水電廠發變組保護雙重化改造應用方案研究

魏 丹，余洪斌

（三峽水力發電廠電氣維修部，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某電站單機容量777.8MVA，最大出力840MVA。發電機、變壓器為發—變單元接線，每2個發—變單元在主變壓器高壓側并聯后接入500 kV系統。圖1為發—變單元接線圖。圖中左側的發變組為帶廠變的機組，右側為不帶廠變的機組。在建廠之初采用的是發變組保護部分雙重化配置，與其相連接的配套設備、外回路等均是根據當時部分雙重化配置的要求設計安裝的，這就存在著不能滿足雙重化配置要求的問題。因此，除了需要對保護配置進行研究外，還需要對與保護裝置相關聯的配套設備、外回路等進行分析和研究，進行合理的優化改進，以滿足雙重化配置的要求。

圖1 發—變單元接線圖

1 保護功能配置的分析

對發電機變壓器組可能發生的故障和異常類型進行分析后，將故障和異常類型總結為以下幾種：定子繞組相間、匝間和接地短路，定子繞組過電壓，定子繞組過負荷，定子鐵心過勵磁，轉子表面過負荷，勵磁繞組過負荷，勵磁回路接地，勵磁回路失壓，發電機逆功率，發電機頻率異常，主變、廠變、勵磁變各繞組的相間、匝間和接地短路，主變、廠變、勵磁過負荷，主變鐵心過勵磁，各引出線的相間和接地短路，發變組系統失步，斷路器閃絡、誤上電、非全相和失靈、發變組啟停機短路故障，發變組系統低電壓，其他故障和異常運行。

（1）發電機定子短路保護配置

完全縱差動保護對相間短路有明顯的優勢，而裂相橫差保護和單元件橫差保護在各種匝間短路情況下均有較高的靈敏度，不完全縱差則是對相間、匝間短路及分支開焊均起作用。將這4種類型的保護進行配合，能對發電機定子繞組內部一切故障（相間短路、匝間短路、分支開焊）起到很好地保護作用。

另外，還應設置以檢測發電機機端電壓、發電機機端電流、中性點分支電流的發電機過負荷保護、復壓過流保護、負序過流保護和發電機相間低阻抗保護作為后備保護。

（2）發電機定子單相接地保護配置

目前定子接地保護有3種類型：90%基波零序定子接地保護、三次諧波電壓型定子接地保護、外加電源型定子繞組單相接地保護。基波零序電壓型保護方案具有原理簡單，簡便易行等特點，但其在中性點附近存在5%～10%的保護死區，并且隨著定子繞組對地電容的增大和不對稱度的增加，保護的靈敏度降低，死區擴大。二者結合起來可構成100%定子接地保護。而外加交流電源式定子接地保護能單獨完成定子繞組的100%保護，并能在發電機處于停止狀態及啟、停狀態下提供保護。將3種原理的保護配合起來使用，能達到較好的效果。

（3）發電機勵磁回路接地保護配置

發電機轉子接地保護有兩種：乒乓式轉子接地保護和注入式轉子接地保護。乒乓式轉子接地保護通過求解兩個不同的接地回路方程，實時計算轉子接地電阻值和接地位置。注入式轉子接地保護在保護裝置內裝有外加注入式電源，通過測量該頻率的電壓和電流，計算出轉子的對地電阻。采用一套注入式轉子接地保護裝置和一套乒乓式轉子接地保護裝置進行不同原理的雙重化配置較為合適。

在實際運行中，由于乒乓式轉子接地保護裝置的測算原理，會因為不同的回路產生不同的阻值，從而對測量結果產生影響。故機組正常運行時應只投入一套轉子接地保護正常運行，另外一套退出運行。

（4）發電機異常運行保護配置

為了對發電機處于各種異常運行狀態進行有效的保護，應配置發電機失磁保護、發電機失步保護、發電機逆功率保護、發電機頻率異常保護、發電機過激磁保護（定、反時限）、發電機過電壓保護、發電機低電壓保護、發電機對稱過負荷保護（定、反時限）、發電機不對稱過負荷保護（定、反時限）、發電機勵磁回路過負荷保護（定、反時限）、發電機誤上電保護、發電機啟停機保護、發電機軸電流保護、發電機TA、TV斷線判別。

（5）主變壓器保護配置

變壓器的差動保護是通過對發電機機端電流及主變高壓側電流計算比較進行保護的。它主要用來保護雙繞組或三繞組變壓器繞組內部及其引出線上發生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護變壓器單相匝間短路故障，可作為主變壓器的主保護配置。

為了對主變壓器處于各種異常運行狀態進行有效的保護，應配置主變隔離開關缺相保護、主變非全相保護、斷路器閃絡保護、斷路器失靈保護、主變壓器TA、TV斷線判別。

另外，為了對變壓器內部發生的各種故障進行有效的保護，還應配置多種非電量保護：主變瓦斯保護、主變壓力釋放保護、主變繞組過溫保護、主變油溫高保護、主變繞組溫高保護、主變油位異常保護、中性點壓力釋放保護、中性點小電抗瓦斯保護、中性點電抗器油位低保護、中性點小電抗溫升高保護、廠變溫升保護。

（6）廠變保護配置

廠變差動保護是通過對廠用變壓器高低壓側電流計算比較進行保護的。它主要用來保護變壓器繞組內部及其引出線上發生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護變壓器單相匝間短路故障，可作為廠用變壓器的主保護配置。

（7）勵磁變保護配置

同廠變保護相同，勵磁變壓器保護同樣采用的是差動保護作為主保護配置。同時，還應配置以測量轉子側電流提供保護的勵磁變過流和勵磁變過負荷作為后備保護。另外，還應配置勵磁變溫升和勵磁系統故障兩種非電量保護。

2 雙重化保護配置研究

隨著計算機軟、硬件技術的進步，主、后備一體化保護裝置應用廣泛。這種一體化裝置雖然二次回路簡單，但是可能存在其硬件冗余度不夠的問題。容錯式設計就是增加硬件冗余度的一種設計方式，它能有效地避免因為硬件發生故障而造成的裝置誤動。下面以南瑞公司設計制造的RCS-985裝置為例，介紹雙CPU容錯式配置的設計思路。圖2為RCS-985裝置硬件系統的雙CPU容錯式配置。

圖2 雙CPU容錯式配置設計

圖2中，CPU1和CPU2彼此完全相同，且具有完整的相互獨立的低通、AD采樣、保護計算、邏輯輸出系統。CPU1系統作用于跳閘矩陣，CPU2系統作用于啟動繼電器。這兩個CPU啟動元件完全相同，具備啟動一致性。任一CPU啟動，保護不會出口。只有當CPU1和CPU2的啟動元件同時啟動，保護才出口。任一CPU故障，裝置會立刻閉鎖并報警。

雙重化保護配置的目的在于防止保護裝置拒動而導致系統事故，同時又可大大減少由于保護裝置異常、檢修等原因造成一次設備停運[13]。在對發變組各種故障進行分析后，通過對各保護原理的分析比較及故障仿真，可以得出最適合的保護功能配置。一般這種最合適的保護功能配置方案只會有一種。結合現在的微機保護裝置保護功能實現方式是各種保護功能通過軟件編程在一個裝置中實現的特點，發變組保護雙重化配置的兩套保護選型應一致，每套保護都獨立且完整，都能反映所有的故障和異常。若采用不同廠家不同原理配置，存在因為不同廠家的裝置盤柜布局、端子排接線、裝置操作、定值整定等方面的不同，而易發生運行維護人員因人為原因造成的裝置誤動的問題。采用完全相同的兩套保護裝置，由于其原理、配置、接線一致，便于維護檢修，從而能有效減少此類事故的發生。

與兩套保護裝置分別相連的電源回路、電流電壓回路、信號回路、出口回路等均應相互獨立，這樣在故障發生時，兩套保護裝置才能獨立判斷并作出反應，從而提高了保護的橫向靈敏度，有效避免拒動的發生。

非電量保護的配置是非常有必要的，它在電量保護不能準確反應或靈敏度不夠時可以準確判斷油箱內部的故障。但是由于非電量保護的正確動作率不高，并且由于其設備在戶外，容易因環境因素發生誤動，因此應配置單套。

3 雙重化保護改造交流回路設計研究

雙重化保護配置為了保證兩套保護的完全獨立，要求這兩套保護裝置的交流電壓分別取自電壓互感器互相獨立的兩個繞組，交流電流分別取自電流互感器互相獨立的兩個繞組。根據改造后保護的配置情況，基于原有CT的選型，對CT、PT的數量及用途做了重新的統計分析，在CT方面：

原保護1盤與保護2盤的交流電流分別取自不同的繞組，已經完全分開，沒有交集。但是兩個盤的交流電流采集在種類和數量上存在差異。

（1）原來對發電機中性點連線電流互感器的變比選擇為500/1，改造后發電機中性點連線電流互感器的變比設計要求為1500/1。

（2）原來對勵磁變低壓側電流互感器的變比選擇為6000/1，改造后勵磁變低壓側電流互感器的變比設計要求為5000/1。

（3）與改造后的保護配置相比，原PR1盤因為沒有配置發電子中性點不平衡保護，所以缺少對發電機中性點連線電流的采集。

（4）與改造后的保護配置相比，原PR1盤因為沒有配置勵磁變差動保護，所以缺少對勵磁變低壓側電流的采集。

（5）與改造后的保護配置相比，帶廠變的機組原PR1盤因為沒有配置廠變差動保護，所以缺少對廠變低壓側電流的采集。

（6）原PR1盤、PR2盤勵磁變高壓側電流的采集均取自于一個電流互感器。

根據以上情況，對原有發電機中性點連線電流互感器、勵磁變低壓側電流互感器、廠變低壓側電流互感器的配置情況進行分析，發現存在以下問題：

（1）發電機中性點連線電流互感器只有1個，并且為單繞組電流互感器，不能滿足雙重化保護配置的需求。其變比為500/1，不滿足發電機中性點連線電流互感器變比為1500/1的要求。

（2）勵磁變低壓側電流互感器只有1個，有2個繞組，精度為0.5/5P。其中精度為5P的繞組已經被保護所用；另一個精度為0.5的為備用繞組，由于它是測量繞組，不能為保護所用，所以勵磁變低壓側電流互感器不能滿足雙重化保護配置的需求。其變比為6000/1，不滿足勵磁變低壓側電流互感器比為5000/1的要求。

（3）廠變低壓側電流互感器只有1個，有2個繞組，精度為0.5/5P。其中精度為5P的繞組已經被保護所用；另一個精度為0.5的為備用繞組，由于它是測量繞組，不能為保護所用，所以廠變低壓側電流互感器不能滿足雙重化保護配置的需求。

（4）勵磁變高壓側CT只有1個，有2個繞組，精度為5P/5P，可以滿足雙重化保護配置的需求，但是沒有可供測量所用的繞組，所以依然存在問題。

在PT方面：原有發電機機端電壓互感器有3個，一個為Y/Y/△形接線，型號為0.2/3P，一個為Y/Y/△形接線，型號為3P/3P，一個為Y/Y/Y形接線，型號為3P/3P，可以滿足兩套保護對發電機機端電壓的采集要求。

針對只有1個繞組可供交流電流采集的問題，無論如何對交流電流回路進行設計都不可能設計出兩套完全獨立的交流電流回路。因此決定，對現有的電流互感器進行更換：

（1）將原有5P 500/1單繞組中性點連線電流互感器更換為5P/5P1500/1的雙繞組電流互感器。由于中性點連線電流互感器沒有測量要求，不需要額外的測量繞組，所以，保護用的雙繞組可以滿足需求。

（2）將原雙繞組勵磁變高壓側電流互感器直接更換為三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P，分別為兩套保護裝置所用，另外一個繞組0.2級為測量用。

（3）將原6000/1雙繞組勵磁變低壓側電流互感器直接更換為5000/1三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P，分別為兩套保護裝置所用，另外一個繞組0.2級為測量用。

（4）將原雙繞組廠變低壓側電流互感器直接更換為三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P，分別為兩套保護裝置所用，另外一個繞組0.2級為測量用。

4 雙重化保護改造信號回路設計研究

原發變組保護信號回路分為監控信號回路和錄波信號回路。根據統計，原發變組保護1盤和保護2盤的錄波信號均送至U*+PF盤，其中，保護1盤送至錄波的信號有35個，保護2盤送至錄波的信號27個，兩盤一共送62個。原發變組保護監控信號由發變組保護1盤和保護2盤分別送至監控系統的LCU*+PC1柜、LCU*+PC2柜。其中送至LCU*+PC1柜的監控信號有37個，送至LCU*+PC2柜的監控信號有33個，一共70個。

由于監控裝置的信號通道是一定的，且不能滿足保護雙重化后的監控信號數量要求，又沒有隨發變組保護改造一起進行更新的計劃。那么只能對發變組保護裝置送出的監控信號進行優化整合，找到合理的方案。

現在的微機保護裝置存儲容量大，可以存儲模擬量波形和多次的保護動作信息。因此，維護人員在監控系統發出信號時，能在保護裝置上查看到全部的事件信息。該電廠維護人員為了滿足對電廠24 h無間斷的維護，以確保隨時有問題隨時處理，采用的是8 h工作時間外輪流在電廠值班的方式。因此，在接運行人員電話后，維護人員能第一時間到現場查看。結合以上情況，對發變組保護發送至監控系統的信號采取以下方式設計優化：

（1）使用備用的信號點名做為補充。

（2）發電機保護配置中，發電機完全縱差、不完全縱差1、不完全縱差2、裂相橫差、橫差都是主保護，保護原理相似，保護對象有交集，動作時間皆為瞬時動作，所以將這些差動保護跳閘信號接點并接后使用一對接點送出，命名發電機差動保護跳閘。

（3）將保護原理相似保護對象有交集的后備保護跳閘信號接點并接后用一對接點送出，并將信號名稱定義全面。如定子過負荷、負序過負荷保護跳閘。

（4）將對異常運行狀態的保護跳閘信號接點并接后使用一對接點送出，并將點名定義全面。例如發電機失磁保護、發電機失步保護跳閘。

（5）因為TA斷線、TV斷線不跳閘，且與保護裝置異常一樣同屬于設備問題，所以與裝置報警信號接點并接后使用一對接點送出，命名為裝置告警。

（6）保護報警信號眾多，無法一一分配通道接入監控系統，并且保護報警并沒有像保護跳閘那樣造成嚴重的后果，所以將一臺裝置的保護功能告警信號整合后分別定義為保護告警I和保護告警II。但是因為發生報警時往往是發生事故的前兆，如果能提前將問題解決，或許就能避免一場事故，因此，要求維護人員在接到報警信號后，立即到現場查明具體的報警信息和報警原因，并給出恰當的處理辦法。

5 結論

（1）通過對水力發電廠發變組可能發生的故障和異常狀況進行分析，選擇出能夠對各種故障或異常狀況進行有效保護的保護配置組合，通過研究雙重化保護配置應遵循的原則，最終確定了適合大型水力發電廠的雙重化保護配置方案。

（2）通過對交流回路、信號回路改造前情況的分析，及改造后設計要求的研究，論證并設計出合適的改造方案使原回路通過修改及優化后滿足改造要求。