300MW級抽水蓄能機組繼電保護原理優化研究

王 光，陳 俊，姬生飛，王 凱，季遙遙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

300MW級抽水蓄能機組繼電保護原理優化研究

王 光，陳 俊，姬生飛，王 凱，季遙遙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

本文針對以往300MW級抽水蓄能機組繼電保護存在的不足和運行中出現的問題，重點探討了發電電動機及主變壓器差動保護、三次諧波電壓比率定子接地保護、注入式定子接地保護、水泵啟動過程保護等方面的應用問題及保護原理的優化，改進后的保護原理在現場近20臺機組上取得了良好的應用效果。

抽水蓄能機組繼電保護；發電電動機差動保護；主變壓器差動保護；三次諧波電壓比率定子接地保護；注入式定子接地保護；水泵啟動過程保護

0 引言

隨著我國經濟和社會的快速發展，電力負荷迅速增長，峰谷差不斷加大，用戶對電力供應的安全和質量期望值也越來越高，另外核電和風電的快速發展使調峰更加困難。抽水蓄能電站以其調峰填谷的獨特運行特性，發揮著調節負荷、促進電力系統節能和維護電網安全穩定運行的功能，將成為我國電力系統有效的、不可或缺的調節工具[1][2][3]。

300MW級大型抽水蓄能機組制造難度高，單機造價昂貴，對機組保護性能要求很高。以往大型抽水蓄能機組保護基本為國外廠家壟斷，設計圖紙等均從國外引進，在設計、運行等方面存在不完全滿足國內相關標準和反措要求等問題。另外，部分常規保護原理在300MW級抽水蓄能機組上應用也遇到了一些新的問題，如三次諧波電壓比率定子接地保護在各個工況下的適應性問題、注入式定子接地保護在水泵工況并網時的啟動問題等，應給予關注。目前國內繼電保護廠家已打破壟斷，在國內300MW級大型抽水蓄能機組上已有較多工程應用，積累了一定的運行經驗。本文針對抽水蓄能機組保護的上述問題，提出了相應的解決方案，希望對以后抽水蓄能機組保護的發展提供一些借鑒和幫助。

1 發電電動機和主變壓器差動保護配置優化

差動保護作為繼電保護的主保護地位毋庸置疑，抽水蓄能機組也不例外，但抽水蓄能機組差動保護配置至今仍未達成一致意見，配置較為復雜，且各廠家做法均不相同，甚至每個電站的配置都不盡相同。本文針對現有方案進行分析，提出了優化方案。

1.1 以往差動保護交叉配置分析

以往大型抽水蓄能機組差動保護配置有多種方案[4][5]，一種較為常見的做法如圖1所示。主變壓器小差（87T-1）范圍為1TA、2TA以及廠用變壓器高壓側、SFC輸入變壓器高壓側，不受工況影響可全程投入；發電電動機小差（87G-1）范圍為5TA和6TA，也不受工況影響可全程投入，這兩套小差重點保護發電電動機和主變壓器本體。主變壓器大差（87T-2）范圍則為1TA、4TA以及廠變高壓側、SFC輸入變壓器高壓側，包含了換相開關和機端斷路器部分，受工況影響。發電電動機大差（87G-2）范圍為3TA和6TA，包含了機端斷路器部分，同樣受工況影響。

圖1 以往大型抽水蓄能機組差動保護配置方案Fig.1 Old scheme of differential protection for large pumped storage unit

主變壓器小差和發電電動機小差全程投入，不受任何工況影響，一般均會配置，這里不做討論。對于主變壓器大差和發電電動機大差來說，是在機端斷路器兩側交叉，并網后不存在保護死區，沒有問題。在機組并網前，主變大差機端側電流（4TA）不屬于流過主變壓器的電流，將會影響主變壓器差動動作行為。以往進口保護有兩種做法，一種是直接閉鎖[6]，但2TA至機端斷路器部分將失去差動保護，一旦發生故障只能依靠后備保護動作，可能造成重大損失；另一種做法是差動正常投入，正常運行時差動定值一般會高于發電電動機啟動電流，保護不會動作，但在變頻啟動過程中發電電動機側任意位置發生故障時，主變壓器差動保護都可能動作，將會大大擴大動作范圍，相鄰機組也會停機。對于發電電動機大差，在機組并網前3TA電流也不會流過發電電動機的正常電流，進而影響發電電動機大差的動作行為，以往進口保護大多采用抬高定值的辦法，啟動過程中也能正常投入，但仔細分析后發現，發電電動機大差在機組并網前作用很小，由于發電電動機故障電流不流過3TA，大差僅依靠發電電動機中性點電流互感器（6TA）單側電流動作，大差的實際動作行為及保護效果與低頻電流速斷保護無任何區別，均取得的是6TA電流，在機組并網前設置兩套事實上完全相同的保護沒有必要。因此，發電電動機大差在并網前可以取消，僅保留并網后與主變壓器大差交叉的作用，這個交叉點實際上也可以根據需要調整。

其他的做法還包括，主變壓器大差機端側電流取自5TA，或者主變壓器小差的TA取自主變壓器低壓側套管（即主變壓器出口根部的位置），發電電動機大差至2TA位置等，存在的問題與前述分析基本類似，這里不再贅述。

1.2 差動保護交叉配置及主變壓器差動邏輯優化研究

基于以上分析，筆者認為可以優化差動保護配置，并能適當簡化主保護。如圖2所示，發電電動機小差和主變壓器小差保持不變。主變壓器大差機端側電流差至發電電動機出口處（5TA），差動范圍略有擴大，包含了電制動開關。發電電動機大差則取消，減少一套差動保護。這樣3TA和4TA可以省去4個保護TA，5TA增加2個保護TA，總共可以節省2個保護TA。

對于這一差動保護配置方案，發電電動機小差和主變壓器小差各自重點保護發電電動機和主變壓器本體，全程投入，不受閉鎖方式影響。由于主變壓器大差和發電電動機小差在機端交叉，并網后不存在保護死區。并網前，對于5TA以上機端封閉母線部分，依靠發電電動機低頻電流速斷保護，與以往保護性能相同。對于主變壓器大差保護，可優化保護邏輯解決并網前存在的問題。

主變壓器大差在機組并網前不需閉鎖，可全程投入，而對差動電流計算邏輯進行優化。并網前差動電流計算時不計入發電電動機機端電流，并網后再計入，該方法可消除機組并網前的保護死區，區外故障時也不會誤動，提高了主變壓器大差的可靠性。如圖3所示，機組啟動過程中，當換相開關部分（K1點）發生故障時，主變壓器小差由于是區外故障無法動作，主變壓器大差屬于區內故障可快速動作；當發電電動機部分（K2點）發生故障時，機端電流互感器流過故障電流，由于并網前不計入機端電流，主變壓器大差無差流出現，因此也不會誤動作。

另外，主變壓器大差和發電電動機小差的交叉位置也可以選在4TA位置，主變壓器大差與原來保護范圍一致，發電電動機小差則包含了電制動開關部分，需要在電制動時閉鎖。

綜合以上分析，這一方案既保證了保護性能，又簡化了保護配置，同時減少了TA總臺數，應是一種比較合理的差動保護配置方案。

圖2 大型抽水蓄能機組差動保護配置新方案Fig.2 New scheme of differential protection for large pumped storage unit

2 發電電動機定子接地保護

2.1 三次諧波電壓比率定子接地保護

三次諧波電壓比率保護與中性點基波零序電壓保護共同構成100%定子接地保護，是大型抽水蓄能機組定子接地保護的重要組成部分，按照設計要求應在發電工況和電動工況都投入運行。文獻[4]指出，運行中零序電壓三次諧波分量受機組運行工況影響較大，發電工況和抽水工況功率方向不同，三次諧波的分布情況會有變化，因此這一原理無法同時適用于兩種工況。

為此，筆者在某抽水蓄能電站2臺250MW機組現場試驗中觀察和記錄了不同運行工況下三次諧波電壓比率值的變化情況，詳細數據如表1和表2所示，表中UT03為機端零序電壓三次諧波幅值，UN03為中性點零序電壓三次諧波幅值，UT03/UN03為三次諧波電壓比值。

表1 1號機組三次諧波數據Tab.1 Three harmonic voltage data of #1 unit

續表

表2 2號機組三次諧波數據Tab.2 Three harmonic voltage data of #2 unit

分析表中數據，我們發現零序電壓三次諧波分量有以下三個特征：①發電工況在不同負荷情況下三次諧波電壓比率隨負荷增大略有減小，但變化范圍很小；②抽水工況、抽水調相和抽水并網前三種工況下三次諧波電壓比率略有不同，但相差較小，總體比發電工況略小；③發電并網前兩臺機組三次諧波電壓比率均明顯較大，約為其他工況的1.3倍。

從這兩臺250MW機組試驗情況來看，功率流向對三次諧波幅值比值影響較為有限，最大變化范圍約為3%，似乎并無文獻所指那么大。發電并網前與其他工況相差較大，其原因是由于發電電動機所聯接設備變化較大，引起機端和中性點對地等效電容分布也發生較大變化，進而導致三次諧波分布情況的變化。由于本次試驗相位記錄不全面，未能總結相位變化規律。對于抽水工況并網前后三次諧波電壓比率相差不大的情況，其原因應為SFC啟動回路設備與主變壓器低壓側所連接設備對地等效電容較為接近，不排除其他電站和機組會出現較大變化。

基于以上分析，三次諧波電壓比率定子接地保護如采用常規的單一比率定值，按可靠躲過最大實測值整定（發電并網前），則在抽水方向各工況和發電并網后靈敏度必然較低。應用時建議采用多段定值，分別在不同的運行工況下投入，由于抽水蓄能機組運行工況較多，多達10種以上，如每種工況對應一段定值，則保護過于復雜。由于部分工況三次諧波電壓比率較為接近，可采取設置工況閉鎖（或投入）控制字選擇的辦法，設置2～4段定值一般可滿足要求。

另一種原理三次諧波電壓差動保護，由機端和中性點的三次諧波電壓相量差構成，正常運行時根據機端和中性點三次諧波電壓相量的變化進行自動調節，始終保持兩側相量平衡，即三次諧波電壓相量差為零，自動跟蹤工況變化，能夠更好地適應抽水蓄能機組多工況的特點。

2.2 注入式定子接地保護

注入式100%定子接地保護原理通過接地變壓器將低頻電壓信號注入到機組定子繞組對地的零序回路中來檢測定子繞組對地絕緣情況[7]。該原理與三次諧波無關，且滿足無勵磁狀態下測量要求，在大型抽水蓄能機組上應用有獨特的優勢。

圖3 定子接地保護啟動波形Fig.3 Starting waveform of stator ground protection

該原理在某抽水蓄能電站250MW機組上應用也取得了很好的應用效果，但在水泵工況并網過程中卻曾多次出現保護啟動現象，引起了我們的注意。多次出現時刻均是在機端斷路器合閘之后，被拖動開關分閘過程中。圖3為其中一次啟動波形，在被拖動開關分閘過程中確實出現了機端和中性點基波零序電壓增大、注入20Hz電壓下降、20Hz電流上升的短暫過程，定子接地電阻計算值出現了約100ms的下降過程。

圖中U0為機端零序電壓，UN為中性點零序電壓，U20為注入20Hz電壓，I20為注入20Hz電流，RS為定子接地計算電阻值。

多次統計開關變位情況后發現保護啟動時間基本一致，以水泵工況并網時機端斷路器合閘時刻為基準，約2.2s時被拖動開關開始分閘，約3.0s時定子接地保護啟動，約4.0s被拖動開關分閘完成。由于機端斷路器動作很快，約30ms完成分閘，動態過渡過程也應早已結束，可排除機端斷路器影響。而被拖動開關為電動開關，動作行程較長，分閘時間約為1.8s，定子接地保護啟動即在其分閘過程中，初步確定應為主要原因，后經仔細分析認為被拖動開關動作速度較慢，存在三相隔離開關動作不一致的可能，導致機組與SFC設備連接出現短暫的非全相運行，根據啟動時間推算應在100～200ms之間。

非全相運行分析的相關文獻[8]、[9]表明，非全相運行時會產生一定的零序和負序分量，其大小和負載阻抗、接地方式等多種因素有關。對于抽水蓄能機組SFC啟動運行方式來說，在機組并網調速時，SFC仍有一定的拖動電流，雖負載較小，仍有一定的零序電壓出現并影響注入式定子接地保護，由于該保護較為靈敏，當某次拖動電流相對較大的時候，可能導致定子接地保護啟動。非全相運行時間多次統計均在100～200ms之間，建議注入式定子接地保護整定動作時間應可靠躲過，延時建議整定0.3s以上。

3 水泵啟動過程保護

3.1 保護配置優化

大型抽水蓄能機組主要承擔調峰作用，啟停頻繁，一般每天均要啟停數次，相對于常規機組，啟動過程在整個運行過程中所占比例很高。同時，抽水蓄能機組作為水泵運行時無法自啟動，需要依靠外部電源啟動，一般采用SFC啟動或背靠背啟動方式。因此，水泵啟動初始時已加勵磁，由零轉速同步的拖動至額定轉速，定子三相電流的頻率和幅值隨著轉速升高而變化，且持續時間較長。因此，在啟動過程中具有完善的保護性能非常重要。

常規保護功能通常基于工頻進行算法設計，在低頻啟動過程中靈敏度很低且部分保護可能誤動，因此需閉鎖相關保護，并專門配置具有一定靈敏度的保護功能。目前國外保護設備在啟動過程中主要配置了次同步過流保護（國內習慣稱作低頻過流保護）和電壓相序保護[5][6][10]，保護種類少，主要反映機組的相間短路和異常運行。鑒于水泵啟動過程在抽水蓄能機組中的重要性，吸取國內機組保護多年經驗，建議增加反映定子接地故障、匝間短路故障的保護和反映相間短路故障的快速保護，采用不受頻率影響的保護算法。

水泵啟動過程保護建議配置如下：①反映相間短路故障的保護，配置低頻差動保護作為快速主保護，配置低頻過流保護作為后備保護，按可靠躲過最大不平衡電流整定；②反映匝間短路故障的保護，可配置低頻橫差保護，動作值宜適當提高，可靠躲過低頻三次諧波分量的影響；③反映定子接地故障的保護，配置中性點低頻零序電壓保護，動作值也宜適當提高，可靠躲過低頻三次諧波分量的影響；④電壓相序保護，用于鑒別發電電動機旋轉方向與換相開關位置不一致的機組異常運行。

3.2 低頻差動保護優化

大型抽水蓄能機組在水泵（變頻）啟動過程的初始階段，傳統的電磁式電流互感器由于鐵芯的原因，當發電電動機頻率很低時極易飽和，傳變特性差，尤其是10Hz或5Hz以下極低頻率時二次電流波形畸變嚴重，保護裝置將計算出虛假的差動電流，可能導致差動保護誤動。以往進口大型抽水蓄能機組保護一般在10Hz以下閉鎖差動保護，導致這一階段缺少快速主保護，存在較大隱患[10]。圖4為某電廠背靠背啟動過程中頻率在3Hz左右時的錄波波形，給出的是B相電流和差流，依次為差動電流、機端電流和中性點電流波形，機端和中性點電流畸變嚴重，初始階段相位甚至都是相反的，保護計算出的差流最大達到0.45Ie，甚至高于負荷電流。

圖4 某機組背靠背啟動波形（3Hz）Fig.4 Back-to-back starting waveform of the pumped storage unit

為解決10Hz或5Hz以下差動保護問題，在對變頻啟動過程中機組電氣量進行詳細分析和計算的基礎上，本文提出了基于頻率偏移量制動的低頻差動保護，在變頻啟動的初始階段一次電流互感器無法正確傳變情況下，根據頻率偏離設定值的大小和電流互感器低頻傳變誤差特征曲線，實現低頻差動保護的頻率偏移量制動特性，解決差動保護在極低頻率時的誤動問題，無需閉鎖，可以在水泵啟動全過程中投入，從而提高抽水蓄能機組在整個水泵啟動過程中的保護性能。頻率偏移量制動特性如下式所示。

式中：ID——差動電流；

ICD.SET——差動啟動電流定值；

綜上所述，醫院強化內部控制是在市場經濟環境下競爭必不可少的提升途徑，只有通過內部控制才能夠將醫院的各方面風險盡可能的降低，同時將運營效率進行大幅度提升。從目前醫院的內部控制發展狀況來看，仍然有極大的發展空間，尤其是需要醫院能夠主動的重視對于內部控制建設的發展與優化，同時將醫院不足盡可能的讓內部控制發現并且進行控制，才能夠在市場競爭環境下為醫院的核心競爭力的提升帶來保障，避免因為內部管理的問題給醫院帶來不必要的損失。

f——發電電動機當前頻率；

fSET——頻率制動基準值（一般可設定為10Hz）；

k——制動系數。

發電電動機啟動初始階段，頻率近似為零，電流互感器傳變特性最差，頻率制動特性也最高，隨著頻率逐漸升高，電流互感器飽和深度減小，傳變誤差變小，動作門檻隨著頻率升高而逐漸降低，可靠防止10Hz以下時低頻差動保護誤動，當發電電動機發生故障時仍能保證一定的靈敏度；當發電電動機頻率大于頻率制動基準值時，動作門檻即為差動啟動電流定值，保證水泵后續啟動過程中低頻差動保護的靈敏度。基于頻率偏移量制動的低頻差動保護動作特性如圖5所示。

圖5 基于頻率偏移量制動的低頻差動保護動作特性Fig.5 Low frequency differential protection action characteristic based on frequency offset braking

4 結論

本文探討了當前300MW級抽水蓄能機組保護方面存在的幾個問題，為優化繼電保護方案，提高保護性能，建議對以下幾個方面給予關注：

（1）發電電動機差動保護和主變壓器差動保護配置方案不統一，建議采用機端交叉方式，在不降低保護性能的情況下可以簡化差動保護配置、減少電流互感器數量。

（2）機組啟動過程中主變壓器差動保護存在死區，并網前差流計算時建議不計入發電電動機機端電流，而非閉鎖差動保護，從而提高主保護性能。

（3）三次諧波比率定子接地保護在300MW抽水蓄能機組保護上應用遇到新的問題，建議采用多段定值和工況閉鎖（或投入）控制字相結合的辦法提高保護靈敏度。

（4）100%注入式定子接地保護由于受被拖動開關三相動作的不一致影響，其延時定值應可靠躲過非全相運行時間，建議整定在0.3s以上。

（5）300MW級抽水蓄能機組啟動頻繁，啟動過程保護相比常規水電要重要得多，建議增設低頻下的快速差動保護、橫差保護、定子接地保護等，加強低頻主保護的性能水平。

（6）水泵啟動初始階段頻率在10Hz以下時差動保護難以正常工作，采用頻率偏移量制動方法，頻率極低時可靠防止誤動，同時不影響10Hz以上時的保護靈敏度。

以上方案已在安徽響水澗抽水蓄能電站、福建仙游抽水蓄能電站、廣州蓄能水電廠等近20臺機組上應用，運行情況良好，可靠保障了大型抽水蓄能機組的安全運行。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發電技術.機械工業出版社，2000.MEI ZuYan.Pumped storage power generation technology.China Machine Press，2000.

[2]崔繼純.抽水蓄能電站規劃及可持續發展研究[J].水電能源科學，2008，26（3），80-83.CUI Jichun.Study of planning and sustainable development of pumped storage power station[J].Water Resources and Power，2008，26（3），80-83.

[3]王楠.我國抽水蓄能電站發展現狀與前景分析[J].電力技術經濟，2008，20（2），18-20.WANG Nan.Current situation and prospects of the pumpedstorage power plant in china[J].Electric Power Technologic Economics，2008，20（2），18-20.

[4]殷建剛，彭豐，楊學鋒.抽水蓄能電廠機組保護的特點與配置[J].湖北電力，2002，26（4），69-72.YIN JianGang，PENG Feng，YANG Xuefeng.The characteristic and configuration of reservoir power plant generator set protection[J].Hubei Electric Power，2002，26（4），69-72.

[5]周才全，李歌浩.天荒坪抽水蓄能電站繼電保護設計[J].水力發電，2001，1（6），57-59.ZHOU CaiQuan，LI GeHao.Design of the protective-relay device of Tianhuangping pumped-storage power plant[J].Water Power，2001，1（6），57-59.

[6]康文山，倪維忠.引進GE發變組保護在自山抽水蓄能電站機組的應用[J].水利水電技術，2008，39（6），31-33.KANG WenShan，NI WeiZhong.Application of GE generator transformer unit protection in BaiShan pumped storage power station[J].Water Conservancy and Hydropower Technology，2008，39（6），31-33.

[7]張琦雪，陳佳勝，陳俊，嚴偉，沈全榮.大型發電機注入式定子接地保護判據的改進[J].電力系統自動化，2008，32（3），66-69.ZHANG QiXue，CHEN JiaSheng，CHEN Jun，YAN Wei，SHEN QuanRong.Improvement on the criterion of injection stator grounding protection for large generator[J].Automation of Electric Power Systems，2008，32（3），66-69.

[8]戴篤恒，張樂榮.韶關發電廠8號發變組非全相運行的分析和處理方法探討.廣東電力，1989，2（4），13-21.DAI DuHeng，ZHANG LeRong.Analysis and Discussion on the incomplete phase operation of the #8 generator unit in Shaoguan power plant[J].Guangdong Electric Power，1989，2（4），13-21.

[9]侯艷.大機組非全相運行對機組和系統安全運行分析.湖北電力，2007，31（4），22-24.HOU Ye.Analysis of the safe operation of the large unit and the power system with the incomplete phase operation.Hubei Electric Power，2007，31（4），22-24.

[10]羅胤.寶泉抽水蓄能電站的特殊設備和特殊保護[J].水力發電，2008，34（10），75-77.LUO Yin.Special Equipment and Special Protection of Baoquan Pumped storage Power Station[J].Water Power，2008，34（10），75-77.

[11]高蘇杰.抽水蓄能的責任[J].水電與抽水蓄能.2015，1（1）：1-7.

王 光（1980—），男，高級工程師，主要研究方向：電氣主設備微機保護的研究、開發和管理。

陳 俊（1978—），男，高級工程師，主要研究方向：電氣主設備微機保護的研究、開發和管理。

姬生飛（1983—），男，工程師，主要研究方向：繼電保護設備設計。

王 凱（1983—），男，工程師，主要研究方向：電氣主設備微機保護的研究、開發。

季遙遙（1984—），男，工程師，主要研究方向：電氣主設備微機保護的研究、開發。

Optimization Research on Relay Protection Principle of 300MW Pumped Storage Unit

WANG Guang，CHEN Jun，JI Shengfei，WANG Kai，JI Yaoyao
（Nanjing NR ELECTRIC Co.，Ltd.Nanjing 211102，China）

Aiming at the problems existing in the relay protection of the 300MW pumped storage units in the past，this paper analyzes the application problems and puts forward the protection principles optimization of the differential protection of the generator-motor and the main transformer，third harmonic voltage ratio stator ground protection，injected stator ground protection，pump starting process protection.The above protection principles have obtained the good application effect in the nearly 20 pumped storage units.

relay protection of pumped storage unit;differential protection of generator-motor; differential protection of main transformer; three harmonic voltage ratio stator ground protection; injected stator ground protection; pump starting process protection