隨著特高壓、遠距離直流輸電工程的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)對大容量動態(tài)無功支撐能力的要求越來越高。在此背景下，新一代調相機憑借其容量大、維護少、瞬時無功支撐能力強、暫態(tài)無功響應快的特點，成為直流輸電工程中最重要的無功補償設備，發(fā)揮著電壓支撐作用。

電力系統(tǒng)的電氣量是指通過電壓、電流互感器等采集獲取到的電氣參數(shù)。由電氣量構成的保護，稱為電氣量保護。與之相對應的非電量，通常是指電力系統(tǒng)中一次設備的瓦斯、溫度、壓力等參數(shù)。非電量保護是大型變壓器、調相機的常見后備保護，其與電量保護的原理不同，可以和電量保護配合構成更完善的保護，因而得到廣泛應用。

就地儀表采集到的調相機相關熱工保護信號通常接入分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）裝置，由DCS完成三取二邏輯處理后再輸出3路熱工保護信號至三取二裝置，最后由三取二裝置完成判斷后動作跳閘。整個過程中存在兩次三取二計算，并且DCS輸出的3個熱工信號為同源，存在單一故障導致“三取二”失效的情況。

為了簡化信號傳輸鏈路，提高保護動作的可靠性和保護運維便利性，需要對調相機熱工保護方案進行改進。通過使DCS和熱工保護完全解耦，并將熱工保護整體遷移至非電量保護裝置，可進一步提高熱工保護可靠性。

本文結合熱工保護和非電量保護的特性，設計一種集熱工保護和非電量保護于一體的保護裝置，給出各個重要保護動作元件的設計方案和運算邏輯，并針對保護可靠性，提出二次回路和出口的設計思路。采用該非電量保護裝置，可大大提高熱工保護的可靠性，并簡化二次設備的運維復雜度，減少后續(xù)現(xiàn)場運維人員的工作量。

1 熱工及非電量信號接入方案

目前，直流輸電工程中廣泛采用“三取二”保護邏輯，提高了保護動作的可靠性。鑒于調相機在高壓輸電工程中的重要性，通常也采用三取二的跳閘邏輯提高保護動作的可靠性。調相機工程中的熱工信號接入DCS后的信號傳遞示意圖如圖1所示。

圖1 熱工信號接入DCS后的信號傳遞示意

由圖1可知，3組熱工信號直接接入DCS，由DCS進行三取二等邏輯運算后輸出動作信號，并將輸出節(jié)點擴展成3組后接入三取二裝置，最后由三取二裝置完成動作出口。

從信號傳遞示意圖來看，采用熱工信號接入DCS的方案存在單一回路或者裝置異常導致整個三取二失效的可能性。為解決這一問題，將熱工保護和DCS解耦，同時將熱工信號接入非電量保護裝置。改進后的熱工及非電量保護信號接入示意圖如圖2所示。

圖2改進后熱工及非電量保護信號接入圖

由圖2可知，集成熱工功能的非電量保護裝置需配置三臺，分別為C1套、C2套和C3套。三取二裝置需要配置兩臺，分別為A套和B套。所有模擬量和開關量的采集由熱工及非電量保護裝置完成，所有三取二邏輯由三取二保護裝置完成，最終由后者出口跳閘。此方案工程適應性較強，無論是新建站還是改造站都便于實施。

為了避免兩個以上不同類型非電量或者熱工信號同時出現(xiàn)故障導致保護誤動的情況，熱工及非電量保護裝置給三取二裝置發(fā)送的為各個熱工或者非電量信號，由三取二裝置完成同一類型信號的判斷后動作跳閘。

三取二保護裝置的每個動作元件都有三個模式，分別為三取二模式、二取一模式和一取一模式，具體如下。

三取二模式：單臺熱工及非電量保護裝置動作情況下，三取二保護裝置可靠不動作。在兩臺熱工及非電量保護裝置動作情況下，三取二保護裝置要可靠動作。

二取一模式：當一臺熱工及非電量保護裝置異常，另兩臺熱工及非電量保護裝置任一動作時，三取二保護裝置要可靠動作。

一取一模式：極端情況，當兩臺熱工及非電量保護裝置均異常，最后一臺熱工及非電量保護裝置動作時，三取二保護裝置要可靠動作。

此外，熱工信號由就地儀表采集后經(jīng)轉換裝置可同時發(fā)送至熱工及非電量保護裝置和DCS。同時，三取二裝置也支持與DCS的通信，可發(fā)送各類告警和動作信號。通過上述接口及協(xié)同工作，DCS可實現(xiàn)對重要信號及動作的監(jiān)視、告警和控制。

2 非電量保護原理與設計

非電量信號可分為跳閘類非電量信號和非跳閘類非電量信號，采集自調相機工程中主變壓器和勵磁變壓器的本體，可直接或者通過轉換裝置轉換后，經(jīng)二次回路接入保護裝置的非電量重動模塊。信號變位時經(jīng)過重動模塊輸出中央信號、遠方信號和事件記錄三對信號接點，其中，中央信號接點有磁保持功能，即當非電量信號返回后，中央信號接點保持導通直至按下相應的復歸按鈕，其他出口接點則立即返回。

由于變壓器針對不同的非電量信號可繼續(xù)運行的時間有所不同，因此設計非電量延時動作元件。對于需要延時跳閘的非電量信號，除了能重動及輸出上述三對接點外，在滿足設定的延時邏輯后，能發(fā)送相應的延時動作報文或者啟動專門的跳閘繼電器出口。需要延時跳閘的非電量開入信號原理如圖3所示。非電量延時保護邏輯如圖4所示，非電量延時保護元件受軟硬壓板控制，可單獨出口，不受重動繼電器影響。

圖3 需延時跳閘的非電量開入信號原理

圖4 非電量延時保護邏輯

為了配合三取二設計，非電量開入和非電量延時動作信號可分別輸出，可通過硬接點或光纖發(fā)送至各三取二裝置。

3 熱工保護原理與設計

調相機按冷卻方式可分為空冷機組和雙水內冷機組，兩種方式因冷卻原理和結構的差異，導致熱工保護也存在不同。在設計熱工保護時需要考慮兼容調相機不同的冷卻模式。

3.1 溫度異常保護

裝置有可進行溫度采集的測量模塊，含有多組獨立通道，可分別接入不同溫度測量信號。溫度采集模塊主要用于采集出線端和非出線端軸瓦溫度，考慮到軸瓦溫度不會短時突變，因此當采集的溫度變化率大于最大溫度變化率定值，或者溫度采樣信號超出采樣范圍時，置品質異常。

溫度品質判據(jù)表達式為

溫度異常保護動作判據(jù)為：采集溫度大于溫度異常動作定值。當保護軟壓板、功能控制字投入且采樣品質正常條件下，溫度監(jiān)視元件判據(jù)滿足時，溫度監(jiān)視保護經(jīng)延時動作。溫度異常保護動作邏輯如圖5所示。

圖5 溫度異常保護動作邏輯

此外，多通道的溫度測量信號均設置包含獨立定值的保護元件，滿足多組監(jiān)視需求。

3.2 油位異常保護

裝置具有可進行潤滑油主油箱液位采集的模塊，同樣含有多組獨立通道，通過采集的4～20mA直流電流信號反映油位情況。當采集的小電流信號出現(xiàn)超出4～20mA范圍等異常時會導致品質異常。

油位異常保護還設置了“油位監(jiān)視功能切換”定值，以滿足對液位過高或過低不同的判斷需求。油位異常保護判據(jù)為：“油位監(jiān)視功能切換”定值整定為過量保護時，通過小電流信號計算出的位置值大于動作定值；“油位監(jiān)視功能切換”定值整定為欠量保護時，通過小電流信號計算出的位置值小于動作定值。當保護軟壓板、功能控制字投入且采樣品質正常條件下，油位異常保護元件判據(jù)滿足時，油位監(jiān)視保護經(jīng)延時動作。油位異常保護動作邏輯如圖6所示。

圖6 油位異常保護動作邏輯

此外，多通道的4～20mA直流信號均設置獨立保護元件，同樣支持獨立定值，滿足多組監(jiān)視需求。

3.3 轉子水流量低保護

機組的轉速探頭采集到轉速后會轉換為小電流信號發(fā)送給保護裝置，裝置利用4～20mA直流采集模塊采集轉速值，當小電流信號超出采樣范圍時則認為當前采集的轉速品質異常。

通過就地壓差開關獲得轉子水壓力，若小于設定值，則送出一組開關量信號到保護裝置，即轉子水流量低開入。

只有當轉速較高，同時轉子線圈進水流量低時，才認為是機組發(fā)生異常。因此，轉速高需要配合轉子水流量低開入構成轉子水流量低保護。

轉子水流量低保護的判據(jù)為：通過小電流信號計算出的轉速大于動作定值，且有轉子水流量低開入。保護軟壓板、功能控制字投入且采樣品質正常條件下，滿足轉子水流量低保護的判據(jù)時，保護裝置經(jīng)延時動作出口。轉子水流量低保護動作邏輯如圖7所示。

圖7 轉子水流量低保護動作邏輯

3.4 熱工開入經(jīng)延時跳閘

調相機組的一部分熱工信號經(jīng)就地儀表采集后，通過二次回路直接以開關量的方式接入熱工及非電量保護裝置，由裝置經(jīng)防抖延時等處理后用于保護動作跳閘。以雙水內冷機組和空冷機組為例，常見用于熱工保護的信號見表1。

表1 熱工保護常用信號

4 電源可靠性設計

為進一步提高可靠性，集成熱工功能的非電量保護裝置采用雙電源模塊設計，并確保接入單臺保護裝置的兩個電源模塊的交流電來自不同電源屏，任一電源丟失的情況下，不影響裝置正常運行，并給出電源異常告警報文。

通常站內開入電源也來自兩路不同電源屏，開入電源接入方式如圖8所示。由圖8可知，C1套非電量保護裝置開入電源采用第一段直流電源供電，C2套非電量保護裝置開入電源采用第二段直流電源供電，C3套非電量保護裝置開入電源采用一、二段切換后直流電源供電，C3非電量保護屏中需配置直流電源自動切換模塊。

圖8 開入電源接入方式

采用雙電源模塊和雙開入電源接入方式時，單一電源缺失可保證三臺裝置都能繼續(xù)正常運行，但此時三臺非電量保護裝置中必然有一臺保護裝置的開入電源消失。如圖8中的開入電源1缺失，C3套非電量保護裝置的開入電源經(jīng)電壓切換裝置由開入電源2供電，C1套非電量保護裝置開入電源缺失。

考慮到非電量保護裝置的開入電源對保護動作的重要性，設計具備電源監(jiān)視功能的非電量和熱工保護開入模塊，三取二通道中發(fā)送開關量的同時也會發(fā)送開入電源是否異常的信號。當與保護功能相關的開入電源異常時，三取二保護裝置將保護功能由三取二模式切換為二取一模式，保證極端工況下保護能可靠動作出口。

5 結論

為了將熱工保護遷移至非電量保護裝置，并進一步提高保護可靠性，設計了集成熱工功能的非電量保護裝置，保留了原有非電量保護的特點，并支持非電量開入的數(shù)字化通信。同時，還設計了針對熱工保護特點的保護動作元件，兼容多類采樣模擬量接入，設計保護動作邏輯。最后通過提高輸入、輸出可靠性來提高保護動作的可靠性，降低保護拒動或誤動風險。

采用該設計的集成熱工功能的非電量保護裝置已經(jīng)在調相機工程中得到試點應用，目前對于老舊站的升級改造還需要進一步研究和完善。將熱工保護集成至非電量保護，同樣有助于未來調相機熱工和非電量保護的標準化設計。

本文編自2022年第10期《電氣技術》，論文標題為“集成熱工功能的調相機組非電量保護裝置設計”，作者為孫仲民、張曉宇 等。