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低周低压减载保护原理及动作逻辑

发表时间：2020/1/9 来源：《电力设备》2019年第19期作者：宋凯

[导读] 摘要：当电力系统在稳定运行的时候，电力系统中发电机发出的全部有功功率等于用户消耗的所有有功功率。

        (神华鄂尔多斯煤制油分公司内蒙古鄂尔多斯 017209)
        摘要：当电力系统在稳定运行的时候，电力系统中发电机发出的全部有功功率等于用户消耗的所有有功功率。电力系统中全部发电机输出的有功功率的总和，在任何时间点都等于此系统中用电设备有功功率和网络中的有功损耗的总和。但是由于有功负荷是经常变化的，有功负荷的任何变动都会立即引起发电机输出电磁功率的变化，这时发电机转轴上的转矩平衡会被打破，发电机转速也将发生变化，系统的频率就会随之发生偏移。每当系统中的有功功率出现不足时，就会引起系统频的率下降，有功功率的缺额越大，频率也将下降越多。若是有功功率缺额超出了系统自身正常调节能力时，就会影响电能质量，并且会给电力系统安全运行带来非常严重后果。因此预防系统低频运行是非常有必要的，低周低压减载保护装置在低频保护中起着重要的作用。本文主要介绍低周减载装置的保护原理以及其动作的逻辑，进一步阐述低周减载的原理和应用。
        关键词：低周减载原理动作逻辑
        1低频运行的危害
        1.1低频运行对发电机和系统稳定性的影响
        当频率下降时，汽轮机会由于叶片的震动变大，影响使用寿命，严重时可能产生裂纹。我国电网的频率为50Hz，当频率低至45Hz附近时，有一些汽轮机的叶片就可能因共振而发生断裂，造成非常严重的事故。
        当频率下降到47～48Hz的时候，由异步电动机驱动的风机，水泵，和磨煤机等火力电厂厂用机械的出力会随之下降，火电厂的锅炉和汽轮机的出力也会下降，引发火力电厂发电机所发出的有功功率下降。若是这种趋势不能及时的制止，就会在较短的时间内致使电力系统频率下降到很危险的程度，可能会出现频率崩溃，引发大面积的停电，甚至可能使整个电力系统瓦解。
        当电力系统频率下降时，异步电动机和变压器的励磁电流就会增加，此时异步电动机和变压器的无功损耗会增加，从而使系统的电压下降。频率的下降还会导致励磁机出力下降，发电机电动势下降，全系统电压水平会因为频率的下降而降低。如果电力系统原来的电压水平不够高，在频率下降严重时，就可能会出现电压快速的下降，出现电压崩溃，引发大面积停电，甚至整个系统随之瓦解。
        1.2低频运行对电力用户的不利影响
        电力系统频率变化会引起异步电动机转速的变化，会使电动机所驱动的加工工业产品的机械转速发生变化。有些产品（如纺织和造纸行业的产品）对加工机械的转速要求很高，转速不稳定会影响产品质量，甚至会出现次品和废品。
        电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性能，频率过低时甚至无法工作。这对一些重要工作是不允许的。
        电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致所带机械的转速和出力降低，影响用户设备的正常运行。
        2.PYJ-101型装置的主要功能
        本文所用低压减载装置是型号为PYJ-101型的频率电压控制装置。该装置具有过频、过压、低频、低压等频率和电压控制功能。其主要功能有：
        检测装置安装处母线的电压和频率及其变化率。
        当电力系统由于出现有功功率缺额而引发频率下降时，装置可以自动的根据频率降低值切除一部分负荷，使系统的电源与负荷能够重新平衡。地区电网出现有功功率过剩而引起频率上升时，装置能够根据频率升高的值自动切除电厂部分机组。装置过频、过压、低频、低压每种保护都有四个轮次输出。一共有四个继电器跳闸出口,通过灵活的组态方式满足不同用户的要求。
        当电力系统有功功率缺额较大时，本装置具有根据加速切负荷的功能，在切第一轮时可加速切第二轮，尽早阻止频率的下降；电网由于有功功率过剩引起频率上升过快时，装置根据加速切机功能，在切第一轮时可加速切第二轮，尽早制止频率上升，防止出现频率崩溃事故。
        在电力系统由于无功功率不足引起电压下降时，装置自动根据电压降低值切除部分电力用户负荷，确保系统内无功的平衡，使电网的电压恢复正常。在地区电网由于无功功率过剩引起电压上升时，装置自动根据电压升高值切除电厂的部分机组。
        当电力系统无功功率缺额较大时，本装置具有根据du／dt加速切负荷的功能，在切第一轮时可加速切第二轮，尽早制止电压的下降；电网由于无功功率过剩引起电压上升过快时，装置根据du／dt加速切机功能，在切第一轮时可加速切第二轮，尽早制止电压上升，防止出现电压崩溃事故。
        本装置还可以用于低频解列、过频解列、低压解列、过压解列。
        本装置具有独特的短路故障判断自适应功能，低电压减载的整定时间不需要与保护动作时间相配合，保证系统低电压时快速动作，短路故障时可靠不动作。
        本装置具有df／dt、du／dt过大闭锁功能，以防止由于短路故障、负荷反馈、频率或电压的异常情况可能引起的误动作。
        具有PT断线闭锁功能。当系统发生PT断线时，装置闭锁电压出口。
        事件记录和数据记录功能，可记录保存最新的2次动作的事件记录和2次数据追忆记录，可分别存贮记录内容，并有掉电保持功能,记录内容在断电后不丢失。
        装置具有自检功能,程序自恢复功能,整组试验功能。
        装置可与外部监控系统进行通信，可与故障信息系统、变电站监控系统相连。
        3. PYJ-101型的频率电压控制装置的基本原理及动作逻辑
        我厂低压减载装置采用的是型号为PYJ-101型的频率电压控制装置。该装置具有实现包括过频、过压、低频、低压等频率电压控制功能。该装置具有四轮次(三个基本轮一个特殊轮)。四回独立跳闸出口,通过软件组态方式可方便灵活的设置相应的输出轮次与跳闸出口，既每个输出轮次可以直接控制任四个跳闸出口中的任意一个，并且具有很高的精度和较强的抗干扰能力。
        3.1.电压、频率的测量方法
        装置的微机部分对输入交流电压Uab、Ubc、Uca(或相电压Ua、Ub、Uc)的瞬时值进行采样，再按以下公式计算出电压的有效值及频率值：

        3.2.低压事故的判别方法及动作特性
        3.2.1.低压自动减载的动作原理
        低电压动作过程逻辑如图3.1所示。

        图3.1 低电压自动减载动作过程示意图
        低压自动减载判别式
        U≤UqL     t≥tuqL    低压起动
        ↓U≤UL1     t≥tuL1    低压一轮动作
        ↓U≤UL2     t≥tuL2    低压二轮动作
        ↓U≤UL3     t≥tuL3    低压三轮动作
        以上三轮按箭头顺序动作。第四轮为长延时特殊轮，其动作顺序为：
        U≤UqL     t≥tuqL    低压起动
        ↓U≤UL4     t≥tuL4    低压四轮动作
        电压下降较快时的判别式
        U≤UqL     t≥tuqL    低压起动
        ↓U≤UL1
        a. du/dt< du1     t≥tuL1   低压一轮动作
        b.du1≤du/dt≤du2 t≥TudL1 切第一轮,加速切第二轮.
        3.2.2.短路故障闭锁及系统短路故障切除后允许低电压快速切负荷
        当系统发生短路故障时，母线电压迅速降低，此时本装置立即闭锁，不再进行低电压判断。而当保护动作切除故障元件后，装置安装处的电压迅速回升，但如果恢复不到正常的数值，则装置立即解除闭锁，允许装置快速切除相应数量的负荷，使电压恢复。本装置不需要与保护二、三段的动作时间相配合。这一功能的判别框图见图3.2。图3.2中UN为额定电压；K1Un表示故障切除后应回升到的电压定值 (该定值应大于相邻线路三相短路相继切除过程中装置安装处的残压值，建议值一般为70～80%)；tus为等待短路故障切除的时间，一般应大于后备保护的动作时间，若后备保护最长时间为4秒，则tus可以设为4.5～5秒。超过tus以后电压还没有回升到K1Un值以上，装置将闭锁低压出口回路，并发出异常告警信号。
        3.2.3防止负荷反馈、PT断线、电压回路接触不良、短路故障等电压异常情况引起的装置误动的闭锁措施。
        3.2.3.1.电压过低闭锁
        当电压Uk ≤ K2Un（判母线电压消失定值）时，判母线电压过低、消失，此时装置不进行电压判断，闭锁出口，发电压消失异常告警。
        3.2.3.2.电压突变闭锁
        当｜du／dt｜≥｜d2｜时，不进行低压判断，闭锁出口，发du／dt异常告警。
        du／dt闭锁后，当电压再恢复至启动电压值以上时自动解除闭锁和告警。
        当｜du／dt｜≥｜d4｜时，不进行过压判断，闭锁出口，发du／dt异常告警，。
        du／dt闭锁后，当电压再恢复至启动电压值以下时自动解除闭锁和告警。
        3.2.3.3. PT断线闭锁
        当任意两相电压差Uk≥K3Un判为PT回路断线或不对称短路故障，不进行低压或过压判断，立即闭锁低压或过压出口，延时5秒发PT断线告警信号。
        3.3.过压事故的判别方法及动作特性
        过压切机动作过程逻辑如图3.2所示。

        图3.2过压自动切机动作过程示意图
        过压自动切机判别式:
        U≥UqH    t≥tuqH    过压起动
        ↓U≥UH1    t≥tuH1    过压一轮动作
        ↓U≥UH2    t≥tuH2    过压二轮动作
        ↓U≥UH3    t≥tuH3    过压三轮动作
        以上三轮按箭头顺序动作。第四轮为长延时特殊轮，其动作顺序为：
        U≥UqH   t≥tuqH     过压起动
        ↓U≥UH4   t≥tuH4     过压四轮动作
        电压升高较快时的判别式:
        U≥UqH   t≥tuqH     过压起动
        ↓U≥UH1
        a. du/dt<du3       t≥tuH1    过压一轮动作
        b.du3≤du/dt<du4   t≥tudH1 切第一轮,加速切第二轮.
        3.4.低频事故的判别方法及动作特性
        3.4.1.低频自动减载动作过程逻辑
        低频自动减载动作逻辑如图3.3示。

        图3.3 低频自动减载动作过程图
        低频自动减载判别式
        f≤fqL     t≥tfqL    低频起动
        ↓f≤fL1     t≥tfL1    低频一轮动作
        ↓f≤fL2     t≥tfL2    低频二轮动作
        ↓f≤fL3     t≥tfL3    低频三轮动作
        以上三轮按箭头顺序动作。第四轮为长延时特殊轮，其动作顺序为：
        f≤fqL      t≥tfqL    低频起动
        ↓f≤fL4      t≥tfL4    低频四轮动作
        频率下降较快时的判别式
        f≤fqL      t≥tfqL    低频起动
        ↓f≤fL1
        a. -df/dt<df1        t≥tfL1    低频一轮动作
        b. df1≤-df/dt<df2   t≥tfdL1   切第一轮,加速切第二轮.
        低频自动减载动作逻辑有四个闭锁条件：
        (1)频率超范围闭锁；
        (2)电压过低闭锁，K2值一般取10%~20%；
        (3)任意两相频率差大于0.2Hz时闭锁；
        (4)频率变化率过大闭锁。
        在系统频率恢复正常后闭锁自动解除。
        3.4.2.防止负荷反馈、电压回路接触不良等异常情况下引起装置误动作的闭锁措施
        3.4.2.1.低电压闭锁
        当U k≤K2Un时，不进行频率判断，闭锁出口。
        3.4.2.2.df/dt闭锁
        当∣df/dt∣≥df2时，不进行低频判断，闭锁出口但不发告警信号。
        当df/dt闭锁后直到频率再恢复至启动频率值以上亦自动解除低频闭锁。
        当∣df/dt∣≥df4时，不进行过频判断，闭锁出口但不发告警信号。
        当df/dt闭锁后直到频率再恢复至启动频率值以下亦自动解除过频闭锁。
        3.4.2.3.频率值异常闭锁
        当f＜45Hz或f＞55Hz时，认为测量频率值异常,不进行频率判断。有特殊要求时可将频率范围放宽到40~60Hz。
        3.4.2.4 频率差闭锁
        任意两相频率差值大于0.2Hz时，不进行频率判断，闭锁出口。
        3.5.过频事故的判别方法及动作特性
        3.5.1过频自动切机动作过程逻辑如图3.5示。

        图3.4 过频自动切机动作过程图
        过频自动切机判别式
        Fk≥FqH     t≥tfqH    过频起动
        ↓Fk≥FH1     t≥tfhH1   过频一轮动作
        ↓Fk≥FH2     t≥tfH2    过频二轮动作
        ↓Fk≥FH3     t≥tfH3    过频三轮动作
        以上三轮按箭头顺序动作。第四轮为长延时特殊轮，其动作顺序为：
        Fk≥FqH     t≥tfqH    过频起动
        ↓Fk≥FH4     t≥tfH4    过频四轮动作
        频率上升较快时的判别式
        Fk≥FqH     t≥tfqH    过频起动
        ↓Fk≥FH1
        a. df/dt<df3        t≥tfhH1    过频一轮动作
        b.df3≤df/dt<df4    t≥tfdH1    切第一轮,加速切第二轮.
        4.结语
        低频运行对电力系统有着致命的威胁，在发生频率降低等情况下如何保障系统的稳定运行，如何保障用户用电的稳定，可靠是我们必须认真探索的问题。低周减载保护装置在过频、过压、低频、低压等不同情形下，能够迅速自动的根据系统参数的变化而做出相应的动作，从而维护系统的安全稳定运行，因此研究其动作原理及动作逻辑是具有实际意义的。
        参考文献:
        [1] 袁季修. 电力系统安全稳定控制的规划和应用[J]. 中国电力,1999(05):31-34.
        [2] PYJ-101型的频率电压控制装置说明书
        [3] 电力系统自动低频减负荷工作管理规程
        [4]数字型频率继电器及低频自动减负荷装置技术条件