抽水蓄能電站機組保護國產化改造

龔翔峰，楊海學，司紅建

(江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333)

沙河抽水蓄能電站位于江蘇溧陽天目湖旅游度假區境內，電站于1998年9月開工興建，2002年6月第一臺機組投產，同年7月第二臺機組投產。電站裝機容量2×50 MW，電氣主接線為單元制接線，單母線單出線。電站主機設備從法國ALSTOM公司引進，機組保護采用不同廠家的多臺保護裝置和中間繼電器組合而成，采用分列式元件配置。原有機組保護在設計、運行方面存在較多問題，發生多次誤動作，電站于2010年和2011年對1，2號機組保護裝置先后進行了國產化改造，運行效果良好。

1 原有保護情況介紹

原有機組保護采用分列式元件配置，由多個廠家的保護繼電器組合而成，機組保護柜面布置如圖1所示。部分保護功能采用了雙重化，保護功能配置、繼電器型號和廠家如表1所示。

2 原有保護問題分析

依據國家電網公司反事故措施要求及國內各相關國標和行業標準，結合已有運行情況分析，原有機組保護裝置在保護配置、設計和運行等多方面存在一定缺陷。

2.1 部分保護未雙重化配置

原有機組保護僅部分保護功能實現雙重化，多種重要保護功能仍為單套配置，包括發變組差動保護、失步保護、轉子接地保護、斷路器失靈保護、負序過流保護、相序保護、軸電流保護、勵磁變過流保護、勵磁過負荷保護等。當單套配置的保護繼電器異常退出后，機組將失去該保護功能，影響機組的安全可靠運行，不符合國家電網公司十八項反事故措施要求和相關標準[1]。

表1 保護功能配置及繼電器型號和廠家

2.2 保護功能投退依靠監控

原保護裝置各工況下保護功能投退均由監控系統完成，監控系統將相應的控制信號（閉鎖或開放）通過中間繼電器接入相應的保護裝置。監控系統和保護系統大量采用中間繼電器，二次回路復雜，開停機流程復雜，增加了開機不成功率和保護誤動概率。同時保護功能的閉鎖不是由保護裝置內部邏輯實現，而是閉鎖跳閘出口回路，因此機組啟停機過程中大量出現保護裝置動作而實際未出口的報文，嚴重干擾運行值班人員監盤及事故分析。

2.3 保護繼電器硬件結構可靠性低

原有保護繼電器硬件結構采用單CPU系統，低通濾波、A/D采樣、DSP任一環節損壞都將引起裝置動作停機，近幾年多次發生SR489保護繼電器A/D采樣異常引起的非計劃停運事故，而國內保護廠家主流設計采用雙CPU系統，兩個CPU系統之間進行完善的自檢和互檢，任一CPU板故障，立即閉鎖保護裝置并發報警信號。

2.4 部分保護原理不符合國內技術規范

原有機組保護部分保護原理不符合國內技術規范，主要有以下幾個方面：（1）任一保護裝置電源丟失或電源模塊損壞，保護動作出口，改造前發生過SR489保護繼電器電源模塊損壞和定子接地保護繼電器TOV電源模塊故障引起的兩起非計劃停運事故。（2）斷路器失靈保護所用電流錯誤取自中性點側，且斷路器失靈保護的電流判據只采用相電流元件，缺少負序電流元件。（3）發電電動機差動保護和發變組差動保護沒有電流互感器（TA）斷線閉鎖功能，在機端或中性點TA任一相發生斷線時，裝置會出口。（4）單元件橫差保護未濾除三次諧波分量，靠抬高定值躲過三次諧波，靈敏度低。

2.5 保護元件和中間繼電器多

原有機組保護由11個保護繼電器和61個中間繼電器以及2個出口繼電器組合而成，元件眾多，二次回路復雜，不便于維護，并且保護繼電器和中間繼電器來自于多個生產廠商，備件采購困難，且采購周期長、費用高。因抽水蓄能機組啟停機頻繁，工況較多，每次開停機過程中，涉及到保護功能閉鎖開放和機組工況狀態判別的23個中間繼電器頻繁動作，導致這部分中間繼電器故障率較高，最近幾年因中間繼電器原因引起很多次的開機不成功和非計劃停運事故。

3 國產化后的技術改進

3.1 完全雙重化保護配置

本次改造嚴格參照國內技術規程和反措要求，按照保護功能完全雙重化配置原則，每臺發電電動機組設置2套保護裝置[2]。每套保護裝置實現一臺機組的所有電氣量保護，包括主保護、后備保護和異常運行保護，2套保護實現完全雙重化。保護配置如圖2所示。

圖2 發電電動機組屏圖

保護裝置從電源、電壓互感器（TV）和TA接入、開入量、出口繼電器和斷路器跳閘回路等均完全獨立，任一元件或回路損壞不影響另一套裝置的正常運行。該配置原則大大提高了抽水蓄能機組保護的可靠性，降低了機組的運行風險。另外完全雙重化保護配置還具有設計簡潔、二次回路清晰、運行和維護方便等優勢。

3.2 保護功能投退內部實現

沙河電站機組電動工況以SFC啟動方式為主，以背靠背同步啟動作為備用。抽水蓄能機組需要根據運行工況的判別，進行保護功能投退和相序轉換，工況的正確判別是保護改造成功實施的前提。本次改造將發電換相開關、抽水換相開關、啟動開關、拖動開關、并網開關、電制動開關和導水葉位置即7個輔助接點直接接入保護裝置，保護裝置根據各開入量實現內部邏輯閉鎖，盡量避免單一條件判斷運行工況，同時增加完善的換相開關、啟動和拖動開關、并網開關、電制動開關即4個開關異常判據，在開關異常時，閉鎖與運行工況相關的保護功能，防止保護的誤動。改造后機組啟停機過程中不再出現原有保護裝置動作而實際未出口的大量報文，同時由于輔助接點直接接入，取消了原有大量中間繼電器，極大簡化了二次回路，提高了保護系統的安全性。

3.3 可靠的保護硬件結構設計

抽水蓄能機組對保護裝置可靠性要求很高，而硬件結構的可靠性則是基礎。本次改造選用的南瑞繼保RCS-985保護裝置采用了一種新型的 “雙CPU系統，與門出口方式”系統結構，較好地解決了硬件可靠性問題。該硬件系統結構如圖3所示，分為兩個CPU系統 （啟動CPU和保護CPU），低通濾波、AD采樣、CPU等完全獨立，各自進行保護計算。雙CPU系統采用“與”門出口方式，啟動CPU作用于開放跳閘繼電器正電源，保護CPU作用于跳閘矩陣，只有兩塊CPU板同時動作，保護裝置方可出口，杜絕了任何硬件損壞導致的誤動。兩個CPU系統之間還進行完善的自檢和互檢，任一CPU板故障，立即閉鎖保護裝置并發報警信號。

圖3 雙CPU系統結構圖

3.4 先進的保護原理應用

3.4.1 變斜率和工頻變化量比率差動保護

由于大型機組短路電流水平相對下降，非周期電流衰減變慢，常規差動保護靈敏度降低，所以對差動保護要求在不失可靠性的前提下具有更高的靈敏度。SR489繼電器中差動保護為常規的兩折線、三折線比率差動，靈敏度較低。本次改造采用近年來在大型機組上應用較多的變斜率穩態比率差動和工頻變化量比率差動的新原理，更適合抽水蓄能機組差動保護的要求[3]。

3.4.2 注入式定子和轉子接地保護

發電機定子單相接地和勵磁回路一點接地是發電機較為常見的電氣故障，抽水蓄能機組造價昂貴，對定子和轉子繞組的對地絕緣檢測要求較高。原有定子接地保護采用常規“基波零序電壓＋三次諧波”原理，轉子接地保護采用乒乓式原理，在靜止狀態下無法檢測絕緣情況。改造后采用高性能的注入式定子、轉子接地保護原理，可滿足無勵磁狀態下的檢測要求，且保護靈敏度高[4]。

3.4.3 高靈敏橫差保護

單元件橫差保護是發電電動機匝間短路故障的主保護，原有橫差保護僅為簡單的過流元件，未濾除三次諧波，依靠抬高定值躲過最大三次諧波不平衡分量，靈敏度很低。新型的高靈敏橫差保護采用相電流比率制動原理，只需躲過正常運行時的不平衡橫差基波電流即可。其基本原理為發生外部短路故障時故障電流增加很大，而橫差電流增加較少，取電流增加量作為制動量，保護能可靠制動；定子繞組輕微匝間故障時橫差電流增加較大，而相電流幾乎沒有變化，有很高的動作靈敏度。

3.5 其他的改進措施

斷路器失靈保護電流取自發電電動機機端TA，并增加負序電流元件，完善保護邏輯。原斷路器失靈保護用電流取自中性點，在發電電動機內部故障保護動作后，由于勵磁系統滅磁需一定的時間，故障電流仍將持續供給，可能導致斷路器失靈保護誤動，不滿足國家電網反事故措施要求。發電電動機差動保護和發變組差動保護設置TA斷線閉鎖功能，在機端或中性點TA發生斷線時，可根據需要選擇是否閉鎖差動保護，靈活性更高。

4 應用情況

1號機組保護改造于2010年5月完成，改造后保護裝置運行良好，未發生任何異常，并正確動作1次。2010年6月27日，1號機組處于發電運行狀態，15時23分01秒，A套注入式定子接地保護和B套基波零序電壓保護動作并跳閘出口，其錄波圖如圖4所示。波形從左至右分為三段，第一段為保護啟動時刻波形，第二段為跳閘時刻波形，第三段為跳閘后波形，Ufa，Ufb，Ufc為機端三相電壓波形，Uf0，Un0分別為機端和中性點零序電壓，I0為中性點零序電流，U20，I20為中性點20 Hz注入低頻電壓和電流，Rs為定子接地過渡電阻值。從圖4可看出，啟動時零序電壓Uf0和零序電流I0出現，定子接地過渡電阻一段時間落至0 kΩ，為故障初發階段；跳閘時零序電壓和零序電流分量很大，20 Hz電壓明顯降低，20 Hz電流明顯增大，定子接地過渡電阻穩定于0 kΩ，機端電壓C相明顯降低，故障特征明顯且穩定，初步懷疑為機端發生定子C相接地故障。

圖4 定子接地保護動作錄波圖

經仔細排查，找到故障點為發電電動機機端電制動開關C相單相接地。查明原因是由于空調冷凝水排水管堵塞，導致冷凝水溢出，滴落至電制動開關，造成發電電動機機端引線定子接地故障。在對故障點進行緊急處理后，機組正常投入運行，避免了可能造成的發電電動機機端相間短路的嚴重故障。

5 經濟效益

綜合考慮設備費、輔材費（主要為增加的控制電纜）、安裝調試費，每臺機組保護國產化改造費用約20萬元，低于抽水蓄能行業機組保護改造百萬級別標準 （據調研潘家口蓄能電廠和廣州蓄能電廠機組保護改造費用都在百萬元以上），在保障技術的前提下建立了機組保護改造費用的新標準。機組保護改造完成后，新保護裝置生命周期內的備件費用和廠家服務費用為0，只需每年4萬元的常規校驗外包費用，克服了原有進口保護裝置后期維護費用高（年均超過20萬元）和售后服務不到位等缺點。

6 結束語

本次改造工程嚴格參照國內技術規程和反事故措施要求，克服原有機組保護缺陷，實現了機組保護主后備一體化、雙重配置的成套保護配置方案，成功應用了注入式定子、轉子接地保護原理、變斜率比率差動原理、工頻變化量差動原理、高靈敏橫差保護等先進技術，極大地提高了機組保護性能。改造后二次回路簡潔清晰，維護方便，現場應用安全可靠。

[1]GB/T 14285—2006，繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].

[2]沈全榮，何雪峰，沈儉，等.大型發變組微機保護雙重化配置探討[J].電力系統自動化，2002，26(10)：69-72.

[3]嚴 偉，陳 俊，沈全榮.超超臨界機組發電機變壓器組保護探討[J].江蘇電機工程，2008，27(S1)：61-63.

[4]王光，溫永平，陳 俊，等.注入方波電壓式轉子接地保護裝置的研制及應用[J].江蘇電機工程，2009，28(2)：74-77.