继电保护装置自取能电源供电异常分析及改进建议

继电保护装置自取能电源供电异常分析及改进建议

Summary：采用自供电即电流互感器自取能的微机保护装置，在供电系统设计以及装置可靠性上，存在着一定的安全隐患。结合具体事故案例，分析了高压开关柜微机保护装置供电系统存在的问题，根据现场运行情况，通过对比多种供电方案，提出一种外部双电源交流不同源带铅酸蓄电池储能装置的供电方案。Keys：10kV配电网；微机保护装置；CT自取能电源；外部双电源交流不同源带储能电源1事故案例分析1.110kV线路跳闸事件描述2019年8月15日，10kV铸钢线线路出口保护跳闸，重合不良，强送不良。故障原因为13809直埋箱变电源电缆受外力破坏发生AB相间短路故障，故障位置如图1所示，图1中圆圈标记处即为故障发生位置。13809所属上级10kV开关站配备自供电微机保护装置，保护定值如表1所示，现场13809高压柜开关为合位，微机保护装置已经断电，导致保护未动作，造成故障越级跳闸，同时由于13809开关一直为合位，导致第一次跳闸未将故障区域隔离，造成重合不良和强送不良，10kV铸钢线全线停电，扩大了停电面积和停电时间。1.2故障原因分析①自取能电源供电能力不足：通过计算装置负载功耗和获取一次电流值大小，分析得出自取能装置供电能力无法满足保护装置正常运行。保护装置自供电时平均消耗功率为1V·A，装置启动功率为0.2V·A，现场自取能电流互感器(CT)变比为150/5，当互感器一次电流大于或等于15A时，取电绕组二次输出电压为18V，输出功率为1V·A。现场实测二次输出电压为4.5V，通过查询系统获得变压器二次电流曲线，如图2所示，计算得13809最大负荷电流为7.8A，取电互感器提供的功率远远小于1V·A，因此无法满足保护装置的正常运行需求。②自取能装置能量转换效率低：由于电流取电通过互感器感应取电，开口电流互感器存在漏磁现象，同时由于制造元件等因素，导致能量转换效率低，使得一次负荷电流小于5A时，无法获得感应电。③自取能装置供电系统缺乏蓄电池储能装置：由于负荷电流波动大，电流小时无法满足保护装置的正常运行，同时缺乏蓄电池备用供电装置，导致保护装置无法正常工作。同时造成保护装置的频繁启动，容易对保护装置造成损坏。2保护装置供电方案的选择2.1更换高精度取电互感器CT取电装置原理图如图3所示，采用150/5变比的自取能CT，由于精度达不到要求，所以造成能量转换效率不高，无法满足保护装置的供电需求。更换高精度取电互感器，取电启动电流由原来的5A变为1A，取电互感器输出功率为2.5V·A，即当线路电流达到5A时，取电互感器功率输出满足保护装置的运行功耗需求。但仍存在一次负荷电流不稳、保护装置关机和频繁启动的问题，而且高精度取电互感器的造价是普通取电互感器价格的4倍，此外在改造的过程中，需要对设备进行倒闸操作，在高压柜内部更换互感器，操作复杂且存在一定安全隐患。2.2多CT并联取电互感器根据电流互感器取电电流小的根本问题，提出通过并联增加CT数量来获取大电流的方案，经过实验得到单CT输出功率曲线如图4所示、双CT输出功率曲线如图5所示，通过实验数据可知，双CT取电装置输出功率是单CT取电装置输出功率的2倍。电流互感器变比为150/5，当互感器一次电流大于或等于15A时，取电绕组二次输出电压18V，输出功率为1V·A，满足保护装置用电需求。通过查询如图2所示的变压器13809二次负荷电流曲线得知，一次负荷电流最大值为2.98A，最小值为0.39A。需要并联38个150/5电流互感器，结论：此方案不符合现场运行条件。以上两种取电互感器方案的提出否定了在开闭所继电保护装置中使用电流取能互感器为保护装置供电的可能。2.3加装电容分压取电装置除了采用CT取能外，还可以采用电容分压装置为保护装置提供交流电源，再通过整流装置为保护装置和储能蓄电池提供电源。电容分压装置工作原理如图6所示。电容分压装置输出功率为15V·A，保护装置功耗为1V·A，开闭所每段母线下配有8个出线间隔，同时考虑为蓄电池进行供电，因此电容分压装置输出功率为15V·A，满足现场设备运行需要。电容分压装置在技术上完全满足配电开闭所继电保护装置的正常供电。下面将针对该方案的经济性和可实施性进行论证。考虑到供电可靠性和开关站双电源供电的情况，需要为每段母线分别配置一个电容分压装置，同时需要对开闭所母线和间隔进行扩展，改造的设备和施工成本过大。同时在施工需要对母线设备进行停电，将影响系统供电可靠性。2.4外部双电源交流不同源带储能供电装置综合上述微机保护装置电源改造方案，提出一种外部双电源交流不同源带储能蓄电池的电源供电方案。该方案原理图如图7所示。本装置采用两路外部交流电源，一路电源取自铸钢一线13809箱变低压侧，另一路电源取自铸钢二线13801箱变低压侧。13801变压器台区线损情况如图8所示，13809变压器台区线损情况如图9所示，统计线损时间从2021年2月至2022年1月共计12个月。13801台区线损在2%以下，13809台区线损在5%以下，均满足台区线损指标要求。当一条线路发生故障失去电源时，应能保证全站所有保护装置能正常供电。为了保证电源的接入不会对台区线损造成影响，要求馈出交流电源的变压器台区线损达标，同时在装置电源进线前端加装单相电能表，用于计量功率损耗，并与上级变压器考核表进行通信，相关电量纳入台区线损计算模型，同时可后台调阅电能表数据用于检测保护装置和电源模块的运行工况，电源装置电量消耗情况如表2所示。电源1单相电能表表号为85927312，电源2单相电能表号为85927313，倍率为1，计量点1名称为阀门开闭所综保13801电源、计量点名称2为阀门开闭所综保13809电源。现场主电源为13801，备用电源为13809。两路电源经电能计量装置后进入隔离型双电源自动转换开关，当主电源失电后开关自动切换另一路电源，当两路电源全部失压时，开关进入隔离开关模式，防止反送电。隔离型双电源转换开关输出220V交流电进入电源模块，通过变压器将电压变为AC30V，经整流模块输出DC27.5V。正常工作模式下，一部分直接给负载供电，一部分给蓄电池充电，通过充放电模块控制充电电流、开始充电电压以及充电截止电压，并定期对蓄电池进行活化和充放电。当两路电源全部失压后，由蓄电池为负载进行供电。同时电源模块配有RS485接口和活化、欠压告警拓展接口。结语：当前配电自动化的发展已经有了良好的基础，难点在于如何充分考虑各项因素从而选择合适的发展模式，需要考虑当前配电网网架情况以及预期规划目标网架、配电自动化设备选型、配电网故障特点等，除了考虑的技术因素外，还需要考虑终端设备和主站运维检修能力，日常运维使用能力及配电自动化设备介入系统后在检修抢修时采取