(dòng)作元件，兼容多類(lèi)采樣模擬量接入，設(shè)計(jì)保護(hù)動(dòng)作邏輯。最后通過(guò)提高輸入、輸出可靠性來(lái)提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性，降低保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

采用該設(shè)計(jì)的集成熱工功能的非電量保護(hù)裝置已經(jīng)在調(diào)相機(jī)工程中得到試點(diǎn)應(yīng)用，目前對(duì)于老舊站的升級(jí)改造還需要進(jìn)一步研究和完善。將熱工保護(hù)集成至非電量保護(hù)，同樣有助于未來(lái)調(diào)相機(jī)熱工和非電量保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

本文編自2022年第10期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“集成熱工功能的調(diào)相機(jī)組非電量保護(hù)裝置設(shè)計(jì)”，作者為孫仲民、張曉宇 等。