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冶金行业微机继电保护经验介绍 |
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1 冶金行业供电系统与电力系统的不同点冶金行业中的供电系统，有其自身的特殊性，与普通电力供电系统相差很大。根据对冶金行业供电系统的分析，我们总结出来了“六多一特殊”的系统特性。馈出线多。电力系统中一般情况下一条母线只挂近十条馈线，而冶金行业供电系统中则可能挂的馈线多得多，因此，母线管理相对复杂。 开闭所多。同一电压等级下挂开闭所多，各开闭所规模也较电力系统大； 谐波多。冶金行业存在很多整流设备，这些设备在运行时，都会造成丰富的谐波。 智能设备多。存在微机保护、整流设备、PLC设备等，这些设备之间有接口问题。 电动机多，并有部分同步电机。电动机冲击电流大且频繁，起动电流大，负荷波动大。 母线分段多。在同一电压等级中，电力系统一般是两到三段母线，而冶金行业中四段、五段、六段都会出现； 备自投要求特殊。在冶金行业中带有很多电动机，对可靠性要求很高。再加上冶金行业供电系统结构复杂，对备自投要求很特殊； 我们公司在历年与冶金系统的接触下，在继电保护方面有一些自己的心得和经验。本文总结了一些遇到的问题，并介绍了所用的解决方法。 2 近几年遇到和解决的问题2.1 中低压超短线路的快速保护在冶金系统中，经常可以碰到低电压等级的短线路，这种线路长度为500m-2km不等，各线路往往带一个开闭所，从变电站低压侧受总到最终负荷点需要安装3-4级保护（一般设终端、开闭所、变电站出线、主变后备四级），。见图2.1系统图所示。由于线路太短，首、末端短路时故障电流无明显变化，一般只能靠时间上来满足保护的选择性。由此带来严重故障无法快速切除，易引发开关爆炸、母线扭曲，变电站停电、起火等等（即所谓的“火烧连营”），造成事故扩。对于重要短线路保护，在高压电力系统中，往往配有高频闭锁方向保护、高频距离保护或光缆构成的分相差动保护。高频闭锁方向保护是由收发信机和高频方向保护构成的；高频距离保护是由收发信机与距离保护共同构成的；分相差动是由光端机、光缆、和分相差动保护构成的。这些保护设备的原理是通过对两端电量进行交换、比较、逻辑计算后，最终决定是否动作。这些保护一般作为高压短线路的主保护，动作选择性和灵敏度都很高，一般无需与其它级保护配合，但造价也很高。图2.1 系统接线图对于冶金供电系统的低压短线路中，我们认为，对时限的要求可以适当放宽，但造价应该低廉。鉴此，我们借鉴了高频闭锁方向保护思路，研发出一种导引线方向纵联保护装置。参见图2.2的示意图。图2.2 导引线方向纵联保护示意图线路两端各装设短线路方向纵联保护J1、J2，主保护为各侧的方向保护。当方向保护起动后检到本侧的反向故障时，就向本侧发闭锁信号，并通过继电器重动后，经导引线同时传送到对侧，两侧收到保护闭锁信号后，立即闭锁保护出口逻辑；当两侧保护均未收到闭锁信号时，经短延时后确认为区内故障，保护动作切除本线路。这种保护配置方式，完全不同于传统需传输综合电流量的导引线纵差保护，传统导引线纵差保护由于需向对侧传输模拟量，而模拟量的传输涉及到阻抗匹配、衰减系数和抗干扰等要求，对导引线电缆规格和施工要求均很高。而我们采用的新型导引线方向纵联保护，由于仅向对侧传输高压（AC220V或DC220V）数字闭锁信号，因而对导引线选择和施工无特殊要求，只需在两侧间铺设一条普通的四芯屏蔽电缆，并保证接触良好即可。该系统在单电源或双电源下区内故障时，可保证0.1－0.15秒内切除故障。而区外故障时，由于反方向元件能及时闭锁两侧保护，使保护不会无选择性动作。因这种保护配置方式能及时切除短线路故障，在时间上减少一级保护的配合，使母线故障快速切除成为可能。 此外，该保护装置除了带有作为主保护的方向纵联保护外，还自带了可作为后备保护的复压闭锁过流元件。在运行中，也可以有选择地投入过流元件。也就是说，安装了这种保护方式的线路，除了传统的多时限多阶梯配合方式外，增加了快速纵联保护作为线路的主保护。2.2 中低压母线的快速保护 大型冶金供电系统出线多，电机起动频繁，另外由于环境和技术力量等原因，系统故障也较电力系统同等规模的变电站多。传统使用的母线保护就是变压器的后备保护，为保证选择性，经几级时限配合后，前文已提到后备保护的动作时间大约是1.5秒以后。这种情况下如果确属母线故障的话，切除时间太长，易引发其它事故，对系统威胁很大。图2.3 不完全母差保护原理示意图针对以上情况，我们专门研发了适用于冶金系统的不完全母线差动（也称简易母差保护）。其保护原理参照图2.3，把多组电源线CT之间或电源线CT与分段CT之间构成一个差动电流元件，同时各出线保护过流元件起动动作后闭锁差动元件，使母线故障能有选择地快速切除。如果是区内故障，差动保护可以及时快速动作。如果是区外故障，则被馈出线过流元件闭锁。因采用了闭锁元件，为确保证区外故障不误动，保护动作速度不应太快。我们设计的这种原理的母差保护，其最佳动作速度应该是0.1－0.15秒。因而母线故障基本上可以保证快速切除故障。另外，除了差动保护做为母线的主保护以外，还可使用复压闭锁过流元件作为后备保护，与传统后备保护功能一致。当然后备保护的时限仍需与馈出线保护配合，一般落后出线保护一个等级，即比出线保护延迟0.5S左右。2.3 系统特点对各保护的影响及解决方法2.3.1 冲击电流和非周期分量冶金行业供电系统中，冲击电流大而频繁，并含有显著的非周期分量和谐波分量，这些量对灵敏度较高的微机保护是一个考验。一般来说，对于过电流等保护元件，可以通过定值来躲过冲击电流及非周期分量，但对于差动保护来说，这个问题解决起来比较困难。由于差动电流是速动性的，只要有差动电流，差动保护一般在0.1S内就会动作。理想情况下，外部故障或正常运行时流入差动元件的电流应该为接近于零，但由于两侧CT的变比误差、角度误差、变压器内部的激磁电流和励磁涌流、变压器分接头调节等等原因，造成正常运行时就存在不平衡电流。当然，躲避这些不平衡电流相对还是比较容易的，可以通过整定动作特性曲线和采用二次谐波制动等原理来防止差动元件可能的误动。 然而如果是由于被保护设备两侧CT暂态特性不一致，或是二次负载阻抗严重不一致而导致区外故障或负荷冲击时产生的暂态不平衡电流，许多微机保护厂家往往对此估计不足。而这种暂态不平衡电流在冶金的供电系统内尤为突出，究其原因，主要是由于大型电动机等设备两侧差动CT在空间上相距较远，有时距离长达几百米，而差动保护往往安装在一侧CT附近，此时另一侧CT二次线需经过较长距离连接到保护装置上，这样两侧CT的二次负载不平衡是显而易见的，它们的非周期分量衰减时间常数也是迥然不同的，由此造成了冲击负荷或外部故障时存在着较严重的暂态不平衡分量。 这种暂态不平衡分量很容易造成差动保护误动。最近马钢出现的一台同步电机在起动时引发某厂家生产的相邻一台同步机差动保护的误动，就是一个侧证。从该保护装置的故障录波图可以看出，由于相邻的同步电机起动时，在电网中注入了较大的非周期分量，因而在误跳的电动机一次侧也引入了非周期分量，该非周期分量通过CT传变到二次侧后，由于二次侧负载阻抗严重不一致，引发的CT二次的暂态不平衡电流，从而造成差动保护的误动。鉴此我公司特意在差动保护中引入了非周期分量制动方案，该方案有效地解决了因非周期分量暂态不平衡电流而造成的差动误动。当然，对已在现场运行的其他厂家的保护，只要保证两侧CT二次引线距离基本相同，就可以避免纯粹由于二次侧CT导线阻抗不一致造成的保护误动。2.3.2 谐波分量大 冶金供电系统中含有丰富的谐波分量，如果保护装置在抗干扰方面存在缺陷时，很容易造成保护元件的误动，或是造成保护的精度不够。我们公司采用全波傅利叶滤波方式，能比较好地解决这个问题。在电力系统中，有些保护装置厂家采用的差分算法来滤除高次谐波分量，即当前采样值与1/3周期前的采样值相减，以滤去三次谐波；当前采样值与1/2周期前的采样值相减，可滤去二次谐波，以此类推，这种方法可以滤去二次、三次、五次、七次等高频谐波分量。这种滤波方式在电力系统微机保护中是比较常用的。差分滤波从数学原理上讲实质是求导，而在物理上表现为高通滤波器，一个差分就是一个高通滤波器，它对高次谐波是放大的。 傅氏滤波则完全不同。它可完全滤除高次谐波，得到较为纯净的基波分量。全波傅氏滤波需要一个周波的数据窗，所以动作速度一般在20ms以上。为提高动作速度，有的厂家使用半波傅氏算法，这样保护在理论上可以在10ms左右动作。但是半波傅氏算法不能滤去偶次滤波，因而速度的提高是以牺牲精度和抗干扰能力为代价的。 在电力系统中，由于高频分量不多，所以差分算法与傅氏算法的效果差别不明显。但是，由于冶金行业供电系统中存在着十几次、二十几次的谐波，这两种方法的区别就很大了，滤波方式的不同体现在保护装置上就是抗干扰能力和定值精度的不同。我认为，在冶金行业中速度要求不是很高的前提下，全波傅氏算法应该是比较理想的。2.4 CT变比问题 根据我们的经验，冶金行业CT变比设置与系统短路容量相比的话，存在一定的矛盾。由于下挂馈出线多，母线负载大，所以系统短路容量往往很大，短路电流在3000－4000A左右。而各馈出线的额定电流往往较小，因而CT变比一般在75/5到200/5之间。各馈出线CT变比相对较小，故障时二次短路电流可能超越保护交流采样范围，甚至造成保护装置内部CT的饱和。目前微机保护的输入量程一般都在100－150安培以内，对于高于量程的电流，厂家往往估计不足。交流量的超量程输入会带来一系列后果，如烧坏装置的CT线圈、损伤AD芯片、内部寄存器溢出、程序走飞等等。短路电流超量程是一个很隐蔽的问题，我们公司为此采用了特殊电流互感器和AD芯片前端钳位的方法，双管齐下，已成功地解决了这个问题。但是由于成本或技术力量等原因，别的公司有可能未在装置上采取相应的措施，从而造成事故扩大化。我认为，这种问题最好在设计时解决，如果设计院在设计时把CT变比放大，比如说300/5，这样就可以从根本解决这个问题了。但是，CT变比放大，又会引发装置的采样分辨率的问题，因而要求保护装置具备较高的采样精度。2.5 系统的通讯和集成 冶金行业供电系统规模大，需接入的智能设备多（如过程控制装置、整流设备等），信息量很大，系统集成工作量繁重，非常耽误工程进度。对这种情况，我公司提供智能规约转换模块，在每个智能设备上都安装一个智能规约转换器，将五化八门的智能设备规约转换为标准的IEC870－5－101规约，再通过网络汇总接入总控设备。这样，通讯系统就是一个即插即用系统，既省时省力，又提高了系统可靠性，个别系统的故障维护或升级都不影响其它装置的运行。 另外，现在流行的思路是各保护监控设备分散安装以降低投资，减化接线。由于冶金行业存在众多的电动机馈出线等设备，设备及厂站之间有时相距很短，有时又相距近千米以上。简单的分散安装会造成系统集成难度很大。同时，如果把所有的智能装置全部组成一个网络的话，通讯线路长，信息量大，接线也复杂，给施工和维护带来许多不便。2.4 通讯网络系统图我公司采用化整为零的思想，根据各设备的区域分布，将相对集中的部分设备构成一个子网，并视需要配备一个超小型分散总控模块，再通过网络将各分散总控模块互联，汇入统一的总控设备。参见图示网络图。这种多级总线的网络，缩短了每级的网络距离，增强了抗干扰能力，也使个别系统故障时不会导致整个网络的瘫痪，提高了系统可靠性。2.6 电动机保护 冶金行业不但异步电动机众多，还常常有不少同步电机。现有厂家提供的异步电动机保护往往是基于电力系统内部的电动机运行状态出发而研制的，没有考虑到冶金行业电动机的特殊之处，缺少许多功能，例如起动控制保护（电机软起动、连续起动闭锁等）；而同步电机一般没有专用保护，设计时常采用电力系统上复杂的发电机保护替代，造价高，维护难，不易管理。我们公司目前提供普通电动机保护装置，并正在研制开发新一代冶金专用的电动机保护装置，将同步机和异步机的常规保护综合成为一套完整的电机保护，目的是造价低，功能全。经过调查和研讨，新型电机保护的功能基本上可以满足冶金系统的要求，其保护功能包括差动保护、过流保护（三段）、堵转保护、过热保护、负序过流保护（二段）、接地保护（二段）、过压保护、低压保护、低周保护、高周保护、失步保护、过负荷、起动控制、逆功率等。2.7 备自投要求复杂 冶金行业多是电缆馈出线，所以一般不装设重合闸。为提高供电可靠性，往往需要装设备用电源自投装置。由于母线分段多，各母线供电备用容量有限，系统往往采用专用的备用母线或备用变压器，由统一的备自投装置来完成。冶金行业的系统复杂，备用电源自动投入时要考虑各种运行方式配合，还要与上级保护配合，有时还要联切电容器等设备，逻辑比电力系统内要复杂得多。冶金行业供电系统中常见的备自投有多母线互备或专用备用母线等几种。2.7.1 多母线互备图2.5 多母线互备系统接线图母线分段多，各相邻母线均可互备，但由于备用容量有限，不能同时提供两组母线备用，因此对备自投提出了复杂的可备用条件和互锁条件，目前我公司常规备自投设计时已充分考虑了备自投装置间的配合问题，可以解决这个难题。 2.7.2 一母备多母 有时，用户会增加一段备用母线，这样在设计时，可不考虑每条工作母线的热备用容量。参见下图所示的系统主接线图。在这种情况下，一段备用母线/变压器要给多段母线/变压器备用。目前我公司根据一母多备的特点，设计出了专用的备自投，用单台备自投装置来完成几套常规备自投组合才能完成的功能。这样，大大简化运行维护，投资低，可靠性高。 图2.6 一母备多母系统接线图3 会后回答问题3.1 目前使用某厂家的保护装置，发现其开关电源经常故障或烧坏，这是系统条件引发的还是装置的缺陷？贵公司是如何成功解决这个问题的？ 保护的开关电源有直流开关电源和交流开关电源之分。交流开关电源又称作交直流两用开关电源，它既可以输入直流电压，也可以输入交流电压。它与直流开关电源主要有以下区别： 1、 输入的交流电压先经过全桥整流，转成直流电压，再通过DC/DC变换转成各种不同的电压输出。整流回路中内含前置大容量电容，可消除谐波分量和电源尖峰毛刺。直流开关电源则无需全桥整流，一般也不装设前置大容量电容。2、 DC/DC变换的核心是振荡管回路，考虑到交流电压整流后可能达到DC300V以上，振荡管一般要选择工作电压700V以上的型号。而直流电压一般是220V±20%，选用工作电压500V的振荡管就足够了，所以大多数直流开关电源选用的振荡管比交流开关电源的低。冶金行业的直流系统也含有丰富的纹波和毛刺。从以上两点差别中，我们可以看出在冶金系统中，配用交直流两用开关电源要可靠得多。另外，开关电源的电路原理比较简单，很多电子书上都有通用图纸，因此有些厂家为降低成本，自己来设计制造开关电源。然而，开关电源是能量转换回路，它的布线、热能分布、散热系统、发热元件与电解电容的空间距离、器件的选用等方面，都比较独特。我们认为，在上述方面，专业电源厂家有其独到之处，尽管原理简单，也不是所有的人都能设计出完美的开关电源的。还有，开关电源中所用的电解电容，时间长了之后，在高温下内部的电解液会逐渐挥发，导致电容的容值变小，电源质量下降，有时甚至不能起动。电解电容有两档，民品电容最高温度85℃、工业品电容最高温度105℃。外观、容值均相同的电容器，质量好的可以使用25年以上，质量差的只有1－2年的寿命，价格也相差很大。可以说，电容器的选型对开关电源的寿命也是至关重要的。 我认为，上述烧坏电源的现象，虽然也是冶金系统的直流电压不稳定造成的，但更重要的是开关电源自身的质量问题。我们公司对装置的开关电源采取以下措施： 1、 一律采用交直流两用开关电源；2、 请专业厂家设计生产开关电源，对购入的电源部件进行全面进货检验；3、 指定几家国际著名品牌的工业品电解电容器。除了这几家外，凡在开关电源中出现其它厂家电解电容，一律认为不合格，返回供应商。以上措施虽然提高了成本，但有效地防止了电源引发的问题。3.2 安装了某厂的保护装置后，发现由通信线串入干扰，引起开关频繁的误分、误合。请问如何解决这个问题？ 这个问题可以从三个方面来分析。1、干扰的来源。通信线屏蔽层必须一点接地，不能两点接地。如果是两点接地的话，在通信线与大地间就构成一个回路，由于两地电位差不同，产生回流，从而串入了干扰信号。2、印制板布线艺术方面。对于一个有一定抗干扰能力的装置来说，即便从通讯线上串入了干扰，也不应误动。如果因此造成误动，装置的绝缘耐压就存在问题了。根据国家标准，装置上所有的引入引出线，都要进行隔离。这个隔离不单单是采用必要的隔离元件，还包括印制板布线上的许多技术要点，最有效的隔离检验就是耐压绝缘试验。我们公司的产品在设计时，均采用了AC2000V或2500V耐压。电力系统微机保护装置和民用微电子产品的绝缘耐压要求是完全不同的。民用电子产品在电磁兼容、电热分布上可能很到位，但对耐压要求不高。电力系统产品在印制板布线时，要求做到线该细的细，该粗的粗，间距该大的大，该小的些有些公司在布线时不知道系统这些特殊要求，把该粗的线（比如说保护出口回路）布细了，就容易烧坏出口回路。线间距如果布近了，在表面上没有任何问题，但在使用时，则会出现绝缘耐压通不过或干扰误动等情况。象上述的这种误动情况，我估计该装置的耐压可能连AC300V都过不了。这是装置的布线艺术上的问题，与各公司的硬件技术水平有关。鉴于电力系统的专业性，既便聘请其它行业设计专家来布线，也未必能达到理想的要求。3、硬件原理设计方面。如果硬件原理设计得比较好的话，即便已经串入干扰，也不应引起误动作。我们公司在硬件出口部分采用了正反逻辑组合的密码锁方式，即常开、常闭接点互相闭锁。这样，干扰串入的时候，逻辑处于互相闭锁的状况，大大地减少了误动的可能性。根据以上分析，我们认为，这三个方面只要处理好一个的话，通信线干扰都不会导致装置误动。3.3 在装置使用过程中，发现其对时不准确，SOE记录没有统一的时间，给事件追忆带来一定困难。请问如何解决这个问题？ 对时有软件对时和硬件对时之分。软件对时牵涉面较广，与上位机发令时机、各装置通讯应答速度、装置时间芯片、软件对时优先级等密切相关。如果有一个方面没处理好，就可能导致对时不准。举例说来，如果通讯广播对时命令时，各装置报文响应的时间有先后，装置的时间就会有差异，从而导致所得到的基准不一致。这是一个比较常见的问题。我们公司选用LONWORK总线通讯方式，并通过独特的技术，较好地解决了通讯响应造成的对时不准的问题，软件对时一般可达到±10ms以内的精度。硬件对时的好处是收到信号基本上没有延迟，装置能够统一时间基准。当然，基准时间对准确后，对时的准确率还与各家的算法有关。目前我们公司硬件秒脉冲对时精度可以达到±1ms之内。我估计，上述对时不准的现象，可能是出现在软件对时中，保护装置厂家没有处理好几方面的关系，导致了软件对时不准。3.4 冶金系统的环境比较恶劣，有高温、灰尘、震动、酸碱等。请问贵公司如何解决这些恶劣环境给装置运行带来的影响？ 对于恶劣的环境，我们公司在设计时便给予了充分的考虑，主要从以下几个方面来尽量减少环境的影响。1、高温环境。考虑到装置运行时的高温环境，我们使用全工业品芯片，在要求高的地方也使用军品。电子元器件分为民品、工业品、军品三个档次，从运行温度上来说，民品0－70℃，工业品－25℃－85℃，军品－55℃－105℃。工业品价格是民品的几倍以上。军品价格更高，但很多芯片的军品在市场上难以买到。2、灰尘、酸碱。对于灰尘和酸碱，最好的办法是提高装置的密封性。但提高密封性的前提是装置功耗要低。当然，低功耗的元器件成本也较高。其次，如果无法做到全密封，也可以在印制板、元器件的表面喷涂防护漆，以增强防护能力。 3、震动。我们采用直焊、表贴技术，并选用进口高质量的接插件，以减少开关分合闸等震动对装置运行的影响。可以看出，以上策略均与装置的成本有关。在这里我插上一句题外话，我们公司在这个问题上已经吃了不少亏。因为采用进口工业品器件，成本高，对外报价就高，表面看来，竞争优势就低了。但是，“一分价钱一分货”还是有道理的，商家都是以盈利为最终目的的，所以报价低了，采购器件的档次自然就得降低。厂家为不亏本，可能以次充好，但最终吃亏的还是用户。所以我建议招标时，各企业不能仅仅以价格为准，应该权衡各个方面，选出最合乎自己心理价位的中标厂家。3.5 微机保护运行寿命是多少？对微机保护应该采取什么样的校验方式？ 现在的微机保护装置和RTU装置都是电子产品，电子产品的寿命一般是10年，满10年后虽然产品可能还能使用，但是维护成本就升高了。我国的微机保护装置出现在九十年代初期，更新换代很快，在工程应用上至今还没有运行超过10年的保护装置。电力系统中规定，RTU装置一般寿命是5年，微机保护装置是8年到10年。这两种产品寿命上的差别除了工艺之外，还有别的原因。远动装置与通讯结合较紧，通讯行业发展很快，从九十年代中期的300、600波特率，到末期的现场总线，现在又开始使用以太网了。因此，远动装置的升级很快，所以寿命一般较短。保护装置的寿命与一般电子产品相差不大。另外，保护装置的工作环境比电子产品要恶劣得多，又是全天候运行，有些元件选型不好的话，也会影响微机保护的寿命。象前面所提到的电解电容，如果选型不好的话，可能寿命连五年都不到。（当然可以通过定期更换电容来解决）。根据以上经验，一般认为微机保护以10年寿命为准。由于产品不可能达到完全一致，相同的厂家、相同的装置，同时出厂，寿命也存在个体差异，所以提出8－10年运行寿命是比较合理的。校验微机保护与校验常规电磁式保护是有所不同的。微机保护核心是数字回路，数字式的产品不会挥发，不会偏差，只要逻辑正确，是不用校验的。一般检验只要看模拟回路是否达到正常采样精度就够了。但目前国产开关柜或多或少存在质量问题，我认为，可以把微机保护的校验与开关校验放在一起，除了做精度试验之外，主要是做传动试验，检查是否有端子接触不良，传动不正确等现象。
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