大型水電站及高壓電網繼電器保護措施分析

國能大渡河大崗山發(fā)電有限公司 秦豪杰

現代化進程的加快，人們用電需求急劇增加，用電是保證社會穩(wěn)定發(fā)展的關鍵。從中國目前發(fā)展情況來看，供電存在一定的限制性，這幾年經濟水平持續(xù)增長，全國用電負荷將必然快速增長。

大型水電站具有一定的結構特點，整體性的容量指標更高，能夠滿足電站電力指標需求，為用電系統穩(wěn)定運行提供保障。在大型水電站中，涉及的控制系統比較多，其中微機保護控制系統具有重要作用，指標性能直接決定于廠內用電控制系統的工作穩(wěn)定性和電源安全性，從而影響到整個發(fā)電廠的正常工作，并最終對整個供電的穩(wěn)定性和安全性形成危害。所以，深入分析大中型水電站廠內用電系統及其維護方面的特點，并制定切實的保護措施，提升其定值管理水平，以確保廠內用電系統的安全可靠運行是一個迫切需要破解的重大課題。

因為電能分配與負荷中心分配的極不一致，在電力輸送過程中存在的不穩(wěn)定因素比較多，因而使得電力穩(wěn)定運輸的難度比較高。從發(fā)電廠將電力進行運輸并不是那么容易，而且是采用聯動輸送的方式、全國聯網，我國建成了一系列的互聯網工程。聯網工程的應用對于地區(qū)電力經濟效益的彌補有著較好的效果，使各地區(qū)電網均取得了不錯的經濟性和效益，但同時也導致發(fā)輸電走廊土地的日趨緊缺，同桿共架的多回線路是有效利用土地、減少供電工程投入、擴大電力輸電容量、增強供電可靠性的有效手段。

1 大型水電站廠用電系統及其繼電保護的特點

1.1 大型水電站廠用電系統特點分析

這幾年發(fā)展中，對于大型水電站的容量要求越來越高，機組容量也進一步擴大化，電力輸送產生的作用也很明顯。從現實角度來看，大型水電站具有一定的分化性，用電系統特點比較明顯。

整體的運行指標要高。針對于大型水電站來說，對于運行需求相對較高，要想實現穩(wěn)定運行標準，需要有一定數量的獨立電源。廠用電系統性能比較全面，供電穩(wěn)定對于整個系統運行有著重要影響，如果供電出現不穩(wěn)定的情況，比如電力短路等，會使得電機運行效率降低、廠區(qū)供電停止。針對于這種情況，需要確保廠用電系統整體指標的穩(wěn)定性。

多級分化電壓等級。大型水電站的建設位置具有一定的特殊性，選址一般在靠近水源流動充足的地方，且水電站涉及的機械設備較多，選址附近區(qū)域的機械設備也多，要想確保機械設備的穩(wěn)定運行，需要有專用變壓器。一般采用l0kV 或6kV 的供電系統；此外，由于水輪風力發(fā)電裝置等輔助設備所用的發(fā)電機容量較小，從低壓側的角度來看，設置不同的用電壓力等級，分化動力和照明的壓力指標，采用三相四線系統進行供電。有些大型水電站結構比較分化、供電要求更高，需要銜接多個外部電源，做好接線處理工作，同時確定電壓等級指標。

供電范圍更廣。從大型水電站的運行情況來看，電機運行過程中產生的負荷指標是最高的，受場地線路規(guī)劃影響，大容量的電機各項指標都是不能隨意變動的，也極大程度上延長了水電站供電距離。很多大型水電站保持一定的獨立性，與周邊廠房和建筑的距離相對比較遠，進一步增加了供電范圍。

供電負荷大。大型水電站與中小型水電站相比，對電機的運行指標要求更高，整體的容量也更大，大型水電站的結構特點更為突出，具有一定的規(guī)模性特點，在建設過程中需要考慮各個方面的影響因素，因為涉及的操作環(huán)節(jié)比較多，所以施工周期相對較長，對于已經投入運行的電力設備要考慮設備運行負荷，因為兼顧了其他指標，使得系統供電負荷明顯提升。

廠內用電控制系統智能化程度要求較高。大中型水電站多通過電腦監(jiān)控對電廠內、外部的主要設備實現監(jiān)測與管理，電廠的操作智能化水平最高，在電力系統管理過程中要注意的地方也更多。

1.2 現代大型水電站廠用電系統接線

水電站建設規(guī)劃要考慮的指標比較多，最為重要的就是用電荷載，還有系統的接線順序、安全直接關系著整個發(fā)電廠的安全與平穩(wěn)運轉。因此通常水電站廠用電系統接線采用的接線方式具有限制性。不同規(guī)模大小的水電站接線方式不同，對于中下規(guī)模的水電站廠用電系統節(jié)點，將母線分化為兩個部分，通過變壓器對母線進行供電。

對于大型規(guī)模的水電站，對于母線節(jié)段的調控主要是根據發(fā)電機組臺數而定，母線都是有專門的變壓器供電，有專門的交流變壓器運行。發(fā)電廠與主變壓器之間多采取雙單元接地方法，廠用工作電源由主變壓器的低壓側引接，而風力發(fā)電設備出口則裝有出口剩余電壓斷路器，可確保在機組工作停止的情形下，能直接從系統中引接廠用工作電源，有效增加了廠內用電系統的電源安全性[1]。

從整體結構來看，大型水電站廠用電系統運行標準要求要高，確保供電的可持續(xù)性，需要做好整體性的規(guī)劃工作，對結構進行優(yōu)化改進，重點是對系統的保護。

2 廠用電系統繼電保護

大型水電站廠用電系統具有一定的結構特點，結構延伸比較復雜，整體的配置比較多，增加了保護的難度。這里結合三峽右岸電廠廠用電保護整定實例，對大型水電站廠用系統保護存在的問題進行詳細的分析。

在廠用電力系統維護整定技術發(fā)展過程中，目前存在的主要問題包括：由于線路額定重量載荷與標稱差值較大，給定時限過的電流密度維護整定技術中，導致啟動的時候存在一定的偏差。廠用電系統具有一定的規(guī)模性，供電電源方式并不固定的、可以靈活調整，引接方式差異比較明顯，容易使得系統操作偏差比較大，保護靈敏度指標受到影響無法達到標準狀態(tài)，不利于保護配合。電弧光保護器對于線路的保護具有限制性、不能單獨保護，需要銜接另外的線路進行并流保護，要考慮的因素比較多，比如變壓器保護影響。

水力發(fā)電廠計算負荷的決定和許多因素相關，很多指標對于發(fā)電負荷有著較大的影響，需要做好整體性的規(guī)劃工作，包括裝機容量、型號規(guī)格、運行方式、檢修周期等，以及電廠用負荷的特性、規(guī)模大小和布置情況，決定了電廠用變壓器容量的選擇。為了確保變壓器容量能夠滿足后期運行需求，在負荷計算時測試的指標會比較偏大，從而造成了負荷計算理論值常超過了實際的最大負載運行數值，導致變壓器運行出現不穩(wěn)定波動的情況，整體能耗增加，造成不必要的經濟損失。

對于定時限過電壓保護最大荷載電流選擇進行合理的規(guī)劃，要有一定的選定原則，貼合標準運行需求。在具體選擇過程中，需要先計算出母線串聯負荷的總和，對指標進行綜合性分析，出線負荷指標大于了母線變壓器額定容量的話，這里就以額定容量為主，取最大荷載值。但是從現實情況來看，有些線路負載指標過大，容易造成較大偏差影響或自啟動系數選取方法不合理等，很易形成在規(guī)定時段內過電保定值遠大于規(guī)定限時過電流速斷保定值的"倒掛"現象，“倒掛”現象也不能很好的滿足繼電系統保護要求，整體規(guī)范性受到影響，也無法滿足廠用配電價格系統的實際工作情況。

面對如此“倒掛”的現狀，一般可選擇以下處理方法：首先就是針對于限時電流量切斷保護器整定值靈敏度變化很大情況下，需要對保護指標進行一定的規(guī)劃，在保證合理運行的基礎上，適當提升指標范圍，同時在時間范圍內采用過電保護器進行定值，將其作為限流切斷保護器的定值標準，能夠很好的規(guī)避母線和變壓器空充電流的情況；如果采用上述方法不能很好的契合保護器靈敏度標準，可以降低電流保護器的整定值，直觀體現在自啟動系統的降低方面。

3 特高壓電網線路的繼電保護措施

3.1 差動保護

特高壓電力線路中的繼電保護系統，是最根本、最高基礎上的繼電保護系統措施，其差流保護也是現代繼電保護系統的典型代表，其也可運用在特高壓電力線路保護的眾多項目中。差動保護器的工作效率比較高，體現了繼電保護系統在特高壓電力線路中的實際需求，并針對繼電保護系統的特性，根據繼電保護的特點，分析了差流保護器的具體運用。

差流保護的主要工作模式是Marti，模擬了差流保護的工作方式與環(huán)境條件，使差流保護的工作措施更加符合對于特高壓電力線路的保護需要。差流保護的基本原理是：第一步，通過差流保護器在特高壓電力線路的二端，同時獲取了壓力值與電流值，當完成了采樣處理以后，就得到了不算時刻的采樣值；然后運用相模轉換的方法，把選擇前六個節(jié)點的資料由模擬分量轉化為不存在相互耦合特性的資料分量；最后再運用零點五周傅氏算法，把濾波掉的輸出電流濾波得到基波矢量，從而算出實際數據值，并判定在差流保護的區(qū)域內有無潛在特高壓供電線路故障。

3.2 電容電流補償

特高壓電力線路中，因為存在著大量的同桿或雙導線結構，因此電力線路之間也產生了大量電容器，直接影響著繼電保護系統的效能[2]。因此電力企業(yè)就在同桿或雙導線結構中，提供了電容電流補償的辦法，以輔助公司提高繼電保護系統的水平。由于在雙導線所組成的電力線路中存在著靜電耦合的影響，因此，常把電容電流補償技術運用在差動保護中，并作為各種檢測故障的重要依據。也因為電容電流補償的穩(wěn)定性非常強，它能夠在采樣點中依次完成正微分計算，補償穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)的電容。

以我國某地方的特高壓配電線路為例分析同桿或雙導線中的電容電流補償應用：該供電線路中，以彈性模量為電容電流的主要補償對象，使用EMTP 仿真軟件，檢驗電容電流補償的實效性，該配電線路中，以彈性模量作為對電容電流的主要補償對象，使用EMTP 仿真軟件檢驗電容電流補償的實效性，當補償方式的滿時域、半補償情況發(fā)生時，已經能夠合理的調節(jié)補償暫態(tài)量，并積極保護差流防護的有效性，即使是在高采樣頻率下，也沒有產生特殊的輸出電壓保護條件。由此可見電容電流補償的有效性非常強，已經完成了對特高壓配電線路的有效防護，并積極維護配電線路的有效防護狀態(tài)。

3.3 繼電保護方案改進

某特高壓供電線路運營中，盡管實施了繼電保護方案，但仍然存在著畸變校正問題，通過分析該電網的零序網，發(fā)現了大量的儲能元素，因此具有產生畸變校正問題的可能性，成為供電線路畸變校正問題的主要因素[3]。

該特高壓供電線路中確定了畸變因素后，為完善繼電保護系統的方法，以畸變校正中的諧波影響為重點研究對象，對繼電保護系統提出了一些完善意見，具體分析如：充分考慮對零序電量的保護影響，引入了節(jié)點電壓法，優(yōu)化了繼電保護系統的方法，從而抑制了畸變校正問題的產生；通過提高在零序電壓網絡中的元器件、尤其是啟動元器件，可以一方面改善特高壓供電線路對繼電保護的靈敏度，另一方面減少對元器件的影響機率；研究繼電保護系統改善方法中的模擬實驗，尋找它和特高壓供電線路實際工作的區(qū)別，進行繼電保護系統的改善工作，雖然模擬實驗很大程度的進行模擬作業(yè)，但是不可避免的會出現區(qū)別，而差別對繼電保護系統的影響很大，也是繼電保護方案改進中的重點內容。

4 結語

高壓電網的保護是能源經濟發(fā)展的重要組成部分。我國經濟水平不斷提升，對能源的需求也日益增長，電能需求非常高。基于這種現實背景下，我國進一步加大了對高壓電網的研究力度，旨在更好地推動電網穩(wěn)定運行，滿足人們日常供電需求。高壓電網保護技術具有一定的綜合性，能夠使能源系統功能得到充分的體現，還比較契合時代發(fā)展需求。科學技術的進一步發(fā)展，為電網保護提供了更多的可能性，比如神經網絡和衛(wèi)星定位系統的應用，對電網的保護效果明顯，也推動了高壓電網繼電保護向著智能化和信息化的方向進行延伸發(fā)展。