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原标题:小接地电流系统中,故障行波是电力线路特有的

浏览次数:165 时间:2020-01-09

“煤从天上走,电从远方来!” 随着我国“西电东送、南北互供”能源战略的实施,随着智能电网和能源互联网建设的稳步推进以及“八交八直”特高压输电工程的投运,我国已经形成了全世界规模最大、电压等级最高的交直流互联大电网,为我国经济社会发展提供了坚强的电能保障。但是由于特高压电网输送容量大、距离长,对于继电保护提出了更高的要求。 继电保护是电力系统的第一道安全防线,通过快速检测并控制断路器切除故障设备,以达到保护故障电气设备不损坏、非故障部分电网继续安全稳定运行的目的。其中,行波保护不受电力系统振荡、过渡电阻、分布电容电流和电流互感器饱和等因素的影响,是理想的超特高压线路继电保护方式。 由清华大学电机系董新洲教授带领的项目团队经过10余年的基础研究和技术攻关,揭示了行波与电力故障之间的依存机理,提出基于初始行波信息的电力线路继电保护思想和方法,攻克了行波保护关键技术,取得多项原创性发明并产业化。项目成果已广泛应用于10—1000kV不同电压等级的电力线路,显著提升了电力系统安全水平,产生了显著的经济效益和社会效益。在2016年北京市科学技术奖评选中,荣获一等奖。 行波保护是护卫“能源高速路”的理想选择 美国电气和电子工程师协会继电保护委员会的调研表明:70%的大停电事故是由继电保护诱发或加剧的,从反面彰显了继电保护技术的极端重要性。优秀的继电保护技术既可以保护发生了故障的输电线路、发电机、变压器等电气设备不损坏,也可以显著改善整个电网的安全稳定水平。 随着电力事业的蓬勃发展,我国越来越多地采用超特高压输电技术作为远距离传输电能的方式。超特高压线路电压等级高、输电距离长、输送容量大、对电网稳定影响大、故障波及范围广。因此,如何保证超特高压输电线路安全运行成为整个保障电网安全可靠运行亟待解决的科学技术问题。 “电是以光速在电网中奔跑,北京用的电可能是来自内蒙古发电厂的电,也可能是来自甘肃风电基地的电,根本不知道源头在哪。”董新洲说,由于电网构成地域辽阔、输电线路运行环境恶劣,故障是不可避免的,线路一旦发生故障就必须立即切除。 “如果不及时切除,巨大的短路电流会烧毁输电线路本身以及与之相连的发电机和变压器,造成大面积恶性停电事故,严重影响经济发展和人民生活,甚至引发严重的社会问题。2003年美加大停电、2012年印度大停电、今年的台湾大停电都是例子。”董新洲说。 我国一次能源和电力负荷呈现逆向分布,西部、中部地区“憋”着各种能源资源蓄势待发,东南部沿海地区是急盼用清洁能源换取可持续发展的电力负荷中心,它们之间相距数千公里,超特高压输电成为必然的选择;随着互联电网规模的扩大,电力系统愈来愈接近其稳定极限运行,迫使继电保护必须用更短的时间切除可能发生的各种故障。 从电磁场理论出发,电能是以波的形式进行传播,在输电线发生故障或正常运行时,都会产生运动的行波。行波保护就是指利用输电线路发生故障时所出现的故障行波来判别故障并快速切除故障设备的重要保护措施。 “行波保护具有超高速动作性能,不受电力系统振荡、分布电容电流、过渡电阻和CT饱和的影响,是解决超特高压线路继电保护难题的理想选择,也是最为先进的电力线路继电保护技术。”董新洲说,行波保护原理新颖、技术上具有可实现性,性能优越,可有效保护超特高压长距离输电线路。 其实,家里的保险丝就是最早的、最基本的继电保护技术,通过感受电流增大发热而熔断、通过“断电”保护家用电器设备不损坏、不着火。 “继电保护是‘负的正能量’,它不能阻止故障的发生,但是通过快速发现故障并及时切除故障设备可以有效防止故障范围的扩大和蔓延,有效防止火灾事故的发生。”董新洲说,故障行波是电力线路特有的故障特征,利用故障行波构造保护可以灵敏检测各种输电线路故障,可以毫秒级地超高速度动作切除故障线路,因此它是理想的超特高压线路保护技术。 行波保护研究取得重大突破 据了解,1976年瑞典ASEA公司研制出世界上第一套行波保护装置,并在500千伏的输电线路中进行了试运行,但是由于未能很好解决可靠性问题,早期行波保护研究以失败而告终。之后各国都加大了对行波保护研究的力度,不过由于行波保护构成复杂、技术门槛高,一直未能取得实质性突破。 “国外研究起步虽然早,但并没有真正解决可靠性等方面的挑战。”董新洲说,行波保护面临最大的挑战是受制于特高压电网的现场条件,“行波是宽频暂态信号,现场所使用的电容分压式电压互感器不能传变高频电压,真正的宽频带行波无法获得。” 董新洲告诉记者,诞生于上世纪70年代的行波保护很长时间未获成功,主要问题在于:故障行波易逝且不可重复,信息源的标定、暂态信号的量化表示与实时算法问题尚未解决;行波与故障之间的联系规律和变化机理尚不明晰;与之相关的关键实现技术像高速采集、快速处理等核心技术亟须突破。 “可靠性是行波保护的命脉。行波保护的特点是灵敏、快速,与之相对的就是易受雷电、噪声的干扰,抗干扰能力是行波保护能否成功的关键。”董新洲说,行波很灵敏,可靠和灵敏是天敌,如何平衡二者之间的关系是关键。 针对上述问题,项目团队针对不同电压等级和线路结构的行波保护方法与保护装置研制开展工作,取得了重大突破。 项目团队系统性地创建了基于小波变换的故障行波基础理论、核心算法与关键技术;发明了超特高压线路行波方向比较式纵联保护;发明了配电线路单相接地行波选线保护。 针对超特高压线路无法获取电压行波难题,突破电磁暂态电路和电磁场割裂分析的瓶颈,创造性利用低频电压对宽频电流行波进行极化以获取故障方向,首创行波保护抗强电磁干扰技术,发明了行波方向比较式纵联保护,方向元件出口时间5ms,保护整组动作时间15ms,比传统保护快1倍。 首套基于极化电流行波方向继电器的行波纵联方向保护于2011年12月,成功投运西北750kV输电线路“乾线”,并取得了良好的运行效果。之后,项目团队进一步开发出了基于低频行波的差动保护技术,并于2013年成功投运江苏省电力公司500kV超高压线路珉—政线,2016年投运蒙西—天津南百万伏特高压输电线路。 不仅如此,行波保护在配电线路单相接地故障检测方面同样具有独特效果。我国10—35kV配电网普遍采用中性点非有效接地方式运行,这种方式的特点是:发生了单相接地故障后,线电压保持对称,可以不中断对用户供电;但是接地点会产生高温电弧、非接地相会产生过电压,给电网安全留下巨大隐患,因此需要可靠的接地故障检测技术。但是,由于中性点非有效接地,接地电流非常微弱,难以检测,成为困扰电网安全的世界性难题。 项目团队发现并证实行波与中性点接地方式几乎无关,只要故障发生,必然有行波产生,检测并比较不同线路上的初始行波,就可以可靠、灵敏检测出配电线路单相接地故障。行波选线技术是行波保护技术在配电线路上的推广和应用,是行波保护对电网安全的另一个重大贡献! “行波保护虽然国外研究的早,但现在已经被中国超越。现在国外要跟我们走,我国是头羊。”董新洲骄傲地说。 “但是国外咬的很紧,走第一步容易,第二步能否走坚实了,很关键。”虽然取得了成功,但董新洲抱有很强的忧患意识,他告诉记者,现在国外的一些厂商已经开始跟进上来。如果我们不能坚持研究、及时推广应用、扩大领先优势,我们艰难取得的原创性成果和优势,完全可能被别人超越。尽管国内外同行把行波保护的桂冠给予了董新洲团队,但他的脊梁骨依然“瘆得慌”。 广泛应用于我国电网加拿大pc28, 目前,针对不同电压等级不同线路结构的行波保护技术已由国电南京自动化股份有限公司和北京衡天北斗科技有限公司产业化,数千套不同型号的行波保护装置应用于我国电力、石化、钢铁、油田以及军工领域,在保护电力系统安全方面发挥了重要作用。针对中性点有效接地系统的配电线路高阻接地故障检测技术还被阿尔斯通公司产业化,在世界多国电网使用。 据了解,目前,我国的两大电网公司(国家电网公司和南方电网公司)和五大发电集团都采用了该项目的技术,用于所辖的电力线路保护。 董新洲告诉记者,采用该项技术能大幅降低电力线路故障所造成的设备损坏,减少电网失稳风险,降低电网停电损失,缩短停电时间,减少停电范围。快速切除故障、有效防止一次电网失稳而造成的大停电事故,即可挽回经济损失数百亿元。 项目成果推动了电力科学技术的进步,将电力系统继电保护的构成基础由工频稳态故障信息扩展到暂态行波信息,解决了电力系统中超特高压长距离输电线路保护和配电线路单相接地保护难题,丰富了电力系统继电保护和故障检测技术的内容。 此外,行波保护技术的突破还掀起了行波研究与应用的新高潮,引领了继电保护的发展方向,推动了相关产业的技术升级和更新换代,显著提升了我国继电保护的国际地位和竞争力,提升了智能电网消纳大规模可再生能源的能力,保障了电力乃至国家安全。

配电系统单相接地故障保护选线装置调查分析报告

一 、单相接地保护选线的重要性?

在变电站、开关站和发电厂中,66千伏、35千伏、10千伏、6千伏和3千伏配电线路,是电力系统的主要组成部分。在这些电压等级的系统中,变压器和发电机的中性点都采取了不接地或经过消弧线圈、电阻接地的方式进行输配电。并且在同一电压等级的母线上又有多条输出或输入配电线路相连接,大部分采用铝排架空引出或高压电力电缆线引出;线路数量一般有五六条、十几条或二三十条不等;每一条配电线路又有很多分支,按辐射状架设,再与各配电变压器连接,由配电变压器降成低压后供给广大的用户使用。在这类配电线路中,经常会发生相间短路、过电流和单相接地等故障现象。其中,单相接地的发生率最为频繁,占系统总故障率的70%以上;短路故障也多为单相接地后演变成多相接地而形成的。 单相接地是指配电线路上的A、B、C三相中,任意一相导线发生断线落地或接触树木、建筑物或电线杆、塔倒地与大地之间形成导电回路;以及大气雷电或其它原因形成过电压,致使配电设备的绝缘材料遭到破坏后,对地绝缘电阻明显过低等现象。 由于系统中主变压器的的中性点不接地或经过消弧线圈、高电阻接地。当在同一母线上有多条配电线路时,无论哪一条发生单相接地,都不能与主变压器的绕组线圈直接构成回路,线路中不会出现短路和过负荷等大电流现象。仅有线路与大地之间形成的电容电流发生变化,表现为每一条线路中会出现微弱的零序电流。此电流非常小,从几毫安到几百毫安或数安培不等,与线路的长度成正比;通常条件下,每公里长的架空线路约为15毫安左右。在电力行业内把这种供电系统称为:小接地电流系统或小电流接地系统。 在系统中,由于电压互感器的一次绕组采用了Y0方式接线与系统的母线相连,当任意一条线路发生单相接地时,在二次绕组的三角开口都有零序电压产生,可以设定零序过电压报警;但不能选择某一条线路。接地时由于非接地相线对地电压上升可达相电压的3倍,当系统再伴随有铁磁谐振产生时,就会使相电压升高15倍,甚至更高,形成过电压,加速了电力设备绝缘材料的老化,缩短了使用寿命,从而导致绝缘设备被击穿,就会出现两相或多相同时接地而发生短路事故,加大了电力设备的损坏程度。因此,在电力系统中经常会发生电压互感器、断路器爆炸,配电变压器烧毁,电力电缆和瓷瓶被击穿等事故。已有的继电保护或综合自动化保护装置中的短路保护、过电流保护和零序电流保护,都属于大电流启动保护装置;单相接地时的小电流不能驱动这类保护装置动作,因此,不能动作于高压开关跳闸,故障线路和非故障线路也就不能被隔离。 为了避免事故的扩大,需要及时地把故障线路与非故障线路进行区分。在变电站、开关站或发电厂中,若没有安装可靠的单相接地保护选线装置,就需要人工逐次拉闸停电试查才能选择故障线路,有时甚至要把与母线相连的所有配电线路拉闸停电,才能找出。这样就会造成无故障线路供电的中断,导致大面积停电;同时,也增加了高压开关的动作次数,缩短了使用寿命,降低了供电的可靠性和供电量。而在线路上要查找接地点,还需要把众多的分支线路与主线路逐次断开,再用绝缘电阻仪表测量各段或各分支对地的绝缘电阻值,由人工判断故障点范围。这一过程非常复杂,工作量很大;为了人身安全,需要设置多种安全措施,要耗费大量的人力、物资和时间,增加了电力工人的劳动强度,同时对人身还具有不安全的隐患。 综合以上情况说明了:在中性点采用不接地或经过消弧线圈、电阻接地方式供电的系统中,虽然能够延长单相接地时故障线路跳闸的时间;但是却导致了其它多条非故障线路供电的中断,造成了更大范围的停电以及人民生命财产的安全隐患。 现在国家电监会和电网公司等有关管理部门对供电可靠性的要求越来越高,要求农村电网达到99.8﹪和城市电网达到99.9﹪以上才算合格;对每一条线路每年内因故障而导致拉闸停电的次数和时间也有限制,在有些地区就规定了跳闸次数超过限定指标,每次对相关管理单位或个人罚款200元。 在电力系统中变电站综合自动化保护装置的应用已经很普及,使许多变电站都已经是无人值班。由于综合自动化在小接地电流系统单相接地保护选线方面的解决方案不够完善;所以,当发生单相接地时,还不能及时地把接地故障信息准确地上报给调度监控中心,耽误了线路维护人员对线路故障点的查找和维修处理。曾经在一些地区发生过多起因10KV高压配电线路发生单相接地后未能及时断电,导致了在接地点附近活动的其他社会人员触电死亡的重大事故发生。给供电部门造成了很大的麻烦和经济损失以及不良的社会影响。 因此,根据国家标准:GB50062-92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》的要求,在 小接地电流系统中,使用准确可靠的单相接地保护选线装置是提高发展供电系统自动化水平的重要技术措施之一。

二、国内外在这一领域的技术现状

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