阐述电力系统中继电保护的状态监测及实施

时间:2022-03-04 09:12:14

阐述电力系统中继电保护的状态监测及实施

摘要: 本文笔者是对微机保护设备状态监测的内容、和要解决的若干问题,及利用SEL 保护可编程逻辑PLC 功能,实现操作回路监视手段智能化方案等方面来进行探讨,继电保护状态监测以及要实现的方案作出分析。

关键词: 电力系统;状态监测;继电保护;

1、保护设备状态检修的概述

设备检修体制是随着科学技术的进步而不断演变的,由事后检修/故障检修发展到预防性检修,预防性检修主要有两种模式,以时间为依据的检修,预先设定检修工作内容与周期的定期检修,或称计划检修和以可靠性为中心的检修。

电气设备根据功能不同可分为一次设备和二次设备,其中电气二次设备主要包括继电保护、自动装置、故障录波器、就地监控和远动等。随着一次设备状态检修的推广,线路不停电检修技术的应用,因检修设备而导致的停电时间将越来越短,从客观上对电气二次设备检修提出了新的要求。

因此,继电保护设备如何在检修体制、检修方法及检验项目、检修周期等方面通过合适的技术措施和手段,保证保护设备的可靠运行,适应电网安全运行的要求,实行保护设备状态检修将成为一种必然的选择,而实行继电保护设备状态监测又是保护设备状态检修的一项重要技术手段。

2、保护设备状态监测的需求

传统的继电保护、安全自动装置及二次回路接线是通过进行定期检验确保装置元件完好、功能正常,确保回路接线及定值正确。若保护装置在两次校验之间出现故障,只有等保护装置功能失效或等下一次校验才能发现。如果这期间电力系统发生故障,保护将不能正确动作。以往的保护检验规程是基于静态型继电器而设计的,未充分考虑到数字式保护的技术特点,对数字式保护沿用以前规程规定实施的监测周期、项目不尽合理。

同时,现在电网主接线方式在很大程度上限制了设备停役监测的时间,如一台半断路器接线方式的线路保护很难实现停电监测,除非结合线路停电监测;双母线接线方式已逐步取消旁路开关,变压器保护很难因保护校验而要求变压器停电,母差保护、失灵保护的定期检验安排更是困难重重。

另一方面,带电校验保护具有实施上的安全风险和人员安全责任风险,因此,在实际运行中基本上很难保证保护设备可以有效地按照《继电保护及电网安全自动装置检验条例》的要求完成检验项目;尤其数字式保护的特性在很大程度上取决于软件编程,这并非可以通过传统的检验项目来发现保护特性的偏差,实际上,传统检验规程所确定的检验项目合理性已面临新技术应用的挑战。数字式保护的实现技术使保护设备本身具有很强的自检功能。因此,作为装置本身的监测和诊断已具备实现的可能,保护装置监测决策的确定具有了可靠的基础。同时,电气设备状态监测其概念上的合理性和技术上的可实现性,使保护实行状态监测模式具有极强的示范效应,监测效率提高和设备可靠性的提升,将能有效地提高设备的安全性和可用率,适应电力系统安全稳定运行需要。

3、需解决的应用难点

与电气一次设备不同的是电气二次设备的状态监测对象不是单一的元件,而是一个单元或一个系统。监测的是各元件的动态性能,微机保护和微机自动装置的自诊断技术的发展为保护设备的状态监测奠定了技术基础。

虽然,数字式保护装置本身具备状态监测的实施基础,但作为电网安全屏障的继电保护除装置本身,还包含交流输入、直流回路、操作控制回路等,状态监测范畴如果仅仅局限在装置本身将很难有实施推广的基础,对于保护的状态监测必须作为一个系统性的问题来考虑,或者说保护的状态监测环节如果能包含交流输入、直流、操作回路等,状态监测就比较有可能在实际应用中得到推广。

因此,实施保护设备状态监测应监测:交流测量系统,包括CT、PT二次回路绝缘良好、回路完整,测量元件的完好;直流系统,包括直流动力、操作及信号回路绝缘良好、回路完整;逻辑判断系统:包括硬件逻辑判断回路和软件功能。保护装置本身容易实现状态监测,但由于电气二次回路是由若干继电器和连接各个设备的电缆所组成,要通过在线监测继电器触点的状况、回路接线的正确性等则很难,这可能是保护迟迟未能有效地推进状态监测的主要原因之一。

电气二次操作回路是对电气一次设备进行操作控制的电路,是继电保护的一个重要组成部分。在继电保护设备要求进行状态监测的情况下,作为继电保护出口控制回路操作箱均采用硬件式结构,即由继电器直接在220V强电回路中通过二次线联接而成,接线繁杂,不具备自检、在线监测、数据远传等功能。虽然在综自站中该回路一部分硬接点可通过综自设备(如测控设计)进行上传监控,但要求二次回路继电器输出接点增多,使接线复杂化,可靠性下降,同时联接电缆也增多。

继电保护设备状态监测实施的重要基础就是在设备状态特征量的采集上不能有盲区,显然,对保护设备实行状态监测而言,现有的二次控制回路操作箱达不到要求。而利用美国SEL 提供的数字仿真式继电保护平台可以有效地设计微机操作箱,成功解决了电气二次回路状态监测问题,可为实现保护系统完整的状态监测,为继电保护实行状态监测创造必要的条件。

4、实施实例

某企业利用SEL 保护可编程逻辑( PLC)功能,实现微机操作箱的实际应用为例,该设计不但实现了在线监测和数据远传等功能,还大胆地突破原硬件式操作箱(回路)的结构模式,用SEL逻辑功能实现控制操作全过程的方案,使操作回路的结构只需用简单的开关量输入和开关量输出即可实现,取消了硬件结构上的防跳继电器,大大简化了操作回路的逻辑接线,减轻了现场工作人员的工作量,同时为保护实现状态监测提供了重要的应用基础。经过各项试验并且投入运行后,运行状况良好,达到设计要求。具体操作箱控制回路图如图1 所示。

图1 微机操作箱电气二次控制回路

本设计具有以下特点:

1) 保护装置到断路器操作机构的连接线减少到最少:从图1可知,利用SEL 保护实现微机操作箱后,使操作回路的结构只需用简单的开关量输入和开关量输出即可实现,取消了硬件结构上的防跳继电器,大大简化了操作回路的逻辑接线,从保护装置到断路器机构箱只需要合闸回路( 07)和跳闸回路(37)及负电源(2)三根电缆线即可。

2) 解决了电气二次回路是由若干继电器和连接各个设备的电缆所组成,点多分散,要通过在线监测继电器触点的状况、回路接线的正确性等则很难:从图1可知,利用对SEL保护( N101 -N106)输入信号的在线监测。实现了电气二次回路跳合闸操作开关(KK)和保护投入退出压板(XB1 - XB4)在线监测开关和压板触点的状况。在线监测保护出口回路压板(XB3; XB4)压板触点状态。如果压板触点不好保护装置发出控制回路断线信号。在线监测保护投入压板(XB1; XB2)压板触点状态。如果压板触点不好保护装置发出保护压板退出信号。

3) 在正常的跳合闸操作中间,对跳合闸二次回路和保护出口回路的输入和输出接点进行了传动。从图1可知,由于保护动作出口(OUT101)和重合闸出口(OUT102)与正常的跳合闸操作使用同一个继电器。所以利用正常的跳合闸操作,就可以对SEL保护的合闸和跳闸出口继电器进行在线监测继电器触点的状况。

4) 在线监测控制回路断线状态:从图1可知,利用对SEL保护( N105和N106)输入信号的在线监测。实现了电气二次回路断路器机构箱辅助接点(DL)状况的在线监测,在线监测断路器机构箱辅助接点(DL)状态。如果辅助接点不好保护装置发出控制回路断线信号。如果辅助接点两个长期同时通保护装置发出控制回路异常信号。如果断路器合闸或者跳闸而辅助接点没有切换保护装置发出辅助接点没有切换信号。

5) 保护装置发生故障后,事故跳闸操作:如果一旦保护装置发生故障,例如保护装置保险熔断、电源损坏或者CPU故障。都会造成无法跳开断路器的问题。因此在跳闸二次回路中设计一个事故跳闸操作按钮(SAN)。正常情况下用螺旋盖子盖起来。一旦保护装置发生故障。运行人员首先打开保护出口回路压板(XB3) ,然后旋开事故跳闸操作按钮(SAN)盖子。按下按钮跳开断路器。进行保护装置的监测。

6) 利用SEL保护合闸逻辑和跳闸以及逻辑方程实现防跳功能:如图2中,保护动作后TR =逻辑1,继电器字位TR IP总是置位起动继电器OUT101。如果在跳闸最短持续定时器(整定值TDURD)的输入有一个上升沿(逻辑0到逻辑1的跳变) ,而此时还未计时的话,定时器就输出逻辑1 并保持“TDURD”周波。TDURD定时器能保证继电器字位TR IP置位时间保持最短的“TDURD”周波,如果保护动作( TR =逻辑1)的时间超过TDURD时间,继电器字位TR IP在TR =逻辑1 的这段时间内保持置位。通过KK开关,利用SEL保护( N102)输入信号,直接出口到跳闸(作为面板操作的手动跳闸开关) 。一旦继电器字位TR IP置成逻辑1,它将保持置位,直到下列所有条件都为真: 跳闸持续定时器停止计时(TDURD定时器的输出为逻辑0) ,保护动作回TR复位至逻辑0,并且,满足下列条件之一: 电流继电器50P1无电流返回使ULTR置成逻辑1,按下面板复归(TARGET RESET)按钮,从综合自动化后台机上执行TAR R (信号复位)命令。

图2微机操作箱逻辑控制回路

7) 通过KK开关,利用SEL保护( N103)输入信号,直接出口到合闸(作为面板操作的手动合闸开关)实现合闸置位。如图2 中继电器字位TR IP闭锁( IN103)输入信号。这样就能保证在继电器字位TR IP置位时, CLOSE不会置位( TR IP优先) 。满足防跳功能。如图2中5 2A是断路器辅助接点输入信号,光隔输入N105连到断路器辅助接52a上,使52A 的动作逻辑服从断路器辅助接点。当检测到断路器闭合情况,继电器字位CLOSE复位成逻辑0。这样在断路器闭合过程中,只要有一个合闸脉冲输入。合闸输出逻辑就自保持,直到合闸成功,断路器辅助接点打开。满足防跳功能。因为整定CFD= 60.000周波,所以一旦继电器字位CLOSE置位,能在60周波后解锁继电器字位CLOSE复位成逻辑0,防止断路器辅助接失灵损坏合闸中间继电器。

5、结束语

根据上述可知:电气二次设备状态监测是电力系统应用发展的必然,微机保护自诊断技术的使用使设备的状态监测技术上具备了实施的基础,同时,由于某些保护具有的PLC功能使得保护的有效监测范畴可以拓展到装置以外的回路中去,这为有效地监视保护系统的相关回路提供了可能,或者说从保护装置的检测拓展到相关回路的检测,从而使继电保护的状态监测具备了实施的基础。保护的状态监测将有助于对设备的运行情况、缺陷故障情况、历次监测试验记录等实现有效的管理和信息共享,并为设备运行状况的分析提供了可靠的信息基础,将有助于合理地制定设备的监测策略,提高保护装置的可用率,为实现电气二次设备状态检修提供了坚实的基础。

注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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