柴河水庫電站繼電保護系統優化設計

康代紅，王 杰，紀慶周

（1.沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159；2.鐵嶺縣現代農業發展服務中心，遼寧 鐵嶺 112000；3.遼寧省柴河水庫管理局有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引 言

柴河水庫電站坐落于遼寧省鐵嶺市鐵嶺縣的熊官屯鎮，為壩后式水電站。發電機組總共有3臺，其總容量達7 030 kW，1974年動工建設，1976年投產運行，至今已累計完成發電量4億kW·h，平均年上網銷售電量達890萬kW·h。經過了40多年的運行，整體設備已經老化損壞，故障陡增，亟需更新改造。本次更新改造的重點是對電站繼電保護系統進行了優化設計，采用由微處理器構成的數字式保護裝置，使發電設備得以更可靠、更安全的運行。

1 柴河水庫電站繼電保護系統存在的問題

電站現有保護裝置采用的電磁式繼電器大多數已使用將近50年之久，廠家已不再生產。老式繼電器已難以保證繼電保護要求的可靠性及靈敏性，且接線復雜。此外，原繼電保護使用的元器件數量多，發生故障后大大增加了解決故障的時間，同時原繼電保護本身誤動作的概率也大大增加，已無法滿足電站自動化水平要求，更無法實現“無人值班、少人值守”的運行目標。

2 柴河水庫電站繼電保護優化設計

2.1 繼電保護優化設計原則

本次繼電保護系統優化設計是按照“無人值班、少人值守”原則進行的總體設計，本著安全、少花錢、技術領先、使用方便以及便于維修的原則進行配置。選用的核心器件為由處理器構成的數字式保護裝置，即微機保護系統，既有獨立性、完整性及成套性特點，又能滿足繼電保護的可靠性、選擇性、靈敏性以及速動性要求[1]。

微機保護系統采用啟動/閉鎖或雙重化措施，避免內部元件損壞引起誤動；主保護和后備保護分設在不同的保護裝置內；微機保護裝置設硬件閉鎖回路，防跳躍閉鎖保護；保護裝置運行時由于某種故障的干擾，引起的后果導致程序無法正常運行時通過自復位電路工作，使保護裝置正常運行[2]。采用單元式組合，可方便地進行保護配置和功能的擴充，系統模件通用性和互換性好，抗干擾能力強；微機保護軟件具有通用性和靈活性，對于不同運行場合、工況可任意整定，無需改動軟件。微機保護設計原理如圖1所示。

圖1 微機保護設計原理

2.2 微機保護系統特點和優勢

（1）微機保護系統采用成熟的保護理論，利用一體式機箱將保護裝置和監控單元進行密閉，抗干擾效果好。屏幕可以放在一起，也可以分散安裝在開關屏柜上。（2）人機接口及可視化屏幕友好，顯示屏可實時顯示電壓、電流以及功率等必要的電氣量數據，還可以直觀地設置保護定值。（3）保護模塊具有較好的穩定性功能，配置合理。當裝置正常工作中某一單獨硬件發生故障無法運行時，受到保護的單元或設備可以繼續正常工作。（4）采用全波差分傅氏算法以及“看門狗”設計，計算的精度較高，抗干擾性能好。（5）采用以太網及RS485通信接口通信，并設置一個調試接口，可穩定地與計算機監控系統傳輸信號，具有較完善的紀錄、報告、巡檢、錄波、自檢以及后臺可視監控等功能。

2.3 發電機保護功能配置及技術參數

2.3.1 發電機保護功能配置

發電機組的安全穩定運行對于保障電力系統的穩定運行起到關鍵作用，發電機作為機組的重要組成部分，需按照其不同部位、不同類型的故障和非正常運行的設備狀態來配置繼電保護[3]。

柴河水庫電站繼電保護優化設計選擇配置發電機差動保護和后備保護兩個單元，具體配置保護設備為DMP320C1F差動保護單元、DMP321C1F后備保護單元。保護單元設置縱聯差動保護、過流保護、失磁保護、過壓保護、過負荷保護、差動回路斷線保護、定轉子接地保護以及故障錄波等保護功能。

2.3.2 發電機保護主要技術指標

（1）差動保護。縱聯差動保護至關重要，是發電機的主保護，主要作用于發電機內部相間短路故障的保護。整組動作時間≤50 ms（2.0倍額定電流）；電流互感器（Current Transformer，CT）線路中斷可選擇將差動保護出口閉鎖，也可選擇僅發出報警信號；電流定值誤差＜5%；比例差動制動系數可調。（2）復壓過流。作為發電機后備保護的重要組成部分，作用于外部和相鄰元件相間短路的保護，I段動作于解列，發事故信號；II段動作于停機，發事故信號[4]。動作電流整定范圍為0.5～100 A，誤差不超過±2.5%；動作延時整定范圍為0.1～99 s；低電壓整定范圍為10～100 V，誤差不超過±2.5%；負序電壓整定范圍為10～100 V，誤差不超過±2.5%；出口方式可配置。（3）負序過流。當發電機出現不對稱過負荷、外部不對稱短路、非全相運行時，將觸發負序過電流保護。動作電流整定范圍為0.5～100 A，誤差不超過±2.5%；動作延時整定范圍為0.1～99 s；固有延時≤70 ms（1.2倍定值）；出口方式可配置。（4）失磁保護。作為發電機勵磁發生故障，出現電流異常下降、電流完全消失時的失磁保護，由靜穩邊界阻抗元件、閉鎖元件、母線低電壓元件3部分組成。固有延時≤70 ms；阻抗定值誤差≤5%；出口方式可配置。（5）轉子一點接地告警、兩點接地保護。一點接地保護主要動作于發預告信號，正常運行時，發電機轉子繞組對地絕緣，勵磁系統對地絕緣，當以上兩處發生一點接地時，并不能夠形成電流通路，對發電機不會有直接危害。但若不及時處理，轉子回路對地電壓增大則有可能導致轉子兩點接地，危及發電機和系統安全。（6）定子接地保護（基波零壓、基波零流判據）。當定子線圈發生單相接地時，將觸發接地保護，動作于發預告信號。整定范圍為10～110 V；固有延時≤70 ms；3次諧波濾過比大于100%；定值誤差不超過±2.5%；出口方式可配置。（7）逆功率保護。動作區在90°～270°的誤差不小于3°；延時整定范圍為I段70 ms～40 s，II段100 ms～15 min；出口方式可配置。（8）過負荷保護。主要作用于發出報警信號，在發電機運行時所帶負荷超過額定負荷很長時間時動作。電流定值誤差≤5%；延時整定范圍為0.1～99 s；時間定值誤差≤20 ms；出口方式可配置。（9）過電壓保護。作為發電機定子線圈內產生異常過電壓時的保護，當機組發生甩負荷事故或者出現帶時限切除外部故障時容易觸發過電壓保護，主要作用于跳開發電機出口斷路器、跳滅磁開關、發出事故報警信號。動作電壓整定范圍為100～200 V；延時整定范圍為0.1～99 s；固有延時≤70 ms。（10）電壓互感器二次回路斷線保護。防止電壓互感器二次回路斷線可能引起保護裝置的誤動。動作于發預告信號，使連接線斷開的二次電壓回路閉鎖，使可能引起誤動作的保護不再動作。（11）差動回路斷線保護。防止電流互感器二次回路連接線斷開可能引起保護裝置的差動保護誤動。動作于發預告信號，并閉鎖差動保護。（12）故障錄波。記錄事故前后100個周波數據。

2.4 主變壓器保護功能配置及技術參數

2.4.1 主變壓器保護功能配置

柴河水庫電站主變壓器保護配置和發電機保護配置一樣，主要配置DMP320C1B差動保護單元和DMP321C1B后備保護單元兩部分。主要保護內容包括差動保護、瓦斯保護、溫度保護、差動速斷保護、故障錄波、間隙零序電流電壓保護、中性點零序電流保護、過負荷保護、壓力釋放保護、過流啟動風扇保護以及風扇故障保護等[5]。

2.4.2 主變壓器保護主要技術參數

（1）差動保護。當主變壓器繞組及其引出線發生了相間短路故障時，主用變壓器兩側的斷路器瞬時動作跳開，發出事故報警信號，聯動相應機組維持空載[6]。差動速斷時間≤50 ms（15倍額定電流）；二次諧波比例差動時間≤50 ms（2.0倍額定電流）；CT連接線斷開可以使差動保護出口閉鎖，也可以只發出報警信號；電流定值誤差＜5%；比例差動制動系數可調；二次諧波制動系數可調。（2）復壓過流。動作電流整定范圍為0.5～100 A，誤差不超過±2.5%；動作延時整定范圍為0.1～99 s；低電壓整定范圍為10～100 V，誤差不超過±2.5%；負序電壓整定范圍為10～100 V，誤差不超過±2.5%。（3）過負荷保護。主變壓器運行時所帶負荷超過額定負荷時的保護，動作于延時發預告信號。電流定值誤差≤5%；延時整定范圍為0.1～99 s；時間定值誤差≤20 ms；出口方式可配置。（4）過電壓保護。動作電壓整定范圍為100～200 V；延時整定范圍為0.1～99 s；固有延時≤70 ms。

3 微機保護屏柜設計

選用分布式單元機箱結構來完成保護設計，選用32位中央處理器（Central Processing Unit，CPU）及數據處理系統（Data Processing System，DPS）處理芯片的高性能保護裝置。保護屏布置緊湊，便于觀察、調試和檢修，機柜正面上部為保護單元，下部為壓板，機柜背面最上端為電源開關安裝層，上部為保護單元的端子，下部為壓板接線端子，最下端為接地銅排，兩側為豎排接線端子[7]。柜內強弱電端子分開布置，安裝單元在柜內上方頂部標注，試驗端子用于交流電流端子，各種端子之間采用隔板隔離開。盤柜的正面安裝控制開關和復歸按鈕。分布式單元機箱如圖2所示。

圖2 分布式單元機箱

4 結 論

柴河水庫電站繼電保護系統的優化設計將原有的電磁式繼電保護系統優化改造為數字式保護裝置的微機保護系統，使水庫電站繼電保護的可靠性、選擇性、靈敏性以及速動性大大提高，是水庫電站正常運行的有力保障，也已滿足了電站自動化水平要求，實現了“無人值班、少人值守”的運行目標。