500kV亭子口水電站不全停擴建工程二次系統試驗方案

李泳龍 方 圓 汪鳳月 熊中浩 趙國亞

（1. 大唐水電科學技術研究院有限公司，成都 610073；2. 嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 廣元 628400）

0 引言

水電站并網發電后長期進相運行會對水輪機組造成一定的損害。頻繁低負荷進相運行，水輪機組振動大，容易造成水輪機過流部件的氣蝕，轉輪產生裂紋，不利于水輪機組安全穩定運行。為了避免水電站頻繁進相運行來平衡線路充電功率，可以在水電站加裝高壓電抗器。

并聯電抗器能削弱空載或輕載時長線路的電容效應所引起的工頻電壓升高，有效補償線路充電功率，避免低谷時段過多容性無功流向變電站側，有利于電網調壓。由于亭子口水電站早期取消了高壓電抗器的系統設計，而在實際運行過程中，電網又要求亭子口公司水輪發電機組頻繁低負荷進相運行來平衡線路充電功率[1]。為此，亭子口電站需增設母線高壓電抗器。

出于經濟效益及確保區域電網電源可靠性的因素考慮，水電站往往采用不全停的方式進行擴建，而此方式下的試驗安全風險大，技術復雜，需要對二次系統保護配置的情況進行全面考慮，對繼電保護試驗人員要求極高，稍有疏忽就容易引起在運設備的誤動[2-3]。因此，研究出一套安全可控的不全停方式下的擴建試驗方案尤為迫切。本文以亭子口水電站為例，介紹水電站在擴建工程試驗方案中，繼電保護二次系統需要重點研究的問題，提出因保護配置變化而需要拆除的回路連線，以及二次安全措施布置等調試工法，以期能切實指導各水電站圓滿完成擴建。

1 擴建的方式

亭子口電站總裝機容量為1 100MW，4臺機組，發變組采用單元接線方式，兩臺機組并接入500kV側，500kV出線一回，升壓站500kV形成三角形接線[4]。此次擴建是在預留擴建段增加一組斷路器，高壓側由三角形接線變為四角形接線，母線上電抗器出線與并聯高壓電抗器油氣套管連接。新增間隔劃分示意圖如圖1所示（點劃線部分為新增設備）。

圖1 新增間隔劃分示意圖

亭子口電站主接線存在“T區接線”形式，即線路/主變進出線的電壓互感器（potential transformer, PT）接于兩組斷路器之間的情況，如圖2所示。這種接線方式下，必須配置T區保護裝置，保護配置的配合較為復雜[5]。新增電抗器及斷路器時應充分考慮改造期間兩臺機組保持發電的安全性和經濟性，并在保證試驗安全的前提下進行安措布置。

圖2 存在T區接線的電氣主接線示意圖

2 擴建實施方案

2.1 停電操作及帶電范圍

此次擴建計劃將1、2號發變組停電，3、4號機組繼續發電并通過5002斷路器向電網供電，原三角形電氣接線中的5001、5003斷路器（5004斷路器左右兩側）及1、2號機組，1、2號變壓器配合停電。基于此分析，停電操作順序為：①斷開5003斷路器；②斷開5001斷路器；③斷開2號主變高壓側刀開關；④斷開1號主變高壓側刀開關；⑤斷開5001斷路器T區側刀開關；⑥斷開5001斷路器線路側刀開關；⑦斷開5003斷路器3、4號主變側刀開關；⑧斷開5003斷路器1、2號主變側Ⅰ刀開關；⑨斷開5003斷路器1、2號主變側Ⅱ刀開關；⑩合上5001斷路器線路側接地開關； ?合上1號主變高壓側T區側接地開關；?合上2號主變高壓側T區側接地開關；?合上5003斷路器3、4號主變側接地開關。按此順序進行斷電操作，可有效實現計劃停電部分的斷電，將其在一次設備上與帶電設備部分完全隔離。

停電操作結束后，5001、5002、5003斷路器不帶電，1、2號機組停電。剩余站內的帶電部分為：3、4號機組繼續發電，經由5002斷路器到線路間隔，以此方式向對側線路輸送電能。帶電區域如圖3所示（顏色較淺部分為帶電設備）。

圖3 帶電區域示意圖

2.2 保護配置分析

未新增電抗器、斷路器間隔前亭子口全站主要保護配置包括：①發電機保護，4臺機組每臺分別配置；②主變保護和主變非電量保護，4臺主變每臺分別配置；③T區保護，1、2號主變與5001、5003斷路器之間配置一套，3、4號主變與5002、5003斷路器之間配置一套；④斷路器保護，5001、5002、5003斷路器分別配置；⑤短引線保護，5001、5002斷路器與線路之間配置。

擴建后全站保護配置發生了變化，原保護配置之間的聯系也相應有所改變，具體變化見表1。

表1 擴建后原保護配置變化情況

此次新增5004斷路器和電抗器后，新增的保護配置包括5004斷路器保護、電抗器保護、高壓電抗器非電量保護、5003、5004斷路器和電抗器之間增加T區保護。新增后的保護配置與其相關聯的間隔見表2。

表2 擴建新增保護配置與其關聯間隔

2.3 二次系統試驗流程

由以上分析可以看出，擴建后保護裝置之間的回路連線存在很多改動，調試單位需根據擴建后的設計重新檢查回路，對相關聯的保護需要重新調試，試驗內容及流程包括：①拆除新增間隔后不用的電纜連線；②二次安措布置，斷開停電需試驗的設備與運行設備之間的回路連線；③二次回路檢查；④保護裝置單體試驗；⑤分系統試驗；⑥二次通流試驗；⑦恢復安措，電流電壓回路檢查；⑧投運及帶負荷測試。

二次系統試驗流程如圖4所示。停電后，新增的保護裝置應按照二次系統試驗流程逐一進行試驗，發生變化的保護裝置應著重檢查回路間的變化關系，其中拆除擴建后原保護配置不再使用的電纜連線及二次安全措施的布置最為復雜，直接關系到整個保護系統試驗過程的安全性及正確性，是試驗方案的研究重點。

2.4 回路電纜的拆除

回路電纜的拆除意味著該段回路不再使用，在保護配置發生變化的情況下，若不拆除這些不再使用的回路，則會引起擴建后保護裝置的誤動，造成不必要的損失。

圖4 二次系統試驗流程

在5001斷路器、5003斷路器之間，新增5004斷路器和電抗器后，發生變化的回路連線眾多，其中不再使用的二次回路用途具體表現在：①1、2號主變T區保護采5003斷路器電流；②1、2號主變T區保護跳5003斷路器出口；③5003斷路器失靈聯跳1號發變組；④5003斷路器失靈聯跳2號發變組；⑤1、2號主變保護跳5003斷路器出口；⑥1、2號主變非電量保護跳5003斷路器出口。

5003斷路器作為原接線方式中高壓側T區聯絡斷路器，在三角形接線中與四臺機組全部產生了聯系，所以與其相關聯的變化回路最多，需拆除的連線主要集中在5003斷路器相關回路。擴建后需拆除回路如圖5所示，“”表示需拆除的連線。擴建后不再使用的關聯回路見表3。

圖5 擴建后需拆除回路示意圖

表3 擴建后不再使用的關聯回路

2.5 二次安全措施的實施

新增5004斷路器和電抗器后，除了需要將以上提到的回路連線拆除外，在試驗進行前，還需要進行二次安措布置，斷開需停電設備與運行設備之間的二次回路連線，確保試驗不影響帶電設備的正常運行。需要斷開的回路連線具體包括：①5001斷路器保護啟線路保護遠跳；②5001斷路器保護失靈跳5002斷路器；③短引線保護跳5002斷路器；④5003斷路器保護失靈跳5002斷路器；⑤5003斷路器保護跳3號發電機出口斷路器；⑥5003斷路器保護跳4號發電機出口斷路器；⑦高壓電抗器保護采線路電壓；⑧高壓電抗器保護采5004斷路器、5003斷路器電流；⑨高壓電抗器T區保護采高壓電抗器本體、5004斷路器、5003斷路器電流；⑩高壓電抗器保護采高壓電抗器首端、尾端電流。

其中第①～⑥條，一旦因沒有斷開而誤發信號，會直接引起帶電設備動作，有嚴重的安全風險。第⑦條如未斷開，高壓電抗器保護會采集53PT的電壓，一方面會對保護單體試驗加量產生影響，另一方面試驗過程也會影響到53PT的一次電壓。第⑧～⑩條，主要是高壓電抗器T區保護的電流采樣，高壓電抗器保護的電流采樣斷開后方能使用繼電保護測試儀對保護裝置進行正確的加量校驗。安全措施布置示意圖如圖6所示，“”表示需要斷開的連線。二次安措實施回路見表4。

2.6 投運帶負荷試驗

按照要求，新安裝的高壓電抗器投入運行前，應在額定電壓下做空載全電壓沖擊合閘試驗[6]。投運前需確保電氣二次電流電壓回路已完成通電檢查，繼電保護和自動化回路已進行模擬試驗，5004斷路器保護、高壓電抗器保護及高壓電抗器T區、1、2號主變T區保護帶斷路器傳動試驗已驗證了動作的正確性，所有的安全措施恢復到位。

表4 二次安措實施回路

圖6 安全措施布置示意圖

投運步驟說明：①先斷開5002斷路器；②5001轉熱備用，合上5001斷路器，利用5001斷路器對1、2號主變沖擊受電，合閘后對500kV 51PT二次核相正確，在監控系統檢查5001斷路器采集到的同期回路電壓數據，在5001斷路器保護裝置，核實1、2號主變上來自51PT的同期電壓值并核相正確；③5002轉熱備用，合上5002斷路器，利用5002斷路器對3、4號主變沖擊受電，合閘后對500kV 52PT二次核相正確，在監控系統檢查5002斷路器采集到的同期回路電壓數據，在5002斷路器保護裝置，3、4號主變上核實來自51PT的同期電壓值并核相正確；④5003轉熱備用，合上5003斷路器，利用5003斷路器對電抗器進行沖擊受電試驗，在電抗器沖擊受電過程中，應檢查1、2號主變保護裝置的差流，5003斷路器保護裝置，電抗器T區保護裝置電流電壓采樣及差流情況；⑤5004轉熱備用，合上5004斷路器，對站內500kV系統合環運行；完畢后應檢查電抗器T區保護裝置差流正常，電流電壓回路采樣及差流正常，檢查1、2號主變T區保護裝置差流正常，3、4號主變T區保護裝置差流正常，檢查電抗器非電量保護裝置無告警信號，主變保護裝置差流正常，檢查從51PT、52PT采得的交流電壓和同期電壓的相位和幅值保持一致，檢查亭中線線路保護裝置數據正常，與對側數據交換正常，顯示負荷潮流正常。

3 結論

綜上所述，為了防止水電站擴建期間棄水及保障區域電網的穩定性，水電站的站內擴建工程一般采用不全停的方式，盡可能減少配合停電的間隔。由于一次設備的調整導致保護配置變化及二次回路變更，擴建過程中二次安全措施的布置與恢復是整個擴建工程的關鍵，直接影響站內帶電設備的安全穩定運行，甚至影響區域電網的安全穩定。上述案例中升壓站采用四角形接線方式，其二次系統保護配置復雜、二次回路繁多、變更間隔與原二次設備聯系多，試驗方案必須進行全面的考慮與驗證。本文基于500kV水電站角形接線氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）設計特點及二次保護設備的配置情況進行分析，結合500kV水電站不全停擴建改造的調試經驗，提出了500kV水電站不全停方式下新增電抗器、斷路器的試驗方案。通過500kV亭子口水電站不全停電方式下的擴建，證實了該方案安全性高、可靠性強，為今后水電站的擴建提供了一定的參考。