淺談微機綜合保護器在農村小型水電站的應用

蘇敬愛

（南安市水利局，福建 南安 362300）

0 前言

水電站在運行過程中，可能遇到各種類型的故障和不正常運行方式，從而在電力系統中引起事故，破壞電力系統的正常運行，降低電氣設備的使用壽命，嚴重的將直接破壞系統的穩定性，造成大面積的停電事故。繼電保護裝置就是能反應水電站和電網發生故障或不正常運行狀態，并動作于斷路器跳閘或發出信號的一種自動裝置，繼電保護裝置應符合可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。發電機是電力系統的主要電氣設備之一，它的安全運行對保證電力系統的正常工作和電能質量起著決定性作用，但在發電機運行過程中，其定子繞組和轉子回路都有可能出現各種故障和異常運行狀態，所以，為了保障其正常運行，減少不必要損失，對發電機應裝設專門的繼電保護裝置。農村小型水電站大多因開發較早，裝機容量小，水電站自動化程度低，鑒于當時的技術條件，發電機保護裝置安裝的是電磁型繼電器，可靠性和靈敏度較低。本文主要介紹GDB-6 微機綜合保護器的低速和過速保護功能，提高保護裝置的可靠性和靈敏度，在電網發生事故時，發電機出口斷路器能夠快速解列，確保電網、電站機組及用戶電器設備安全。

1 概況

南安市位于福建省東南沿海，晉江流域中游，水電資源豐富，開發條件優越，境內主要有東溪、西溪、九十九溪和九溪四大流域。南安市多年平均降雨量1546 mm，因時空分布不均，降雨量由沿海地區的1000 mm～1400 mm 向山區的1500 mm～1900 mm 遞增。全市多年平均水資源量17.366 億m3，水力資源理論蘊藏量149000 kW，技術可開發量58000 kW。至2019 年底，全市已建成投產的水電站有105 座，機組臺數206 臺，總裝機容量5.7095 kW，多年平均年發電1.82 億kW·h。南安大部分水電站為徑流式開發，站址地處偏遠山區，10 kV 聯網線路長，設備老化，遇到雷雨天氣時，事故頻發，嚴重影響電站和電網安全運行。

2 事故概述

巖內水電站位于福建省南安市西北部蓬華鎮大演村境內，為晉江西溪大演溪小支流水電梯級開發的第一級電站，1981 年5 月建成投產發電。巖內水電站控制流域面積27.2 km2,設計水頭90 m，設計引用流量0.40 m3/s，總裝機容量800 kW（4×200），多年平均發電量 256 萬 kW·h。

巖內水電站地處南安市西北部山區，自投運自今，電站聯網線路（10 kV 巖內線）經常遭受雷擊，導致蓬華35 kV 變電站10 kV 巖內線饋線柜斷路器多次跳閘，因水電站發電機繼電保護裝置不靈敏、不可靠，甚至不動作，導致發電機出口斷路器未跳閘解列，沿途村莊多臺10 kV 變壓器低壓用戶電器設備（圖1），因電壓不穩定，忽高忽底，電器設備故障燒毀，造成嚴重安全隱患和用戶財產損失。

圖1 巖內水電站與電網聯絡示意圖

3 事故原因分析

巖內水電站1981 年5 月建成投產發電，鑒于當時的技術條件，水電站自動化程度低,水輪機未安裝自動調速器，發電機組配備一機一屏（BKSF-12），即控制、保護和測量“三合一”，發電機出口斷路器采用DW15 系列低壓空氣斷路器，帶有分勵、欠壓、過流三種類型的脫扣器。巖內水電站發電機常規保護除斷路器自帶的過流、欠壓保護外，發電機控制屏還安裝過負荷和過電壓保護（見圖2），保護繼電器選用電磁型繼電器，過負荷保護動作電流按照發電機1.05 In 來整定，過電壓保護動作電壓按照發電機1.2 Un 整定（見如表1）。

表1 發電機過負荷流和過電壓保護整定值

巖內水電站地處山區，10 kV 聯網線路長，距離蓬華鎮區35 kV 變電站有12 km，沿途村莊T 接多臺供電變壓器，大多用于農村日常生活用電或微型加工廠用電。當線路遭受雷擊或其他原因發生故障時，變電站10 kV 饋線柜斷路器跳閘，因沿途村莊帶有用電負荷，電站發電機組和沿途村莊用電負荷形成孤立運行的小電網，即自發自供。巖內水電站因建成時間較早，發電機繼電保護裝置配備電磁型繼電保護，這種保護裝置的靈敏性、可靠性和速動性較差，加上電站又未按規定期限對繼電保護裝置定期檢查和定值整定，在電網跳閘后，發電機繼電保護裝置經常不動作，導致出口斷路器無法跳閘，電站和電網沒有及時解列。當電站發電功率大于自供區用電負荷時，發電機過電壓運行；當電站發電功率小于自供區用電負荷時，發電機欠壓運行。發電機電壓的不穩定運行，必將對機組自身和用電設備造成損傷，甚至引起燒毀用電設備的事故，給電網運行帶來重大安全隱患和用戶財產損失。

圖2 發電機控制保護圖

4 整改措施

巖內水電站發電機繼電保護裝置配備電磁型繼電保護，針對這種保護裝置靈敏性、可靠性和速動性較差的問題，電站將在原有電磁型繼電保護裝置基礎上進行升級改造，即增加安裝微機綜合保護器。

GDB-6 微機綜合保護器以電腦芯片為核心，硬件簡單，精度較高，穩定性、可靠性好，保護定值整定靈活，功能多樣，具有過壓、欠壓、過流、短路、低速和過速等保護功能：

（1）過壓保護

發電機運行中，當電壓連續高于設定過壓保護值一定時間（此時間可設定）時，保護器判為“過壓故障”，發出常規“跳閘命令”，“故障”繼電器動作，同時發出常規告警信號（斷續蜂鳴告警聲，故障指示燈亮），數碼顯示自動切到電壓值顯示狀態，實時顯示此時的電壓值。延時設定的一段時間后（2 s～100 s），如電壓恢復正常，則解除告警信號，繼電器斷開，退出故障狀態。

（2）欠壓保護

發電機運行中，當電壓連續低于設定欠壓保護值時，保護器判為“欠壓”狀態，如果參數設定01 選擇欠壓需要跳閘（LUYY）時，發出常規“跳閘命令”和常規告警信號，進入故障狀態。如果參數設定01 選擇欠壓不需要跳閘（LUNO）時，欠壓保護僅發出常規告警信號。另外欠壓保護可以關閉，當欠壓設定選擇低于額定電壓的50%時，關閉此功能。

（3）過流保護

發電機運行中，三相電流中最大一相電流連續大于設定過流設定值（1.05 Ie～2.0 Ie）一定時間（此時間可設定）時，保護器判為“過流故障”，發出常規“跳閘命令”和常規告警信號，“故障”繼電器動作。數碼顯示自動切到電流值顯示狀態，顯示跳閘時刻的電流值。延時設定的一段時間后（2 s～100 s），自動解除告警信號，退出故障狀態，也可以人工提前退出故障狀態。過流保護反時限控制，在設定的過流延時跳閘時間的基礎上，保護器根據“溫升相等”原則自動修改過流動作時間，電流越大，保護動作越快。

（4）短路保護

當三相電流中最大一相電流達到短路設定設定值（1.8 Ie～3.0 Ie）時，保護器判斷為短路故障，故障繼電器立即動作，其他處理與過流故障類似。電流顯示值為跳閘前的電流值。

（5）低速保護

并網前，低速保護可設定不動作。并網后，當發電機轉速低于低速設定值（30.0 Hz～49.9 Hz）時，保護器判為“低速”故障，發出常規“跳閘命令”和常規告警信號，“故障”繼電器動作。數碼顯示自動切到頻率值顯示狀態，顯示當時的頻率值，延時設定的一段時間后，自動退出故障狀態，同樣也可以人工提前退出故障狀態。

（6）過速保護

當發電機轉速大于過速設定值（50.1 Hz～75 Hz）時，保護器判為“過速”故障，發出常規“跳閘命令”和常規告警信號，“故障”繼電器動作。故障處理與“低速”故障處理一樣。

GDB-6 微機綜合保護器對比常規電磁型保護裝置，具有低速、過速保護功能，提高了保護裝置靈敏性、穩定性和可靠性。在聯網線路發生事故，10 kV 饋線柜斷路器跳閘后，因水輪機未安裝自動調速器，發電機頻率發生大幅度增減，微機綜合保護器低速或過速保護動作，其靈敏度比常規電磁型過壓和欠壓保護靈敏度更高，發電機出口斷路器迅速跳閘解列，確保發電機組和電網運行安全，低壓用戶電器設備不受損壞。

GDB-6 微機綜合保護器可以取代傳統的電磁型繼電器保護裝置，保護器外形尺寸和42L6 系列儀表一致，安裝方便，接線簡單（見圖3）。另外裝置還兼有發電機電壓、電流、頻率的數顯功能，便于運行人員日常巡視和維護。

圖3 GDB-6 微機綜合保護器接線圖

安裝接線：GDB-6 保護器兼有電壓、電流、頻率的數顯功能，安裝時，可拆除配電屏上監測電網的頻率表（42L6-Hz），裝入GDB-6 微機綜合保護器，兩者安裝尺寸一致（寬114 mm×高114 mm）。按照保護器安裝接線圖，接入發電機三相CT 電流、電網電壓和控制電源，并將保護器常開輸出接點，并聯接在過電壓繼電器常開輸出接點，動作時限和過電壓保護一致。

發電機低速和過速保護整定值：參照GDB-6 微機綜合保護器的參數設定，設置低速檢測閥值為48.5 Hz，過速檢測閥值為50.5 Hz（見表2）。在發電機頻率低于48.5 Hz 或高于50.5 Hz 時，保護器動作。

表2 發電機低速和過速保護整定值

5 改造效果

巖內水電站繼電保護裝置改造完成后，在電網多次事故跳閘后，GDB-6 微機綜合保護器均能快速可靠動作，確保發電機和電網解列。

6 結語

GDB-6 微機綜合保護器結構簡單，投資少，對比電磁型繼電器，微機綜合保護器保護定值設定方便準確，保護器設置的發電機低速和過速保護，能夠替代傳統的電磁型過電壓保護。對于有多臺機組的水電站，可通過保護器常開輸出接點，啟動接通中間繼電器，利用中間繼電器的多對常開輔助接點，接通各臺機組保護跳閘回路，實現1 臺保護器同時解列多臺發電機組，減少改造資金投入。

南安市農村小型水電站大多開發較早，裝機容量小，位于偏遠山區，鑒于當時技術條件，電站的水輪機大多數未安裝自動調速器，發生故障系統解列后，水輪機過速（飛車）或低速運行。安裝GDB-6 微機綜合保護器，能夠快速捕捉發電機頻率變化幅度，及時、迅速地將發電機解列退出運行，避免發電機組自身和沿途用戶電器設備造成損傷,確保電網安全。在水電站日常運行管理中，大多電站業主疏于運行管理，特別是對發電機繼電保護裝置，未能按規定定期檢查和定值整定，導致在電網和機組發生事故和故障時，發電機出口斷路器無法及時跳閘解列，給電網運行帶來重大安全隱患。巖內水電站繼電保護裝置的成功改造，給全市其他水電站提供了很好的借鑒。