抽水蓄能電廠機組保護措施分析

潘仁秋，姬生飛，何其偉，房 康

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

抽水蓄能電廠屬于特殊的電源，具有啟動速度快、雙向負荷跟蹤速度快以及反應迅速等優勢。它不僅屬于電站，還是電網管理工具，在實際應用過程中具有重要作用，如發電、儲能、調峰以及事故備用等，為電力企業創造了很多效益。在現代智能系統的快速發展過程中，很多清潔、可再生能源逐漸得到了社會各界的高度重視。合理的抽水蓄能電站配比可以確保電網始終處于安全的運行狀態，在未來社會發展中將發揮更加重要的作用。

1 抽水蓄能電廠機組保護的相關內容

1.1 含 義

抽水蓄能電站的本質是在低谷時期充分利用富裕電力進行抽水作業，主要是從下水庫中將水抽到上水庫，實現電能到勢能的轉變。尤其在用電高峰時期，可以將水從上水庫進行下放，通過水的勢能對發電機組做功產生電能，從而有效改善高峰時期電力能源不足的問題[1]。抽水蓄水電廠機組的啟停反應制度比較靈活，負荷調節水平相對較高，在科學調度的基礎上，滿足了調峰填谷和事故備用的預期目標。在抽水蓄能電廠機組運行過程中，需要不斷啟動、停止，極易出現作業方式轉換情況，為機組運行帶來了風險。為了保障抽水蓄能電廠機組始終處于安全的運行狀態，管理人員需要明確各項運行作業方式，以此為基礎制定相應的保護措施。此外，在抽水蓄能電廠機組運行過程中，技術人員還要注重抽水、發電等操作。一般機組的旋轉方式有兩種，需要由換向刀閘完成，具體見圖1。在機組抽水過程中，應接通C向，閉合2、3、5級；在機組發電過程中，應該接通A相，閉合1、3、4級。

圖1 換相刀閘結構示意圖

1.2 特 點

1.2.1 換 相

在新時期的快速發展過程中，大型抽水蓄能機組多是可逆式機組。機組在發電、抽水的情況下轉向相反。在實際運行過程中，通過發電、發動機出口位置的換相閘刀改變一次接線相序，導致轉向有所不同。通常情況下，機組保護的電壓、電流主要采用機端的壓變和流變。在電動機實際運行過程中，機組采集到機端的電壓、電流相序。這一相序和發電機運行的相序正好相反，這時機組保護的電壓、電流量也要換相，將其調整成電動機保護，確保機組的大差動保護、功率型保護、阻抗型保護以及相序檢查保護處于穩定的運行狀態。

1.2.2 識別運行工況

為了確保抽水蓄能電廠機組始終處于穩定的運行狀態，相關部門需要深入分析工況實際情況，合理選擇保護措施，并根據工況實際情況給予投入、切除以及閉鎖等各項保護措施。例如，在機組變頻啟動的情況下，為了避免負序過流保護和大差動保護操作失誤出現閉鎖問題，需要快速切除啟動回路的相間故障，并對其進行特有的低頻過流保護。技術人員必須針對機組的實際運行工況進行有效識別，確保保護裝置始終處于穩定、持續的運行狀態。

2 抽水蓄能電廠機組中存在的問題

2.1 主變縱差和機組縱差保護問題

在抽水蓄能電廠機組實際運行過程中，技術人員在使用普通電網元件的情況下，相鄰保護范圍必須覆蓋、配置。這時技術人員只需明確在斷路器識別兩側交叉位置配置CT。但是，在機組保護配合過程中會遇到很多難題，因為抽水蓄能電廠機組的機端斷路器設備兩端會設置很多刀閘，處于負載的工作狀態。技術人員需要針對不同的閉鎖條件進行保護，并進行充分考慮，有效保護裝置配置、配合，避免出現防護死區。同時，變電器、發動機設備配置會有一定的差異，保護對象普遍是發動機、變電器等設備。在保護CT范圍時，它不會出現其他刀閘。在全工況投入時無需閉鎖，可以有效提升變壓器性能，確保發電機組設備始終處于穩定的運行狀態。技術人員還需針對發動機、變壓器設備保護配置進行深入分析。一般交叉位置會有很多選擇，技術人員應選擇在GCB位置附近進行交叉。但是，在分析抽水蓄能界限的情況下，GCB和啟動力之間不會預留更多的空間而影響安裝工作，需要外移CT位置。因此，技術人員需要充分考慮這種配置方式，嚴格控制閉鎖方式，避免保護功能整體處于閉鎖狀態。但是，技術人員不能只針對機組側CT采樣進行閉鎖處理，還需要嚴格按照相關要求操作，才不會出現保護死區。

2.2 三次諧波定子100%接地保護

抽水蓄能電廠機組普遍處于復雜的工作環境中，極易受功率等因素的影響，為定子三次諧波保護工作帶來了題。調查驗證發現，三次諧波保護在抽水蓄能電廠機組中得到了有效應用，但三次諧波保護需要在機端CT配置開口三角繞組，而很多電廠不具備這種條件。新建的抽水蓄能電廠可以配置三次諧波定子接地保護裝置。另外，GCB失靈保護主要是相過流元件和負序過流元件電流整體值較高，很多保護內容無法滿足動作值要求，如接地保護、功率保護等，很難有效啟動失靈保護。尤其在非電氣保護如監控跳機信號等啟動失靈的情況下，無法實現保護[2]。因此，抽水蓄能電廠機組應使用機端有壓與GCB合位的電壓型失靈判據，在遇到啟動失靈信號的情況下，延時檢測機組帶壓、GCB未斷開以及失靈保護動作。這時動作可靠、無誤，不與相關要求出現矛盾時可以使用。

3 抽水蓄能電廠機組實例及保護措施

3.1 實例分析

某抽水蓄能電廠中的機組情況是2臺35 MW的混流可逆式水輪機發電電動機組。引水系統主要是一洞二機形式，主要作用是調峰，可以確保系統始終處于穩定的運行狀態。一般情況下，發電機和變壓器的接線方式普遍是單元接線方式，機組出口位置的電壓為10.5 kV，設置了機端斷路器，主變高壓位置的接線形式是220 kV單母線。在實際啟動過程中，普遍選擇靜止變頻方式，還可以使用備用啟動方式。除此之外，抽水蓄能電廠機組運行方式具有多樣性特點，工況轉換頻率較快，一般在一次設備中可以增加抽水啟動裝置、換向開關和啟動母線，為機組保護工作帶來了難題。

3.2 保護措施

3.2.1 換向操作縱差保護

在換向操作縱差保護過程中，技術人員需要做好以下工作。首先，切換縱差保護二次回路，在進行換相的過程中，技術人員需要充分利用輔助觸點，針對二次電流的切換情況予以控制，但極易出現換相開關輔助觸點動作、連鎖切換不穩定的問題，會導致縱差保護誤動現象。其次，二次電流回路換相連鎖切換較快，為了降低切換頻率，縱差保護應在A、C兩相安裝2套，主要作用是抽水、發電。跳閘出口回路需要由換相開關輔助觸點連鎖切換，需要增加保護裝置，但接觸不良的情況下會出現保護誤動。最后，技術人員應注重發電機組和主變縱差保護工作，并在A、C相設置電流互感器，使縱向保護二次電流能夠從開關自動切換到另一相的CT。這時縱差保護無需各項附加條件，尤其在開關輔助觸點未換相的情況下，具有很強的可靠性。在該抽水蓄能電廠機組運行過程中，發電電動機縱向保護范圍是發電機中性點到換相開關，變壓器差動保護范圍是變壓器高壓側到換相開關。兩套縱差保護都需要作為換相開關的保護范圍。

3.2.2 與相序有關的保護

與相序相關的保護具體體現在以下方面。第一，定子過負荷保護，針對單相電流進行保護、檢測，在電流量取自工況變換的情況下不換相的B相。第二，轉子表層過負荷保護，如負序過負荷應接入三相電流。在工況轉換過程中，保護換相一般需要借助微機保護裝置軟件才能夠實現。第三，返工率保護需要根據發電工況進行接線，一般應用到發電運行、點制動以及背靠背啟動作電源的情況下，其他工況由微機保護裝置內部軟件進行閉鎖。第四，失磁保護的主要構成內容是轉子低電壓判據和機端測量阻抗判據，按照0°接線，避免出現換相問題。

3.2.3 電壓相序保護

在普通電廠運行過程中不會遇到相序變換的問題，其中發電機會向一個方向旋轉，但抽水蓄能電廠的工況不斷變化需要倒換相序，導致機組翻轉。在旋轉方向不一致的情況下，需要進行電壓相序保護。這一保護裝置是抽水蓄能電廠特有的，在其他工況下能夠利用軟件進行閉鎖。

3.3 保護成效

一般而言，抽水蓄能機組是在常規發電機組保護的基礎上進行轉變的，并添加了很多輔助接電、工況判別以及特有保護裝置，比常規機組保護更具復雜性。通過抽水蓄能電廠試運行發現，保護會出現誤發信、誤動作問題。通過分析、探索這些問題，可以通過修改保護邏輯和調整整定值給予有效解決。通常情況下，抽水蓄能電廠工況轉換相對頻繁，技術人員可以有效判別運行狀況，并充分利用輔助接電的正確動作，提升抽水蓄能電廠機組的整體保護效果[3]。

4 結 論

綜上所述，現代化社會發展有效應用了很多先進技術，使得常規技術得到了優化。抽水蓄能電廠是在常規電廠基礎上進行優化形成的，在抽水蓄能電廠機組運行過程中會遇到很多問題，如運行工況轉換頻率大、換相等。相關部門必須做好保護工作，充分考慮換相、運行工況對保護帶來的影響。一般可以選擇可靠的換相方式、運行工況識別方式，以確保保護裝置在各種運行方式下處于穩定的運行狀態，避免出現保護誤動等問題。