特大型水電機組保護配置方案的探討

何其偉，潘仁秋，戴建民，陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

我國幅員遼闊，江河眾多，蘊藏著豐富的水力資源，這為大規模水電開發奠定了天然的基礎條件。隨著長江流域、瀾滄江流域、金沙江流域等一批大型、特大型水電站相繼建成，我國水電開發正朝著大型、特大型水電機組方向發展；據統計，到2020年我國700 MW及以上容量水輪發電機的裝機數量將超150臺，白鶴灘、烏東德水電站等1 000 MW級水電機組也進入規劃設計階段。特大型水電機組具有單位容量造價低、單位發電成本低等諸多優點，但機組本身價值較高，非正常停機損失較大。這樣就對機組保護的靈敏度和可靠性提出了更高的要求。南瑞繼保公司RCS-985系列機組保護裝置已經在龍灘水電站和小灣水電站700 MW機組上相繼投入運行，積累了一定的工程設計和運行經驗。有必要對特大型水電機組的特點、典型保護配置方案以及實施過程中的注意事項進行總結，為今后類似工程的設計和實施提供參考。

1 特大型水電機組保護配置方案

特大型水電機組的定子繞組每相分支數較多，且中性點有足夠的安裝空間，中性點引出方式靈活，可以配置完善的內部故障主保護。通過“定量化分析計算”可以優化設計發電機的中性點引出方式和主保護配置[1]。

下面以小灣700 MW水電機組為例，簡述特大型水電機組保護典型配置方案。

小灣水電站700 MW機組分支繞組分組和中性點引出方案為：每相8個分支繞組分成2組引出，即：1、3、5、7 奇數繞組為一組，2、4、6、8 偶數繞組為另一組，最終形成2個中性點分支，如圖1所示。發電機內部故障的主保護配置發電機不完全差動保護I、發電機不完全差動保護II、發電機完全裂相橫差保護和發電機高靈敏單元件橫差保護。

小灣水電站機組保護功能配置如下。

（1）發電機、勵磁變電量保護功能配置

發電機不完全差動保護I(87G-A1)；發電機不完全差動保護II(87G-A2)；發電機單元件橫差保護(60G-A)；發電機裂相橫差保護(87GU-A)；帶記憶的低壓過流保護 (51/27G-A)；注入式定子接地保護(64G-A)；基波零序電壓+三次諧波電壓型定子接地保護 (64G-B)；注入式轉子一點接地保護(64E-A)；失磁保護 (40G-A)；定子過負荷保護(51G-A)；失步保護 (78G-A)；定子過電壓保護(59G-A)；發電機過激磁保護(24G-A)；轉子表層負序過負荷保護 (51GR-A)；發電機斷路器失靈保護(50GCB-A)；軸電流保護(38/51G-A)；勵磁繞組過負荷保護(51EL-A)；誤上電保護(81G-A)；勵磁變差動保護(87ET-A)；勵磁變過流保護(51ET-A)；勵磁變過負荷保護(51ETL-A)；電壓互感器斷線保護(95)；電流互感器斷線保護(96)。

（2）主變、廠變電量保護功能配置

主變差動保護 (87T-A)；主變負序過流保護(51TR-A)；主變過負荷保護(51T-A)；主變過激磁保護(24T-A)；主變零序電流保護(51TN-A)；廠高變差動保護(87TS-A)；廠高變速斷保護(50TS-A)；廠高變過流保護 (51TS-A)；廠高變過負荷保護(51TSR-A)；電壓互感器斷線保護(95)；電流互感器斷線保護(96)；主變18 kV側單相接地。

（3）主變、廠變非電量保護功能配置

重瓦斯（80TH）；

輕瓦斯（80TL）；

壓力釋放(63T)；

油位高低(71T)；

溫升(49T)；

冷卻系統故障(54T)；

其他。

2 典型工程的保護組屏方案

小灣水電站的工程設計綜合考慮了發電機機房與500 kV氣體絕緣開關柜（GIS）樓的二次屏柜布置，最終確定了如下組屏方案。

（1）發電機、變壓器電氣量保護雙重化配置，分別安裝在A、B柜上，除定子接地保護外，裝于A柜上的保護與裝于B柜上的保護完全相同；C柜為非電量保護和注入式定子接地輔助電源。

雙重化的轉子接地保護采用單裝置安裝在勵磁系統的滅磁柜中。

（2）在每條500 kV電力電纜的始端(地下廠房內)和終端(地面500 kV GIS樓)各設置一面保護屏，每面屏上裝設2套光纖差動保護裝置。地下廠房內的500 kV電力電纜保護柜與發電機變壓器組保護的A、B、C柜布置在一起，地面500 kV GIS樓的500 kV電力電纜保護柜布置在500 kV GIS樓的保護盤室內。

3 特大型水電機組保護設計原則

（1）按“無人值班”（少人值守）原則設計；

（2）按 GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》、國家電力公司頒發國電發[2002]589號的 《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》及國電調[2002]138號《“防止電力生產重大事故的二十五項重點要求”繼電保護實施細則》等規程與“反措”要求為發變組單元設備配置保護；

（3）在工程設計時綜合考慮繼電保護裝置的快速性、可靠性、靈敏性和選擇性要求；

（4）按“雙重化”原則為發電機、主變壓器和500 kV高壓電纜各配置兩套獨立的電氣量保護；

（5）2套電氣量保護裝置的電源、TA、TV均各自獨立，同一套電氣量保護的主保護和后備保護共用一組TA，2套完整的電氣量保護的跳閘出口分別作用于相關斷路器的2個跳閘線圈；

（6）主變壓器的非電量保護的跳閘出口同時作用于相關斷路器的2個跳閘線圈。

4 特大型水電機組幾個保護配置問題的探討

4.1 定子接地保護

特大型水電機組的定子繞組單相對地電容與常規火電機組、低容量水電機組相比要大得多。如廣西龍灘水電廠700 MW機組定子繞組單相對地電容為3.6 μF/相，定子繞組單相接地故障造成的危害更為嚴重，而三次諧波電壓型定子接地保護的靈敏度卻因電容增大而相對降低，對機組安全運行不利。對于特大型水電機組，三次諧波電壓型定子接地保護已難以滿足保護靈敏度的要求。

為更好地保障特大型水電機組安全運行，要求采用靈敏度更高的定子接地保護原理，配置更加完善的100%定子接地保護方案，即在發電機變壓器組保護A柜配置低頻20 Hz交流注入式定子接地保護，在B柜配置由機端零序電壓加中性點三次諧波電壓共同構成的100%定子接地保護。

以小灣水電站為例，注入式定子接地保護示意圖如圖2所示[2]。

A套保護采用注入式定子接地保護，電壓可以直接取二次負載電阻的抽取100 V電壓，也可以直接取二次負載電阻兩端電壓，輔助電源裝置內部經過分壓電阻得到100 V電壓。

B套保護采用基波零序電壓+三次諧波電壓型定子接地保護，電壓取中性點接地變壓器二次抽取100 V電壓。

雙重化的2套不同原理的定子接地保護裝置所取不同的電壓，保證了裝置的可靠性。

中間變流器為穿心式電流互感器。現場安裝時，用支架直接將中間TA固定在穿心的銅排上。中間變流器選擇時，應根據發電機、接地變壓器、負載電阻的參數設計其電流變比。

對中間變流器的性能要求：(1)中間變流器二次電流應與保護裝置的電流輸入接口相配合；(2)中間變流器的測量精度應滿足一定的要求；(3)一次側流過最大工頻電流時，中間變流器不應飽和。

需要注意的是，當發電機組采用注入式定子接地保護時，應適當提高中性點接地變壓器低壓側額定電壓，使得二次負載電阻值達到或超過1 Ω，以便一次設備與注入式定子接地保護實現良好地配合，獲得更為優越的保護靈敏度。

4.2 轉子接地保護

特大型發電機要求在發電機靜止未加勵磁電壓的情況下仍能實現轉子繞組對地絕緣監測，因此宜采用注入式原理的轉子接地保護。

小灣水電站轉子接地保護采用雙重化的2套單裝置，安裝在發電機勵磁系統的滅磁柜中，避免了發電機轉子繞組的對外引出，減小了轉子繞組主回路發生故障的機率，提高了發電機運行的可靠性；2套轉子接地保護共用一個切換開關，該切換開關設置有3個位置：A套／B套／停用，通過切換開關操作保證任何時候都只能有一套轉子接地保護裝置投入工作低頻信號發生器安裝在發電機勵磁柜中，避免了發電機轉子繞組的對外引出，減小了轉子繞組主回路發生故障的機率，提高了發電機運行的可靠性。

雙套配置的轉子接地保護，宜采用不同原理，一種采用乒乓原理，一種采用注入式原理，2種不同原理之間可以相互驗證，正常運行時只投入其中一套，當投入運行的轉子接地保護動作報警時，可切換到另一套保護，驗證第一套保護的動作行為，提高絕緣檢測的可信度[3]。

4.3 失磁保護轉子電壓引入方式

失磁保護轉子低電壓判據需要引入轉子電壓，但轉子繞組在電氣上涉及的環節多，發生一點接地故障的可能性較大，特大型水電機組的勵磁電壓偏高，直接引入轉子電壓進入保護裝置，存在轉子過電壓破壞保護裝置的隱患，電纜的選型也比較困難。

此外，GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》第6.1.2款要求“二次回路的工作電壓不宜超過250 V，最高不應超過500 V”。

因此，特大型水電機組的失磁保護可通過其保護原理及定值整定優化而取消 “轉子電壓低判據”，或者轉子電壓通過其他方式再進入保護裝置。若失磁保護需采用“轉子電壓低判據”，建議采用以下2種方式引入轉子電壓：

（1）經4～20 mA變送器傳變后輸入保護裝置：變送器可以起到隔離的作用，且電纜選擇要求較低，這是該方式的優點，但需考慮變送器的轉換時滯問題。建議設計單位在勵磁系統中考慮增設變送器實現供給機組保護兩路獨立的4～20 mA信號輸出。

（2）經分壓器降壓后輸入保護裝置：分壓器的變比一般設計為10∶1或15∶1，分壓器內阻值不宜太小，但要求比故障錄波器和保護裝置采樣內阻要低一個數量級，否則會影響測量精度，且建議分壓器有多個抽頭，2套機組保護和故障錄波器的轉子電壓分別取自不同的抽頭，相對獨立。該方案的缺點在于勵磁電壓單極對地電壓并未顯著減小。

目前，上述2組方式在現場均已得到應用。

4.4 保護信號傳輸通道

（1）每條500 kV電力電纜的2套光纖差動保護采用獨立的2根專用光纜傳輸信號，實現保護信號傳輸通道的完全冗余，提高保護的可靠性。

（2）發變組保護出口跳500 kV斷路器的信號，首先接入布置在機旁的500 kV電纜光纖差動保護裝置的遠跳通道，經光信號傳輸后，由布置在地面500 kV GIS樓的500 kV電纜光纖差動保護裝置接收并輸出跳閘接點到相應的500 kV GIS斷路器跳閘線圈回路。光纖差動保護裝置具備多個光電傳輸通道，可以分別接入發變組電量保護動作、非電量保護動作接點，以區分是否啟動斷路器失靈保護。

同理：500 kV GIS斷路器失靈保護、母線保護動作等系統保護跳發電機斷路器的信號也接入布置在500 kV GIS的光纖差動保護裝置的遠跳通道，經光信號傳輸到發電機機旁，如圖3所示。

本方案的主要優點：由于發變組保護和500 kV GIS分布距離較遠，通過光纖通道傳輸跳閘接點，回路得到了優化、接線簡單、節省了電纜，避免了跳閘接點經過電纜長距離傳輸的各種干擾，保證了保護裝置的可靠性，減少了誤動。

此方案在龍灘水電站、小灣水電站、構皮灘水電站等特大型機組保護中得到了廣泛應用。

圖3 保護信號傳輸示意

5 結束語

（1）對反應發變組的各種內部故障及異常運行的保護均采用“雙重化”配置。

（2）為加強內部故障時保護裝置的靈敏度，在發電機一次TA具備條件時，配置多套發電機不完全差動保護、發電機完全裂相橫差保護以及發電機高靈敏單元件橫差保護，強化主保護配置。

（3）與保護配合相關回路（包括光纖通道）按“雙重化”配置，且“雙重化”配置的保護裝置及其相關回路應完全獨立。

（4）發電機定子接地、轉子接地保護按“雙重化”配置，且兩套保護原理不同，其中一套采用注入式原理，以滿足未加勵磁或靜止狀態下對定子、轉子的絕緣監測功能要求。

（5）轉子接地保護宜采用單裝置，就地安裝在勵磁系統室，失磁保護用轉子電壓宜經變送器隔離傳變或經分壓器降壓后接入發電機保護裝置。

隨著一批特大型水電站的建設發展，水電機組的單機最大容量也不斷刷新。這就需要我們充分了解特大型水電機組的工藝結構、性能參數及其運行技術特點，通過不斷總結工程設計和機組運行過程的實踐經驗，為特大型水電機組配置更為科學、更為完善、更為可靠的機組保護，以確保機組及電網的長期安全穩定運行。

[1]王維儉，王祥珩.大型發電機變壓器內部故障分析與繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985注入式定子轉子接地保護技術使用說明書[S].2007.

[3]陳 俊，王 光，嚴 偉，等.關于發電機轉子接地保護幾個問題的探討[J].電力系統自動化,2008,32（1）∶90-92.