水電站繼電保護裝置改造綜述

鄧 叢 林

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 前 言

二十一世紀初投產的大量水電站已陸續進入了二次設備改造階段,繼電保護裝置改造是其中很重要的部分,事關電廠的安全穩定運行。微機保護裝置在使用12年后即可安排更換改造,對于運行不穩定、工作環境惡劣的微機保護裝置可根據運行情況適當縮短使用年限,提前進行改造[1]。

近幾年,先后完成了二灘水電站、官地水電站、白水江流域電站、沙灣水電站、銅鐘水電站、南新水電站等水電站繼電保護裝置改造工程,筆者就水電站繼電保護裝置改造工程中涉及到的一些問題,以及應遵循的原則和注意事項進行闡述,供類似工程參考。

1 繼電保護裝置改造的必要性

繼電保護裝置在經過多年運行以后,會因為各種原因不能滿足當前的安全穩定運行要求而進行更換改造,歸納起來主要有以下幾個方面:

(1)保護裝置可靠性降低,設備元件各項性能指標下降,誤動、拒動的情況時有發生;

(2)保護裝置型號停產,備品備件采購困難;

(3)保護裝置出現家族性缺陷,保護功能缺陷,保護功能不完備;

(4)保護裝置不滿足最新的規程規范和相關管理文件的要求,比如不滿足最新的反措要求,不滿足“九統一”等調度管理文件要求;

(5)不滿足智能化的需求,組網和數據通信能力不足。

2 繼電保護裝置改造原則

確立正確的改造原則是繼電保護裝置改造成功的關鍵,通過對多個成功實施的工程項目的總結,繼電保護裝置更新改造的一些基本原則主要包括以下幾個方面:

(1)繼電保護裝置要滿足 “四性”要求。改造后的保護裝置要滿足保護的“可靠性”“選擇性”“靈敏性”和“速動性”要求。這里的“四性”要求包括保護裝置硬件、軟件和設定定值,是對保護裝置整體性能的要求。

(2)滿足最新的規程規范和相關管理文件要求。繼電保護裝置改造的功能配置、相關二次接線、組柜方式、屏柜命名方式等,要滿足最新的規程規范和相關管理文件要求,如滿足《繼電保護和安全自動裝置技術規程》GB/T 14285-2006、《變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范》Q/GDW 1175-2013、《線路保護及輔助裝置標準化設計規范》Q/GDW 1161-2014和反措的要求。

(3)繼電保護配置要完善和優化。除了滿足最新規程規范和相關管理文件的要求,還需根據具體主接線情況和運行需求進行保護功能配置的完善和優化,比如擴大單元接線的機組注入式定子接地保護為了防止相互干擾,只能投單臺機組或不投注入式定子接地保護。那么沒有投注入式定子接地保護的機組就采用雙套基波零序加三次諧波原理。

(4)繼電保護裝置技術成熟、先進。改造后的保護裝置應具有成熟的技術和高可靠性,滿足入網許可;保護裝置采用最新技術,具有前瞻性,具有組網和數據通訊的能力,保護應具備3個或以上以太網通信口,同時具備網絡103和IEC 61850通信協議。

(5)繼電保護裝置改造要兼顧經濟性。在保證保護裝置各項技術指標最優的前提下,盡可能降低更新成本,即達到最佳性價比。

改造原則的確立,為繼電保護裝置改造取得良好效果提供了保障,這些原則貫穿整個改造工程。

3 繼電保護裝置選型原則

繼電保護裝置選型除了滿足上述基本的改造原則,還要考慮某些因素并遵循部分基本選型原則。

(1) 選用經電力行業認可的檢測機構檢測合格的保護裝置。

(2) 為防止裝置家族性缺陷可能導致的雙重化配置的兩套繼電保護裝置同時拒動的問題,雙重化配置的線路、變壓器、母線、高壓電抗器等保護裝置應采用不同生產廠家的產品。

(3) 同一類設備的保護裝置型號應盡量統一,保護裝置型號不宜過多,以利于設備維護和安全運行,也便于綜合管理。

(4) 為了便于后期售后服務,保護裝置宜選用國產化品牌;隨著技術的成熟,可逐步選用自主可控產品[2]。

(5) 保護裝置不宜與故障錄波裝置同屬一個廠家。

4 繼電保護裝置改造工程

4.1 參建方及負責事項

繼電保護裝置改造工程涉及到的參建方主要包括:電廠、設計單位、設備生產供貨廠家、施工單位、技術監督單位,以及調度管理部門。

電廠是繼電保護裝置改造工程的立項單位,統籌協調其余各參建方,編制改造工程項目執行計劃,負責整個改造工程的進度、質量、安全和成本管控,負責合同采購和付款,組織竣工驗收等。

設計單位主要負責改造工程的可行性方案報告、招標文件和技施圖編制,參與相關審查會、設聯會等技術討論會和竣工驗收,完成設代服務,提供通信點表、通信方式申請單和報批資料等。

設備生產供貨廠家主要負責設備采購投標,參與設聯會,提供設備生產圖,完成設備現場交貨,指導施工單位完成現場接線和調試,參與竣工驗收等。

施工單位主要負責設備現場安裝、接線和相關調試,負責施工計劃、施工方案編制,負責現場施工組織和施工安全管理,負責與調度系統的聯調,參與竣工驗收并提供竣工圖等。

技術監督單位主要負責整個工程各環節的技術監督,參與技術討論會,對接調度單位需求并完成資料報批,審查設備生產圖和設計單位技施圖,組織繼電保護專項檢查,參與竣工驗收等。

調度管理部門負責項目審查和立項批復,參與可行性方案審查、設聯會等技術討論會,審核繼電保護配置圖、發變組繼電保護裝置定值單,批復通信方式申請,完成調度端通信擴容,批復改造停電申請等。

上述參建方是基于工作任務角色進行定義的,具體工程實施時,其中的兩項或多項工作可合并由一個單位負責完成,比如采用EPC或PC模式。有些工程項目也沒有專門的施工單位和技術監督單位,設備的安裝及接線、現場施工管理和部分技術監督工作由電廠自行負責,而調試工作和繼電保護專項檢查就由設計單位、設備供貨廠家配合調試所完成。根據規定,發變組繼電保護裝置定值的核算由電廠負責,或委托有能力的單位完成。系統側保護定值由調度管理部門負責提供[3]。

4.2 改造方式選擇

通常水電站繼電保護裝置改造有以下三種方式:

(1)裝置升級更換。將老舊裝置整體更換為同一廠家的全新裝置,原裝置的屏內配線基本保持不變。這種方式基本無改接線,操作簡單,工期短,但一般要求原保護裝置為主流廠家產品,且多采用單一來源采購新設備。

(2)掏屏改造。停電后將所有裝置及內部配線拆下,在盡可能不動外部電纜的情況下,重新按照外部電纜順序進行裝置配線。這種方式適用于現場舊屏柜拆除困難的場合,可以減少對周邊運行設備的干擾。

(3)整屏更換。停電后將老舊屏柜整體拆除,在盡可能不動外部電纜的情況下,重新按照外部電纜順序進行屏柜接線。這種方式相較于方式二可以縮短現場柜內配線的時間,整屏更換也比較美觀。

文獻對裝置升級更換和掏屏兩種改造方式進行了優缺點分析,并另行提出了一種基于原屏的配線轉接盒改造方案,可以有效縮短工期,降低改造成本[4]。

4.3 項目流程

繼電保護裝置改造工程實施流程一般包括以下幾個主要環節:電廠項目立項→設計招標→可行性方案編制及審查→設備采購招標、施工招標、技術監督招標→設聯會等技術討論會→設備供貨至現場→設備安裝及接線→設備調試→繼電保護專項檢查→試運行→竣工驗收。

在這諸多流程中,涉及到幾個重要問題,下面專門進行闡述:

(1)關于工期安排的問題。繼電保護裝置改造工程一般涉及到發變組和送出線路,相關保護裝置改造更換時,出于安全和避免影響其他設備正常運行的考慮,相應的一次設備一般都會處于停電狀態,這一定程度上影響了電廠的發電收益,因此,在做繼電保護裝置改造時,要提前規劃安排好各個環節,盡量縮短工期,減少發電損失。通?？梢詮囊韵聨讉€方面考慮工期安排:

①按年、季、月和周制定嚴密的項目執行計劃, 確定節點目標,同時預留好裕度。

②充分利用一次設備年檢預試的時間安排施工,減少其他停電時間。

③充分利用枯水期改造,枯水期機組一般不能全發或滿發,可以借機對處于停機狀態或低負荷運行的機組進行保護裝置改造。

④優化施工工序,做好同步施工規劃,比如改造主變保護裝置時,可同步改造同一發電單元的機組保護裝置。

⑤采用輪換改造的方式,盡量不影響電廠發電。比如當電廠有兩回送出線路時,可以輪流改造線路保護裝置,避免同時改造引起全廠停電;有兩臺主變的,也可以輪流更換主變保護裝置。

文獻對工程進度滯后的原因做了分析,提出了項目進度管控的一些方法[5],可以參考。

(2)關于招標方案的問題。繼電保護裝置改造工程根據各參建方工作分工,一般可分為設計標、設備采購標、施工標和技術監督標等。有些改造工程把設備采購和施工合成一個標;有些改造工程由于項目規模較小或者電廠人力資源充足,沒有單獨設置施工標和技術監督標,但總的來看,設計標和設備采購標都是必須的。

設計標較簡單純粹,主要是完成設計、咨詢和現場設代服務工作,而設備采購標有兩個問題需要注意:

①根據反措要求,雙重化配置的保護裝置應采用不同廠家的產品。因此投標廠家需要就另一套保護裝置進行外購;或者電廠招標時設A、B兩個標段。A標段包括雙重化的A套保護裝置以及其他單套配置的設備,B標段僅包括雙重化的B套保護裝置,同一廠家投標時對A、B兩個標段均進行投標報價,但中標A標段的廠家不再中標B標段。

②根據川電調控〔2016〕84號文附錄A的規定,雙重化配置的兩套保護裝置命名編號應遵循相關要求,比如南瑞繼保主變保護裝置命名為1號保護,許繼電氣主變保護裝置命名為2號保護。當改造采購的保護裝置命名與現場實際布置不一致時會引起接線上的困難,比如改造前1號主變保護柜含非電量裝置由國電南自供貨,但是改造后,根據命名規則,1號主變保護柜由南瑞繼保供貨,2號主變保護柜含非電量裝置由許繼電氣供貨。由于繼電保護裝置改造工程一般不涉及外部電纜更換,這就造成了改造前的非電量保護裝置外部接線電纜無法滿足改造后的非電量保護裝置的接線需求。解決這個問題一般有兩種方式:第一種就是重新敷設非電量保護裝置的外部接線電纜;第二種就是在采購招標時,每套主變保護柜內均含一臺非電量保護裝置,待合同談判時,根據招評標結果和命名規則,核減其中一臺非電量保護裝置,使之適應現場的外部電纜接線情況。

(3)關于施工的問題。繼電保護裝置改造工程中施工是其中重要的一個環節,對改造的工期、安全影響極大,需要招標有經驗和實力的施工單位。電廠在做施工招標時,需要求施工承包單位必須具備一定的施工資質且具有成功的繼電保護裝置施工業績。施工單位在改造過程中應編制施工計劃和 “五措一案”,嚴格執行施工組織措施、施工技術措施、施工安全措施、環境保護措施、疫情防控措施和施工方案中的相關規定,如期高質量完成施工任務[6]。如果施工招標合并到設備采購招標中,通常施工任務由A套保護裝置供貨廠家統一承包負責,此時一定要明確施工范圍,尤其是與B套保護裝置供貨廠家之間的工作邊界。

(4)關于調試的問題。繼電保護裝置改造工程的調試既包括對新更換的保護裝置的單體和聯動調試,還包括與之相關的對側系統的調試,如計算機監控系統、故障錄波裝置、繼電保護及故障信息管理子站、時間對時系統和電源系統等。

5 繼電保護裝置改造設計

要改造的繼電保護裝置都比較老舊,功能配置已不滿足最新的規程規范和相關管理文件要求,繼電保護裝置改造時有幾個常見的設計問題要注意:

(1)校核保護CT、PT。

①根據最新的負荷容量、電網系統短路電流水平,校核保護CT變比和飽和特性是否滿足規范的相關要求[7]。

②雙重化配置的保護裝置是否有獨立的CT、PT二次繞組。

③母線保護用CT二次繞組要專用,即用于母線保護的CT繞組不能再串接其他保護裝置[8]。

(2)保護功能配置。為了防止相互干擾,雙套配置的發電機轉子接地保護需要切換大軸,一般需要設置大軸切換開關。為了防止相互干擾,擴大單元接線的兩臺機組不能同時投入注入式定子接地保護。主變保護裝置需具有倒送電保護和高壓側斷路器失靈聯跳功能。

220 kV及以上電壓等級的母線保護應雙重化配置,每套母線保護含母線差動和失靈保護功能,接入母線的斷路器失靈保護功能由母線保護實現;母聯(分斷)斷路器應配置獨立于母線保護的充電過流保護裝置,與操作箱合并獨立組柜。

220 kV及以上電壓等級的線路,每套線路保護裝置的光纖通道應采用雙通道,保護裝置具有A/B口,雙重化配置的線路保護裝置通信通道采用三路由。

斷路器操作機構帶有本體防跳的要改造使用本體防跳,采用本體防跳時,跳位監視回路中需串接斷路器常閉和防跳繼電器常閉接點。斷路器操作機構帶有三相不一致回路的要改造啟用本體三相不一致保護功能,其中四川電力公司所轄線路保護還應具有三相不一致保護功能。

6 結 語

筆者闡述了對水電站繼電保護裝置改造的總體認識,對改造的必要性、改造原則、保護裝置選型原則、改造方式、工期安排、招標方案規劃、施工調試和改造設計進行了仔細分析和探討,提出了相關建議,希望這些經驗和想法能給類似水電站繼電保護裝置改造工程提供參考。