清遠抽水蓄能電站機變保護閉鎖邏輯設計

易成功

（清遠蓄能發電有限公司，廣東 清遠511853）

0 引言

抽水蓄能電站具有調峰填谷、調頻、調相、緊急備用等多種功能。與常規機組相比，抽水蓄能機組啟停頻繁，工況多。抽水蓄能機組典型工況見圖1，圖中各方框表示穩態工況，各箭頭表示各穩態工況間轉換過程中的暫態工況。由于發電機出口母線上的開關刀閘設備分合閘狀態會隨工況發生改變，發電機電氣量的相序、頻率、幅值和方向隨工況發生改變，不同工況對保護的影響不同，某些保護在某些工況下會誤動。為了適應抽水蓄能機組各種運行工況，機組或主變保護中的某些保護需要在某些工況下閉鎖。保護閉鎖邏輯是抽水蓄能電站機變保護區別于常規電站機變保護最主要的特征，是抽水蓄能電站機變保護設計中要考慮的主要問題。不同抽水蓄能電站保護邏輯設計不盡相同，有必要尋求一個簡單有效的設計方案。

圖1 抽水蓄能機組典型工況

1 抽水蓄能機組工況特點及對保護的影響

1.1 發電機出口母線上的開關刀閘設備分合閘狀態對保護的影響

1.1.1 各工況下開關刀閘分合閘狀態變化情況

抽水蓄能機組典型接線見圖2，各開關刀閘的在各種工況下的狀態見表1。

圖2 抽水蓄能機組典型單線圖

電網的相序是固定的，發電機在發電時和抽水時相序不同，發電機相序需要轉成與電網相同的相序后才能與電網進行連接，所以需要裝設換相刀。

為加快停機過程，抽水蓄能機組設置了電氣制動開關。轉子在停機過程中降至約50%轉速時合電氣制動開關將機端三相短路，利用定子電阻發熱消耗轉子動能。為增強制動效果，機組啟動調試時，會調節電氣制動過程中定子電流接近額定電流。

抽水蓄能機組抽水方向啟動采用同步啟動，被拖動機組在變頻電源的作用下逐漸達到并網轉速，變頻電源采用靜止變頻器或者另一臺作發電運行的機組。為建立變頻電源與被拖動機組的電氣連接，裝設了拖動刀和被拖動刀。為減小變頻電源功率，拖動前向被拖動機轉輪室注入高壓空氣，使整個拖動過程中轉輪在空氣中旋轉。清遠抽水蓄能電站（以下簡稱清蓄）單機容量為320MW的機組啟動過程中實測最大功率約20MW。

表1 各工況一次設備狀態

1.1.2 對保護的影響

發電機出口母線上的開關刀閘設備分合閘狀態改變主要影響差動保護，包括主變差動和發電機差動。差動保護范圍內所包含的開關刀閘不同，對保護的影響就不同。

差動保護范圍包含換相刀，如果差動保護不切換相別，就會用相異相別的電流計算差流，差動保護不能正常工作。發電機在發電或抽水運行中，換相刀在合閘狀態，此時必須要有差動保護保護換相刀，為使差動保護正常工作，一種最為經濟的解決方法是進行軟件換相，使差動保護隨著換相刀不同的合閘狀態切換差流計算所用相別。

差動范圍包含拖動刀和被拖動刀。用變頻電源啟動機組或將機組作為變頻電源時，啟動過程中的低頻電流會計入差流，啟動過程電流小，可以根據差流能否達到差動保護定值考慮差動保護是否采取閉鎖措施或是否將其計入差動保護計算的措施。

差動范圍包含電氣制動開關。因電氣制動時電流大，計入差流會使保護誤動作，必須采取閉鎖措施或不將其計入差動保護計算的措施。

1.2 電氣量相序改變對保護的影響

1.2.1 各工況相序情況

發電機軸系的旋轉方向取決于水輪機的需要，水輪機用于發電時和用于抽水時旋轉方向相反，兩種旋轉方向分別稱為發電方向和抽水方向，定子電氣量的相序取決于軸系上轉子的旋轉方向，所以在發電時定子電氣量的相序與在抽水時不同。

見圖1。在發電方向運行的工況有旋轉備用、發電、發電調相、發電方向停機電氣制動和拖動機。在抽水方向運行的工況有抽水調相、抽水方向停機電氣制動、被拖動機和靜止變頻器拖動。發電方向與抽水方向電氣制動時，雖然一次回路接線相同，但轉子旋轉方向不同，發電方向停機時與抽水方向停機時電氣制動過程中定子相序不同。

1.2.2 對保護的影響

相序改變后，所有用正序、負序電氣量計算的發電機保護要受相序改變的影響。

阻抗元件、功率方向元件、功率繼電器在0°接線方式不受相序改變影響，在30°接線方式、-30°接線方式、90°接線方式會受相序改變影響。

為消除相序改變的影響，可以在發電機保護裝置中設置軟件換相。

1.3 電氣量大小變化對保護的影響

正常運行工況下，大小發生變化的電氣量中，可能對保護造成影響的電氣量主要是低頻和低電壓。

1.3.1 各工況低頻低壓產生情況

背靠背啟動、靜止變頻器啟動、電氣制動過程中存在低頻、低壓情況。

1.3.2 對保護影響

低頻、低壓影響發電機保護裝置中欠量動作的頻率、電壓保護，為消除其影響，保護需要進行閉鎖。

1.4 電氣量方向改變對保護影響

正常運行工況下，發生方向變化的電氣量中，對保護可能造成影響的電氣量主要是有功功率。機組正常運行工況下，無功功率的大小在正常范圍內，無功功率方向變化不影響保護正常工作。

1.4.1 各工況功率變化情況

抽水、抽水調相或發電調相運行時有功功率的方向與發電方向相反。抽水調相或發電調相運行時，用高壓空氣壓水使轉輪在空氣中旋轉，使機組僅向電網吸收少量有功功率，這兩種工況發電機實際上工作在電動機狀態。抽水時，有功功率在額定功率周圍。

圖3 抽水蓄能機組P-Q功率圓圖

1.4.2 對保護的影響

有功功率方向的變化影響發電機保護裝置中采用功率作為判斷條件的保護，為消除其影響，保護需要進行閉鎖。

失磁保護在發電機吸收的無功過大時才會動作，發電和抽水時有功功率方向改變不影響失磁保護正常工作。

發電運行時發生失步與抽水運行時發生失步的區別是測量阻抗端點在復平面上變化的軌跡穿越失步保護遮擋器的方向不同，一般失步保護軟件算法設計時已考慮兩種情況，因此，有功功率方向的改變不影響失步保護正常工作。

2 保護閉鎖邏輯設計方案選定需考慮的因素

（1）保護原理。工作原理上需要保護發揮作用的工況中保護不能閉鎖。工作原理上不需要保護發揮作用，且一旦投入會發送誤動的工況中保護必須閉鎖。工作原理上不需要保護發揮作用，但如果投入保護，正常運行工況下不會使保護誤動，在異常或故障工況下，即便誤動作，也無重大影響的工況中保護可閉鎖也可不閉鎖。

對可閉鎖也可不閉鎖的工況，是否閉鎖保護，是不同抽水蓄能電站的閉鎖邏輯設計存在差異的主要原因。為了簡化保護閉鎖邏輯、減小誤閉鎖可能性，對可閉鎖也可不閉鎖保護的工況，可采用以下設計原則：如果沒有必須閉鎖保護的工況，選擇不閉鎖保護方式為宜；如果有必須閉鎖保護的工況，選擇閉鎖保護方式為宜，僅開放必須投入的工況。

（2）保護裝置算法、實現方式。對保護閉鎖的影響需要通過靜態調試模擬試驗與動態調試確認。

（3）定值。定值大小可以影響閉鎖邏輯實現方案的選擇，但應避免為了不閉鎖保護，采用放寬定值的方法。

（4）CT配置方案。不同的CT配置方案會使差動保護閉鎖邏輯不同。

3 清蓄保護閉鎖邏輯的實現

3.1 主變保護

主變保護除主變差動外，其他保護不需設計閉鎖邏輯。清蓄主變差動與發電機差動（不完全縱差）所用CT配置圖見圖4。

圖4 清蓄主變差動與發電機差動所用CT配置圖

清蓄主變差動保護的保護范圍是動態變化的，通過改變發電機出口電流計入差動保護計算的方式改變保護范圍和適應換相刀不同合閘狀態。具體實現方法是，機端CT接入兩路模擬量輸入，A相（B相、C相）接入主變差動第一路模擬量輸入（圖4中M2輸入點）的A相（B相、C相）后，再接入第二路模擬量輸入（圖4中M5輸入點）的C相（B相、A相）。機組未并網狀態下，換相刀分或出口開關分，兩路模擬量輸入都不進入主變差動的算法中計算；機組發電方向并網運行狀態下，換相刀發電方向合且出口開關合，第一路模擬量輸入兩路模擬量都不進入主變差動的算法中計算；機組抽水方向并網運行狀態下，換相刀抽水方向合且出口開關合，第二路模擬量輸入進入主變差動的算法中計算。

3.2 發電機保護

3.2.1 相序切換

發電機保護裝置有軟件換相的功能，有發電方向和抽水方向兩個狀態，清蓄設計了圖5的邏輯進行換相。當邏輯輸出“1”時，切換到抽水方向；當邏輯輸出“0”時，切換到發電方向。軟件換相后，采用正序、負序電氣量計算的保護不受相序改變的影響。

圖5 清蓄相序切換邏輯

3.2.2 不需閉鎖的保護

清蓄發電機差動（不完全縱差）保護范圍沒有包含發電機母線上的任何開關刀閘，不受運行工況的影響，可以全工況投入，不需閉鎖。發電機保護裝置中其他不需閉鎖的保護還有裂相橫差、單元件橫差、低壓記憶過流、95%定子接地、負序電流、失磁、失步、定子過負荷、轉子過負荷、過電壓、過激磁、高頻、轉子一點接地。上述保護在機組各種正常運行工況下不會誤動，在出現大于正常運行工況電氣量時，或在一次設備發生故障時，才會動作，所以不需閉鎖。

3.2.3 需要閉鎖的保護

清蓄保護閉鎖邏輯見圖6，圖6中各字母符號表示的工況見圖1，“-＞”符號表示工況轉換，工況信號（包括工況和工況轉換）由機組順控流程通過通信發給保護裝置，機組順控流程中已經保證在同一時刻有且僅有一個工況信號置“1”。

圖6 清蓄保護閉鎖邏輯

（1）低電壓保護：當機組作電動機運行時如果機組突然失去電源，為防止電源恢復時，機組異步啟動損傷發電機，設置低電壓保護，將機組解列。作為反應欠量動作的保護，在背靠背或靜止變頻器啟動過程中的電壓會導致保護誤動，必須閉鎖。

（2）低頻保護：防止機組在系統頻率低情況下，還作為電動機運行吸收有功。閉鎖邏輯同低電壓保護。

（3）電壓相序保護：防止轉子旋轉方向與監控系統目標方向及換相刀設定方向不同，并網后產生短路故障量級的大電流損壞設備。轉子旋轉方向在并網前后不會發生變化，在并網前檢測相序正確即可確保并網后相序正確。

（4）低功率保護：作為抽水運行時防止機組失去電源的保護。

（5）逆功率保護：機組在發電機運行時，防止誤關閉導葉后，轉輪在異常工況下長時運行損傷轉輪。關閉導葉后，由發出有功轉為吸收有功，功率方向發生了改變。

（6）低頻過流保護：用于背靠背啟動、靜止變頻器啟動過程中，為補充保護發電機差動由于頻率低退出運行而失去保護的頻率段。

（7）出口開關失靈保護：背靠背的拖動機，發電機出口開關合上，換相刀分閘，發電機與主變間已經斷開連接，如果失靈保護動作跳開主變會擴大動作范圍。用換相刀每極的分閘位置接點串聯閉鎖失靈保護，防止背靠背拖動機工況下失靈誤動作。

（8）20Hz注入式定子接地保護：清蓄試驗結果表明當機組頻率在20Hz左右時，保護會誤動。

4 結束語

清蓄保護設計時，首先確定了發電機差動與主變差動的保護范圍，然后逐一考察各個保護受各種運行工況的影響情況。清蓄保護閉鎖邏輯實現方案簡單可靠，減少誤閉鎖保護可能性。清蓄機變保護閉鎖邏輯在各種工況流程下運行正常。希望清蓄的經驗可以為新蓄能電站的建設和蓄能機組保護的改造提供有益參考。

參考文獻：

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