行波保护:电网的“安全卫士”

2017年11月29日08:58  来源:科技日报
 

“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(IEEE)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(县)—信(义)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

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。(记者 申 明)

(责编:初梓瑞、庄红韬)