抽水蓄能電站繼電保護的幾個常見問題

姜樹德

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

1 主變壓器高壓側單相接地短路電流計算時，避免誤用疊加原理

抽水蓄能電站和大中型常規水電站的機組與主變壓器大都采用單元接線或單元聯合接線。在進行繼電保護整定時，需要分別計算高壓側三相短路和單相接地短路時，流經線路和機組及主變壓器的短路電流。現以圖1所示的單元接線為例，分析單相短路電流計算的常見問題。

有的工具書中[1]，在構建序網圖計算單相接地短路電流時，采用了圖2所示的錯誤等值電路。圖中，XS（1）、XS（2）和XS（0）分別是電力系統側的正序、負序和零序電抗，XG（1）、XG（2）和XG（0）分別是發電機側的正序、負序和零序電抗。

圖1 主接線圖Fig．1 Single line diagram

XG（1）=x″d+xt

XG（2）=x2+xt

XG（0）=xt0

式中x″d——發電機縱軸超瞬態電抗；

x2——發電機負序電抗；

xt——主變壓器正負序電抗；

xt0——主變壓器零序電抗。

圖2 的等值電路的前提是，電力系統側的短路電流只與電力系統到短路點的電抗有關，發電機側的短路電流只與發電機到短路點的電抗有關。這對于三相短路無疑是正確的，但對于單相短路，以上前提并不成立。圖2的等值電路可以還原成圖3 所示的主接線，而非圖1所示的主接線。錯誤發生的根本原因是，用于單相短路計算的等值電路，是根據以下邊界條件推演出來的：

圖2 計算單相短路電流的錯誤等值電路Fig．2 Incorrect equivalent circuit for calculation of single-phase short-circuit current

IB=0（A）

IC=0（A）

UA=0（V）

這些邊界條件對于短路有關的完整電路是成立的，對于割裂開的部分電路則是不成立的。對單相短路而言，圖3所示的兩部分電路計算結果的疊加不等于圖1所示電路的計算結果。

圖3 圖2的等值電路對應的主接線Fig．3 Single line diagram corresponding to the equivalent circuit of Fig．2

觀察圖4所示的三相主接線圖，可以直觀地得出結論：對單相短路而言，在計算電力系統提供的短路電流時，變壓器的影響是不可忽略的，盡管變壓器處在短路點與發電機之間。

圖4 三相主接線圖Fig．4 Three-phase single line diagram

正確的等值電路如圖5所示。只要在各序網絡化簡過程中，始終將所有支路作為整體來處理，就可以得到這一正確結果。

圖5 正確的等值電路Fig．5 Correct equivalent circuit

2 正確計算變壓器兩側的短路電流[2-4]

在校驗繼電保護整定值的靈敏度時，需計算最小短路電流。通常認為兩相短路電流是最小短路電流，其數值為三相短路電流的0.866倍，所以將三相短路電流乘以或0.866即為兩相短路電流。如果保護所在位置與短路點之間沒有變壓器阻隔，上述計算兩相短路電流方法無疑是正確的。但是，如果保護所在位置與短路點之間隔著變壓器，而且變壓器的接線組別是Dy類或Yd類，如圖6所示，那么這種方法就有可能帶來錯誤的結果。

圖6 繼電保護安裝處與短路點之間有變壓器隔離Fig．6 Transformer isolation between relay protection device location and fault point

圖7 接線組別為Dyn的變壓器在yn側發生三相短路時兩側的短路電流（a）電流分布；（b）電流相量Fig．7 Short circuit current when three-phase short-circuit occurs on the yn side of the Dyn transformer（a）Current distribution ；（b）Current phasors

圖8所示為上述變壓器在yn側發生兩相短路時的電流分布和電壓相量圖。yn側的兩相短路電流為，所以與yn側故障相（B相和C相）對應的D側兩相繞組的相電流為：

圖8 接線組別為Dyn的變壓器在yn側發生兩相短路時兩側的短路電流（a）電流分布；（b）電流相量Fig．8 Short circuit current when two-phase short-circuit occurs on the yn side of the Dyn transformer（a）Current distribution ；（b）Current phasors

從而，D側的三相線電流分別為：

IA=0.5（A）

IB=1.0（A）

IC=0.5（A）

這一組標幺值，實際上就是yn側發生兩相短路時的D側電流與yn側發生三相短路時的D側電流之比。不難看出，這組比值當中沒有出現或0.866。以上分析對Dy類的接線組別的變壓器照樣成立。

表1列出了常見接線組別的變壓器二次側發生短路時，變壓器兩側電流的分布情況。電流的分布與接線組別的類型有關，而與具體的接線組別無關。例如接線組別Dy1、Dy5與Dy11的變壓器在y側發生兩相短路與y側發生三相短路兩種情況下，D側三相線電流之比值，都是分別為0.5、0.5和1.0。

從表1中可以得出以下結論：

（1）Dyn類接線組別的變壓器，yn側發生短路時，使D側電流保護最不靈敏的故障種類是單相接地短路，而非兩相短路。

（2）在校驗過電流保護靈敏度時，應根據具體情況確定計算最小短路電流的方法，即使對兩相短路，0.866的系數也并非總是可用。

（3）對于Dy或Yd類接線組別的變壓器，應當三相都裝設過電流保護，廢止只裝設兩相過電流保護的做法。否則，未設置保護繼電器的一相有可能恰好是最靈敏的一相。

3 相鄰設備的差動保護重疊時避免出現死區

兩側有電源的相鄰設備（發電機與主變壓器、主變壓器與高壓母線、高壓母線與線路等）的差動保護必須有重疊部分，否則會造成主保護的死區。即使考慮了相鄰設備差動保護的重疊，若重疊部分偏在斷路器的一側，當短路發生在斷路器與電流互感器之間時，仍有可能形成差動保護死區。重疊部分的位置是由與差動保護相關的電流互感器的位置限定的，圖9列出了抽水蓄能機組與主變壓器的差動保護重疊的幾種方案。覆蓋斷路器的差動保護簡稱大差，不覆蓋斷路器的差動保護簡稱小差。大差的優點是有助于消除死區，小差的優點是不受換相影響。機組啟動過程中，只要頻率允許，機組小差即可投入。

方案（a）和（b），都是發電機大差和小差加主變壓器大差和小差，不同之處在于前者換相斷路器在發電機大差范圍，后者換相斷路器在主變壓器大差范圍。這兩種方案不存在差動死區，只要短路發生在發電機和主變壓器的差動保護范圍內，差動保護都能立即切除相關斷路器，斷開短路電流的電源。

表1 變壓器二次側發生短路時的兩側電流Tab.1 The currents on both sides when a short circuit occurs at the secondary side of the transformer

方案（c），發電機兩套小差加加主變壓器大差和小差，重疊區未覆蓋斷路器GCB。當GCB與電流互感器之間發生短路時，變壓器差動保護將會動作，跳開兩側斷路器。但發電機差動保護不會動作。短路電流將繼續存在，直到后備保護動作。

方案（d），發電機兩套大差加主變壓器大差和小差，保護重疊區覆蓋了斷路器GCB，不存在差動死區。

方案（e），差動保護用的電流互感器設置在換相斷路器內部在換相斷路器的分支上，隨著換相斷路器在不同工況時的切換，發電機和變壓器的差動保護自動獲得與工況相適應的正確相序，差動保護不需另外采取換相措施。但是，這一優點掩蓋了一個重要缺點：當短路發生在機組斷路器GCB與電流互感器之間時，發電機差動保護會動作，跳開GCB，并且立即滅磁、停機。但由于短路點不在變壓器差動保護范圍內，高壓側斷路器不會跳閘，電力系統將繼續通過主變壓器向短路點提供短路電流。

40年來，河南糧食生產取得了歷史性成就，為保障國家糧食安全作出了重要貢獻，農業機械化發揮著越來越重要的支撐作用。目前，河南省農機總動力發展超過1億千瓦，比1978年增長6.79倍，居全國第2位；擁有拖拉機363萬臺，居全國第1位，其中大中型拖拉機46萬臺，居全國第1位；100馬力—120馬力大型拖拉機已成為主要發展機型；聯合收獲機械達28.3萬臺，增長280倍，居全國第1位，大功率、大喂入量機械發展趨勢非常明顯。農機購置補貼資金從無到有，累計投入達151.7億元，拉動農民購機投入近400億元。

圖9 發電機和主變壓器差動保護的重疊方式（a）發電機大差小差加主變壓器大差小差換相斷路器在發電機大差范圍；（b）發電機大差小差加主變壓器大差小差換相斷路器在主變大差范圍；（c）發電機兩套小差加主變壓器大差小差；（d）發電機兩套大差加主變壓器大差小差；（e）發電機兩套大差加主變壓器兩套小差Fig．9 Overlaps of Differential Protections of Generator and Main Transformer

方案（a）、（b）和（d）都是很好的方案，方案（c）和（e）則應避免采用。

如前所述，主變壓器與高壓母線、高壓母線與線路的差動保護重疊區的位置也會帶來類似的問題：電流互感器位置不當時，如果短路發生在斷路器與電流互感器之間，只有一側設備的差動保護動作，另一側設備的差動保護不動作，短路電流繼續由一側電源供給。一般而言，用于相鄰設備的差動保護電流互感器，應盡量設在斷路器的兩側。如果無法做到，那么應當采取措施，補救死區帶來的不良后果。

4 合理配置機變單元接線的主變壓器相間短路后備保護

按照GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》的規定：“發電機變壓器組，在變壓器低壓側不另設相間短路后備保護，而利用裝于發電機中性點側的相間短路后備保護，作為高壓側外部、變壓器和分支線相間短路后備保護。”[5]如果照此執行，那么變壓器本體或高壓側外部發生短路時，發電機相間短路后備保護（復壓帶記憶過電流保護）的確會動作，但發電機保護的動作后果是跳發電機出口斷路器和滅磁停機，而不包括跳開變壓器高壓側斷路器，短路電流將會由電力系統繼續供給。

解決這個問題的方案之一是突破GB/T 14285—2006的規定，在主變壓器低壓側設置過電流保護，作為變壓器本體、高壓側外部的相間短路后備保護，如圖10（a）所示。這個過電流保護必須是方向過電流，方向指向變壓器。其動作后果是跳開變壓器兩側的斷路器，從而解決了上述問題。

水電站，尤其是抽水蓄能電站，經常出現的工況是：GCB斷開，主變壓器倒送廠用電。此時，發電機的復壓帶記憶過電流保護和變壓器低壓側的方向過電流保護對變壓器都起不到后備保護作用。這種情況下，電流取自變壓器高壓側、電壓取自低壓側的復壓過電流保護就起到了變壓器相間短路后備保護的作用。但是，這個保護在GCB合上、機組正常發電或抽水時，如果不退出運行，就需具備指向變壓器的方向性。否則就要與線路的后備保護配合，增加整定的困難。合理的做法是利用GCB的輔助觸點實現該保護的投退，只有當GCB斷開時才將該保護投入。GCB斷開后，該保護的方向性自然就得到了保障。

現在考察一下，如果取消主變壓器低壓側的方向過電流保護 [圖10（b）]，僅靠發電機的復壓過電流保護和主變高壓側的復壓過電流保護，能否實現所有情況下的相間短路后備保護：

圖10 發電機變壓器組的相間短路后備保護的兩個方案（a）主變壓器低壓側設方向過流保護；（b）主變壓器低壓側不設方向過流保護Fig．10 Two schemes for phase-to-phase short-circuit backup protection of generator-transformer unit

GCB合上，機組發電或抽水運行時，如果發電機及母線、主變壓器本體、高壓側外部甚至線路始端發生相間短路，發電機的復壓過電流保護都會啟動，作為后備保護跳開GCB并停機。如果相間短路發生在發電機及母線，那么短路就此切除，其余設備正常運行。如果相間短路發生在主變壓器本體或高壓側外部，那么跳開GCB后短路點并未切除，但是跳開GCB會使裝于高壓側的復壓過電流保護自動投入，作為主變壓器的后備保護去跳開高壓側斷路器，切除故障。

這樣看來，主變壓器低壓側的方向過電流保護并不是必須的，將其省去，不影響保護的整體功能。因少了一級時間配合，在整定計算時，還可以縮短動作時間。

5 合理配置高壓廠用變壓器和勵磁變壓器的主保護

按照能源行標NB/T 35010《水力發電廠繼電保護設計規范》的規定，高壓廠用變壓器和勵磁變壓器，容量大于6.3MVA時，應裝設縱聯差動保護，作為變壓器內部故障和引出線相間短路故障的主保護；容量小于6.3MVA時，應在電源側裝設電流速斷保護，作為變壓器繞組和高壓側引出線相間短路故障的主保護。[6]

大部分水電站，尤其是抽水蓄能電站，高壓廠用變壓器和勵磁變壓器的容量達不到6.3MVA，所以大部分水電站的高壓廠用變壓器和勵磁變壓器的主保護都采用電流速斷，這對于三相繞組共用油箱的油浸式的變壓器是合理的。但是，現在大型機組的出線均采用離相封閉母線，高壓廠用變壓器和勵磁變壓器多采用三個獨立的干式單相變壓器，高壓側經分支封閉母線從主母線引接。統計表明，即使大型電力變壓器，相間短路的概率也遠低于匝間短路的概率[3，7-8]，三個獨立的干式單相變壓器繞組和高壓側引出線相間短路故障的機會更是微乎其微。相對而言，匝間短路成為高壓廠用變壓器和勵磁變壓器主要的故障類型。

發生匝間短路時，短路繞組的電流明顯增大，但是保護安裝處的高壓側電流并沒有很大的變化。電流速斷保護是按躲開低壓側短路時高壓側的最大電流整定的，匝間短路時的高壓側電流遠達不到使電流速斷保護動作的靈敏度。

鑒于上述情況，合理的方案是采用差動保護作為變壓器繞組和高壓側引出線相間短路故障的主保護。研究表明，差動保護對變壓器繞組的各種匝間短路有很好的靈敏度[9]。采用差動保護并不違背NB/T 35010《水力發電廠繼電保護設計規范》的規定，該規定對于容量達不到6.3MVA高壓廠用變壓器和勵磁變壓器的主保護設置均有一句補充：“當電流速斷保護靈敏度不滿足要求時，也可裝設縱聯差動保護。”

6 結束語

抽水蓄能電站和常規水電站的繼電保護設計中，有些廣泛采用的習慣做法經不起認真地分析推敲。找出這些習慣做法的問題所在，采用更加合理的配置方案和計算方法，會使繼電保護為主設備安全運行起到更好的保障作用。

[1] 水電站機電設計手冊編寫組． 水電站機電設計手冊：電氣一次[M]． 北京：水利電力出版社，1984．Compiling Group of Design Manual for Hydropower Plant Electromechanical Systems． Primary Electrical Equipment，Design Manual for Electromechanical Systems of Hydropower Plants [M]．Beijing ：China Water & Power Press，1984．

[2] 水電站機電設計手冊編寫組． 水電站機電設計手冊：電氣二次 [M]． 北京 ：水利電力出版社，1984．Compiling Group of Design Manual for Hydropower Plant Electromechanical Systems． Secondary Electrical Equipment，Design Manual for Electromechanical Systems of Hydropower Plants [M]． Beijing ：China Water & Power Press，1984．

[3] IEEE Power Engineering Society． IEEE Guide for Protecting Power Transformers [J]． IEEE Std C37．91-2008．

[4] 高春如． 大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[M]． 北京：中國電力出版社，2010．GAO Chunru． Settings and Operation Technology of Protective Relays for Large Generators （Second Edition） [M]． Beijing：China Electric Power Press，2010．

[5] GB/T 14285—2006． 繼電保護和安全自動裝置技術規程 [S]． 北京：中國標準出版社出版 ，2006．GB/T 14285—2006． Technical Code for Relay Protection and Security Automatic Equipment [S]． Beijing ：China Standards Press，2006．

[6] NB/T 35010—2013． 水力發電廠繼電保護設計規范 [M]． 北京：中國電力出版社， 2013．NB/T 35010—2013，Design Code for Relay Protection of Hydropower Plant[M]． Beijing ：China Electric Power Press，2013．

[7] 沈曉凡，舒治淮，呂鵬飛，等． 2006年國家電網公司繼電保護裝置運行情況 [J]． 電網技術，2008，32（3）：18-21．SHEN Xiaofan，SHU Zhihuai，LV Pengfei，et al． Operation situation of protective relayings of State Grid Corporation of China in 2006[J]． Power System Technology，2008，32（3）：18-21．

[8] 沈曉凡，舒治淮，劉宇，等． 2008年國家電網公司繼電保護裝置運行情況 [J]． 電網技術，2010，34（3）：173-177．SHEN Xiaofan，SHU Zhihuai，LIU Yu，et al． Operation situation of protective relayings of State Grid Corporation of China in 2010[J]． Power System Technology，2010，34（3）：173-177．

[9] 王維儉，王祥珩，王贊基，等． 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．WANG Weijian，WANG Xiangheng，Wang Zanji，et al．Internal Fault Analysis and Relay Protection for Large Generator and Transformer[M]． Beijing ：China Electric Power Press，2006．