抽水蓄能電站發電電動機變壓器組保護配置及換相方法研究

樊瑩　陳海龍　姜東東

摘 要：抽水蓄能電站一般采用可逆式機組，由可逆水泵水輪機和發電電動機二者組成。為了實現水泵和發電兩種工況的切換，一般在主變低壓側與發電電動機間裝設換相開關。本文主要分析抽水蓄能電站主接線方式、發電電動機變壓器組保護配置及換相開關換相對發電電動機變壓器組保護的影響。本文提出了一種抽水蓄能電站發電電動機變壓器組保護軟件通道數據換相方法，該方法不改變原有保護的核心算法及判據，易于實現。

關鍵詞：抽水蓄能電站;可逆式機組;換相開關;軟件通道數據換相

中圖分類號：TV734.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0048-04

Research on Protection Configuration and Commutation Method of

Power Generation Motor Transformer Set in Pumped Storage Power Station

FAN Ying CHEN Hailong JIANG Dongdong

（XJ Electric Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： Pumped storage power plants generally use reversible units， which are composed of reversible pump turbine and generator motor. In order to realize the switching of pumping and generating conditions， a commutation switch is usually installed between the low-voltage side of the main transformer and the generator motor. This paper mainly analysed the main wiring mode of pumped storage power station， the protection configuration of transformer group of generator motor and the influence of commutation switch on the protection of transformer group of generator motor. In this paper， a data commutation method for the protection software channel of the transformer group of the pumped storage power station was proposed， which did not change the core algorithm and criterion of the original protection， and was easy to implement.

Keywords： pumped storage power station;reversible unit;commutation switch;software channel data commutati

抽水蓄能電站一般采用可逆式機組，其機組由可逆水泵水輪機和發電電動機二者組成。其運行工況主要包括抽水、抽水調相、發電、發電調相、拖動和被拖動等。其中，抽水、抽水調相、被拖動為電動工況，機組反向旋轉;發電、發電調相、拖動為發電工況，機組正向旋轉。為了實現水泵和發電兩種工況的切換，一般在發電電動機與主變低壓側間裝設換相開關，最終將機端電壓切換為反相序，機組反向旋轉。抽水蓄能機組電氣一次接線復雜，運行工況多。因此，抽水蓄能電站發電電動機變壓器組的各種運行工況應配置完善的保護，且水泵電動機狀態必須考慮換相開關對保護的影響。本文提出了一種抽水蓄能電站發電電動機變壓器組保護軟件通道數據換相方法，以適應各種工況的轉換，該方法不改變原有保護的核心算法及判據，易于實現。

1 抽水蓄能電站電氣主接線

抽水蓄能機組為了實現抽水工況啟動[1]，增加了啟動設備及回路，主要包括靜止變頻啟動設備（SFC）、拖動刀閘、被拖動刀閘、啟動母線和背靠背啟動（BTB）等;為了實現抽水和發電兩種工況的轉換，一般在發電電動機與主變低壓側間裝設換相開關;為確保軸承的安全停機速度，采用電氣制動方式，增加了電氣制動開關;抽水蓄能機組電氣一次接線復雜，運行工況多。

抽水蓄能機組啟、停頻繁，發電電動機機端與主變低壓側間裝設有機端斷路器（GCB），且引水管道為一管雙機布置方式。為了節省投資，抽水蓄能機組一般采用單元聯合接線方式。抽水蓄能電站主變與開關站分開布置，相距1km左右，且開關站出線相對較少，開關站的電氣主接線多采用角形接線或單母分段接線。抽水蓄能機組常用主接線如圖1所示。

圖1（a）為單元聯合四角形接線方式，其優點為運行方式靈活，可靠性高，任一臺斷路器檢修或因故退出運行，不影響抽水蓄能電站的正常運行;缺點是投資較大，二次接線復雜。圖1（b）為單元聯合單母分段接線方式，其優點為可靠性高，一次和二次接線相對簡單;缺點是運行方式簡單，任一臺斷路器檢修或因故退出運行，都會影響對應機組的正常運行。

2 發電電動機變壓器組保護配置

抽水蓄能電站電氣部分的保護主要包括發電電動機變壓器組保護、主變高壓側至開關站的電纜引線保護、開關站母線保護及出線線路保護。發電電動機變壓器組保護的范圍包括發電電動機和主變壓器部分。抽水蓄能電站發電電動機與主變壓器組之間設置有斷路器，一般采用面向被保護對象的系統模式，設置發電電動機保護裝置和主變壓器保護裝置。發電電動機變壓器組保護配置如圖2所示。

發電電動機保護裝置和主變壓器保護裝置采用雙套配置，且雙套保護裝置間無任何電氣聯系，相互對立。由于勵磁變壓器接在主變低壓側，在發電電動機啟動過程中可以提供勵磁電壓，所以勵磁變壓器的保護集成于主變壓器保護裝置。廠用變壓器高壓側設置有斷路器，廠用變壓器保護單獨配置。

抽水蓄能電站發電電動機變壓器組的各種運行工況應配置完善的保護[2]，且至少有一套縱差保護在各種運行工況全程投入，以確保機組的穩定、可靠運行以及系統的穩定。

發電電動機保護配置如表1所示。

如表1所示，低電壓保護主要反映抽水工況、發電調相工況和抽水調相工況運行時失電故障或低電壓;發電機逆功率保護主要反映發電機變為電動機運行異常工況的保護;電動機低功率保護主要反映電動機運行時的突然失電或入力過低;低頻過流保護、低頻差動保護主要反映靜止變頻啟動、背靠背啟動和電氣制動時定子繞組及其引出線的相間短路故障;低頻零序電壓保護主要反映靜止變頻啟動、背靠背啟動和電氣制動時定子繞組及其引出線的單相接地故障;電壓相序保護主要用于判斷機組電壓相序與旋轉方向是否一致;電流不平衡保護主要用于防止電氣制動時定子繞組端頭短接（電氣制動短路開關）接觸不良故障。

發電電動機縱差保護（小差）的保護范圍僅包含發電電動機，可以不受運行工況影響，全程投入。發電電動機縱差保護（大差）的保護范圍包含發電電動機和機端斷路器等，該保護受運行工況影響，在部分工況閉鎖。

變壓器保護裝置包含主變壓器和勵磁變壓器保護功能，變壓器保護配置如表2所示。

表2中，勵磁變壓器采用勵磁變差動和過流作為勵磁變故障的主保護。變壓器縱差保護（小差）的保護范圍僅包含主變壓器，可以不受運行工況影響，可以全程投入。變壓器縱差保護（大差）的范圍包含主變壓器、機端斷路器和換相開關等，該保護受運行工況影響，在部分工況閉鎖。

考慮到微機保護的靈活性、可靠性，差動保護的可靠性、靈敏性一般高于過流保護，人們可以設置一套不受工況轉換和換相影響的發電電動機和主變差動保護（小差），以提高差動保護的可靠性，差動保護（小差）可在任何工況下投入運行。另外，可以配置一套發電電動機和主變差動保護（大差），其保護范圍可在機端斷路器交叉重疊，以對整個發電電動機變壓器組100%區域進行保護，做到保護設備無死區[3]。

3 換相對保護的影響

為了實現水泵和發電兩種工況的切換，一般在發電電動機與主變低壓側間裝設換相開關，如圖2所示。發電時G刀閘極接通，抽水時M刀閘極接通，一般通過交換A、C相來實現電氣旋轉的換向。換相的出現必然對發電電動機變壓器組保護帶來影響。發電機作為電動機運行，其轉子反向旋轉，機組正常運行時的電壓、電流相序為逆時針方向，與電網相反，此時發電電動機保護應調整為同步電動機保護，其相序應與機組在抽水工況運行的一次相序一致，否則保護的序分量計算將會出現錯誤，保護將不能正常工作[4]。

主變差動（大差）保護的低壓側電流互感器一般設置在換相刀閘靠機組側，如圖2中的7CT，機組相序更換后需要將7CT的電流相序切換到與換相刀閘一致。發電機差動保護范圍不包括換相開關，所以換相對發電機差動沒有影響。

發電電動機失磁保護、失步保護、阻抗保護、功率保護、負序電流和電壓相序保護等保護需要用到發電機機端電流、機端電壓，因此也需要將機端電流、機端電壓相序切換到與換相刀閘一致。

發電電動機變壓器組保護換相目前常用的方法主要有二次回路換相、采樣通道設置換相和保護相序設置換相等[5]。本文提出了一種抽水蓄能電站發電電動機變壓器組保護軟件通道數據換相方法，該方法數據換相流程如圖3所示。

該方法的具體實施方式如下。一是保護裝置根據換相開關輔助接點的狀態，確定當前機組的運行工況;二是換相開關處于“電動機”位置時，發電電動機保護通過軟件換相的方法，將換相開關位置下面的機端電流、機端電壓、中性點電流計算的通道數據按換相開關的相序進行換相，使各保護數據的相序與換相開關保持一致。三是通道數據按下面的方法進行換相。假設換相開關按A、C相換相。通道數據計算一般采用傅里葉算法實時計算各通道數據實、虛部，并按數組存儲，以發電機機端電流為例，機端電流通道數據實、虛部數組為It[3][2]，機端電流A、B、C三相實、虛部數據分別為It[0][0]、It[0][1]、It[1][0]、It[1][1]、It[2][0]、It[2][1];Ita_r、Ita_i、Itb_r、Itb_i、Itc_r、Itc_i分別為機端三相電流保護數據實、虛部。Ita_r=It[0][0]、Ita_i=It[0][1]、Itb_r=It[1][0]、Itb_i=It[1][1]、Itc_r=It[2][0]、Itc_i=It[2][1]。如果換相開關為“電動機”位置，則將通道數據A、C相進行換相，Ita_r=It[2][0]、Ita_i=It[2][1]、Itb_r=It[1][0]、Itb_i=It[1][1]、Itc_r=It[0][0]、Itc_i=It[0][1]。

機端電壓、中性點電流的保護數據換相同機端電流。

換相開關處于電動機位置時，將換相開關位置下面的機端電流、機端電壓、中性點電流計算的通道數據按換相開關的相序進行換相，使各保護數據的相序與換相開關保持一致，該方法不改變原有保護的核心算法及判據，易于實現，保障了抽水蓄能電站的安全穩定運行。

4 結語

本文主要分析了抽水蓄能電站的電氣主接線方式，發電電動機變壓器組保護配置及換相開關換相對發電電動機變壓器組保護的影響。其間提出了一種抽水蓄能電站發電電動機變壓器組保護軟件通道數據換相方法，該方法不改變原有保護的核心算法及判據，易于實現。

參考文獻：

[1]馬嵬，鄭小剛.逆式抽水蓄能機組背靠背啟動過程控制探討[J].水電自動化與大壩監測，2009（5）：38-43.

[2]唐云龍，魏曉強，劉志文，等.響洪甸抽水蓄能機組及其保護特點的分析[J].電力系統保護與控制，2009（9）：86-88.

[3]蔡鑫貴，史繼莉.廣州蓄能水電廠機組及主變壓器繼電保護的配置與運行[J].繼電器，2006（24）：65-69.

[4]王維儉，湯連湘，魯華富，等.換相操作對抽水蓄能機組保護的影響分析[J].繼電器，1995（2）：3-6.

[5]王昕，井雨剛，王大鵬，等.抽水蓄能機組繼電保護配置研究[J].電力系統保護與控制，2010（24）：66-70.