大型抽水蓄能發電電動機變壓器組繼電保護設計

鄭波

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

大型抽水蓄能發電電動機變壓器組繼電保護設計

鄭波

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

基于抽水蓄能機組的結構，通過研究機組運行特性，形成大型抽水蓄能發電電動機變壓器組繼電保護設計的一般原則和典型策略。通過分析進口保護裝置的設計不足，提出適合國產化機組的保護設計方案。

抽水蓄能;繼電保護;策略

1 引言

近年來，我國抽水蓄能電站的建設步伐呈現加快趨勢，核準開工數量和規模都達到了歷史新高，加快抽水蓄能電站的開發建設是今后我國電力發展的重點方向之一。隨著大型抽水蓄能機組國產化的逐步實現，繼電保護系統的國產化也日益成熟。抽水蓄能機組啟停頻繁，運行工況多，繼電保護的配置比常規水電機組更復雜，對抽水蓄能機組的繼電保護配置進行深入研究，形成具有普遍指導意義的設計思路和方案，對提高我國抽水蓄能機組繼電保護的設計能力和生產效率等具有重大意義。

2 保護配置方案

目前，國內已建/在建抽水蓄能機組主接線主要形式為發變組單元接線，發電電動機出口設置斷路器，換相隔離開關設在主變低壓側。本文以此為例，通過分析抽水蓄能機組的運行特性和保護設計的一般原則，提出大型抽水蓄能發電電動機變壓器組繼電保護的配置方案。

2.1 發電電動機保護配置（表1）

2.2 主變壓器保護配置（表2）

3 差動保護的優化

3.1 提高差動保護的可靠性

發電電動機和主變壓器的每組差動保護均含一個小差動和一個大差動，可有效消除發電電動機和主變壓器保護的死區（圖1）。這種方案筆者所在單位已申請發明專利，專利號ZL2009 1 0258393,5。

對發電電動機和主變壓器而言，小差動均可全工況投入。因大差動包含起動母線和被起動母線，在同步拖動、被拖動過程中，要區別分析。

在同步拖動、被拖動過程中，大差動87G’-A、87G’-B在發電電動機外側的電流互感器并無電流通過，因此閉鎖并無風險。機組可通過低頻過流來保護。以往進口保護裝置采用抬高定值的辦法開放該保護功能，其實沒有必要。

在同步拖動、被拖動過程中，大差動87T’-A、87T’-B在發電電動機側的電流互感器流過的并非主變電流，會影響主變差動的動作行為，因此應閉鎖低壓側電流，但大差動仍可投入。以往進口保護裝置直接閉鎖該保護功能，降低了保護的可靠性。

圖1 發電電動機-主變壓器差動保護配置典型方案

表1 發電電動機保護配置表

3.2 提高勵磁變保護的靈敏度

勵磁變的阻抗相對較大，勵磁變壓器低壓側發生短路時，折算到高壓側短路電流非常小。當速斷保護無法完整反映整個低壓側繞組的短路故障時，為了提高靈敏度，可以配勵磁變差動保護。勵磁變差動保護可提高內部故障檢測靈敏度，對于低壓側故障，其靈敏度遠高于電流速斷保護。但是，勵磁變壓器兩側電流波形諧波含量較高，對差動保護的整定、算法需要特別對待。

表2 主變壓器保護配置表

4 保護閉鎖邏輯的改進

國內抽水蓄能電站建設早期，保護裝置隨主機設備進口。國外進口的保護裝置普遍采用導葉全開和全關位置作為逆功率保護和低功率保護投退的判據，實則不妥。

4.1 逆功率保護

發電→發電調相：導葉位置從全開到逐漸關閉的過程中，在空載開度以下時，機組實際上已經要開始吸收一定的有功，隨著開度的減小，吸收功率增加直至超過逆功率定值。若選用導葉全關位置作為逆功率保護退出的判據，可能會造成逆功率保護的誤動。所以逆功率保護的延時還必須可靠躲過這個過程，但延時可能較長。若由機組順控流程適時給出閉鎖令，便不需等到導葉全部關閉，只要到了空載開度時即可閉鎖。

發電調相→發電：工況轉換至發電穩態后即可由順控流程發令開放保護功能。若采用導葉全開位置作為保護恢復的判據，相當于延后了保護功能的投入，對機組是不利的。

4.2 低功率保護

水泵→水泵調相：導葉關到抽水工況初始開度以后應閉鎖低功率保護，而非等到導葉全關位置。對于工況轉換等過渡過程，考慮到機組本身不在穩態，應盡早閉鎖相關保護，這個時候由順控流程提供閉鎖點較為合適。

水泵調相→水泵：導葉開至抽水工況初始開度即可由順控流程發令開放保護功能，用導葉全開位置作為保護恢復的判據也是不合適的。

5 保護功能和勵磁調節功能有機配合

根據中國電力科學研究院《華東直調機組網源協調重要參數核查報告》，發現存在大量發電機組轉子過負荷綜合能力、定子過負荷綜合能力不能滿足相關國家標準和行業標準的要求，保護定值與勵磁系統沒有合理匹配。保護定值過小，保護先于勵磁限制器動作而動作，嚴重束縛了發電機的過負荷能力，這些問題不僅直接危及發電機組的安全運行，也威脅電網的安全穩定運行。

發電電動機、變壓器保護應和勵磁系統各限制環節匹配。首先，勵磁限制環節應滿足發電電動機許可的最大工作范圍，在發電電動機、變壓器保護動作之前發揮作用。勵磁系統過勵磁限制環節應與發電電動機或變壓器的過激磁保護定值相配合。勵磁系統定子過壓限制環節應與發電電動機過壓保護定值相配合。勵磁系統的過勵限制環節的特性應與發電電動機轉子的過負荷能力相一致，并與發電電動機保護中轉子過負荷保護定值相配合。

6 保護設計的其他問題

6.1 電流互感器斷線

《繼電保護和安全自動裝置技術規程GB/T14285-2006》4.1.11提出，保護裝置在電流互感器二次回路不正常或斷線時，應發告警信號，除母線保護外，允許跳閘。《抽水蓄能發電電動機變壓器組繼電保護配置導則GB/T32898-2016》5.2.1.3 a)提出，電流互感器二次回路斷線時不應閉鎖差動保護。后者要求電流互感器二次回路斷線不閉鎖差動保護，有利于機組的安全，防止發生其他意外，值得提倡。

6.2 軟件換相

抽水蓄能機組的工況轉化，會帶來相序的變化，為電流、電壓采集帶來困擾。數字式繼電保護裝置通過軟件已輕松解決此問題。無需切換電流互感器二次回路或者在換相隔離開關處增加電流互感器。

值得一提的是，抽水蓄能電站同期檢測回路仍然普遍采用繼電器回路切換的方式保證電壓采集的正確性。

7 結語

本文是在歸納、總結國內已經投產或即將投產的抽水蓄能機組的設計、運行經驗的基礎上，力求提煉出大型抽水蓄能發電電動機變壓器組保護設計的通用性原則和策略，力求使得出的結論科學、嚴密、適用性廣，以期為后續電站的設計提供有效建議。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發電技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]張春生，姜忠見.抽水蓄能電站設計[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3]GB/T32898-2016抽水蓄能發電電動機變壓器組繼電保護配置導則[S]．

[4]NB/T35010-2013水力發電廠繼電保護設計規范[S]．

[5]盧勇，賀儒飛.抽水蓄能機組保護及其控制的一些特殊問題的分析[J].電氣與自動化，2014,11:39-41.

TV743

A

1672-5387（2017）08-0026-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.008

2017-06-02

鄭 波（1980-），男，高級工程師，從事水電站電氣二次專業設計與管理工作。