抽水蓄能電站繼電保護配置探索

侯桂欣 李珅 王軍

摘 要：抽水蓄能電站作為電網的調峰調頻電站，在消納新能源，平衡電網有功負荷和無功負荷方面舉足輕重。抽水蓄能機組不同于常規機組，其包括停機、發電調相、發電、抽水調相和抽水五種運行工況，尤其是抽水調相和抽水啟動時，又分為背靠背啟動和變頻器啟動兩種方式，停機時還存在電制動模式停機。由于其工況變換復雜、頻繁，其發電/電動機作為機組和變壓器的保護也隨之復雜、多樣，各保護之間的閉鎖情況也較常規機組保護復雜。本文針對抽水蓄能機組的特點及不同工況運行的狀況，詳細探索了發電/電動機作為機組和變壓器的保護（以下簡稱發變組保護）的配置內容及配置原則，以供初學者學習和參考。

關鍵詞：抽水蓄能電站;發變組保護;繼電保護;閉鎖

1 抽水蓄能電站

抽水蓄電站構成復雜，不同工況相互切換，且換相開關、啟動母線、SFC啟動設備等都集中在一次設備，科學設計繼電保護，才能適應復雜的主接線。除此之外，這個機組通常采用單元接線的方式，因此本文針對單元接線的抽水蓄能機組，對發電/電動機、變壓器等保護配置予以優化。

2 發電/電動機保護

抽水蓄能機組相對常規機組而言，其既可以作為順時針運行的發電機運行，也可以作為逆時針運行的電動機運行，還可以作為抽水工況背靠背啟動時，發電運行的主拖機運行。機組停機時，發電/電動機還要在電制動模式下運行。此外，發電機運行方式還可分為發電調相運行和正常發電運行，抽水運行方式也可分為抽水調相運行和抽水運行。特殊情況下，發電/電動機還具有“黑啟動”運行方式。這比常規發電機發電、停機的運行方式復雜、多變，因此其保護的配置和閉鎖也較復雜。

2.1 主保護

2.1.1 發電/電動機縱聯差動保護

當發電電動機內部定子繞組及其引出線相間短路故障時，可采用縱聯差動保護。縱聯差動保護采用比率制動差動原理。動作電流采用差動電流，制動電流引入外部短路電流?？梢员苊庥捎谕獠慷搪冯娏鞯脑龃蠖斐呻娏骰ジ衅黠柡鸵鸩黄胶怆娏鞯脑龃?。當電流回路斷線（CT斷線時）時應發出信號。

保護應在電動工況起動和電制動過程中退出，一般采用主斷路器閉鎖。保護瞬時動作于停機。

2.1.2 定子繞組匝間短路保護

當發電/電動機同相同分支和同相異分支發生短路故障時，可采用匝間短路保護。大型抽水蓄能機組定子繞組一般采用星形接線形式，每相均有并聯分支，故采用單繼電器橫差保護。這一過程中，諧波濾過器要對保護裝置進行三次接入，且諧波濾過比在100以上，才能夠對保護動作電流值進行有效控制。該背景下，還要確保其余多次諧波比在30以上，并采用專業方法整定，對瞬時動作進行保護。

2.1.3 定子繞組接地保護

將保護范圍作為判定依據，定子繞組接地保護有90%定子接地和100%定子接地之分，二者操作原理存在差異。分別選用的是基波零序電壓法和三次諧波比較法。保護動作與信號或停機。

2.1.4 負序過流保護

倘若發電電動機與過負荷不對稱，非全相運行及外部不對稱短路產生負序電流，誘發轉子表層過熱保護情況。操作過程中，可把負序過流保護劃分為定、反時限延時部分，兩者分別動作于信號和停機。

2.1.5 轉子一點接地保護

轉子一點接地保護利用高頻信號，計算轉子對地絕緣電阻，當絕緣電阻降低到保護定值以下時，保護啟動延時。轉子一點接地保護一般采用磁場斷路器或滅磁開關閉鎖，延時動作于信號。

2.1.6 失磁保護

失磁保護的對象是勵磁電流異常下降或者完全消失。該過程中，判定依據為發電機功角及勵磁電流。預防保護裝置誤動作的情況如下：外部短路、低勵磁運行、電壓回路斷線等。保護延時動作于停機。

2.2 后備保護

過電壓保護：這一背景下，保護對象是定子繞組異常過電壓及檢測單相過電壓。延時動作于跳閘。作為電動工況運行時，電源突然消失的保護，其還為低功率保護提供后盾。當機組并入系統時，為投入保護裝置的最佳時機。保護延時動作于停機。

3 主變壓器保護配置方式

3.1 主保護

3.1.1 縱差保護

它的保護對象為主變壓器內部及其引出線發生相間故障。其不僅能夠躲避勵磁涌流，也能夠對外部短路產生的不平衡電流進行躲避。它的實施原理是二次諧波比率制動差動，將帶有電流回路斷線閉鎖裝置和瞬時動作于跳主變各側斷路器并停機作為保護對象。

3.1.2 瓦斯保護

在變壓器瓦斯保護中，有輕、重瓦斯保護之分。二者分別動作于信號和跳閘。

3.2 后備保護

3.2.1 零序電流保護、零序電流電壓保護

中性點接地運行過程中的保護為兩段零序電流保護。倘若其處于不接地狀態時，可選擇反應零序電壓和間隙放電電流零序電壓保護。主變高壓側和線路單相接地故障的后備保護也可以采用這種方法。零序電流保護瞬時動作于跳開變壓囂各側斷路器，零序電壓保護延時跳開主變各側斷路器并停機。

3.2.2 復合電壓過流保護

復合電壓過流保護實施過程復雜，它的應用界面為主變壓器、220kV母線保護等。保護延時動作于跳主變各側斷路器并停機。

3.2.3 主變高壓側方向過電流

其主要服務對象為變壓器外部短路故障。這種情況多發生在系統倒送廠用電過程中。通常，當電動機處于運行狀態時，將保護切除，斷開發電機斷路器之后，自動投入。主變高壓側方向過電流，主要為跳主變高壓側斷路器、廠變高低壓側斷路器提供服務，并發送信號。

3.3 變壓器本體保護

當發電機定子繞組、變壓器繞組以及發電機和變壓器連接線發生故障時，比率制動式差動保護的原理，配置發電機-變壓器組差動保護。該保護動作于跳閘。

4 總結

本文將抽水蓄能電站發電/電動機、變壓器以及發電機-變壓器組所采用的主保護和后備保護進行了匯總和介紹，有助于初學者了解和學習。也可用于相似電站設計時，繼電保護配置時做參考。

參考文獻：

[1]杜鵑.風光互補抽水蓄能發電系統的研究與現狀[J].貴州電力技術，2014.17（07）：59-61.

[2]李賢海.福建仙游抽水蓄能電站電氣設計探討[J].水力發電，2002，2（1）：42-44.

[3]DL/T5177-2003，水電廠繼電保護設計導則[S].