何其偉，潘仁秋，戴建民，陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

我國幅員遼闊，江河眾多，蘊(yùn)藏著豐富的水力資源，這為大規(guī)模水電開發(fā)奠定了天然的基礎(chǔ)條件。隨著長江流域、瀾滄江流域、金沙江流域等一批大型、特大型水電站相繼建成，我國水電開發(fā)正朝著大型、特大型水電機(jī)組方向發(fā)展；據(jù)統(tǒng)計，到2020年我國700 MW及以上容量水輪發(fā)電機(jī)的裝機(jī)數(shù)量將超150臺，白鶴灘、烏東德水電站等1 000 MW級水電機(jī)組也進(jìn)入規(guī)劃設(shè)計階段。特大型水電機(jī)組具有單位容量造價低、單位發(fā)電成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)組本身價值較高，非正常停機(jī)損失較大。這樣就對機(jī)組保護(hù)的靈敏度和可靠性提出了更高的要求。南瑞繼保公司RCS-985系列機(jī)組保護(hù)裝置已經(jīng)在龍灘水電站和小灣水電站700 MW機(jī)組上相繼投入運(yùn)行，積累了一定的工程設(shè)計和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。有必要對特大型水電機(jī)組的特點(diǎn)、典型保護(hù)配置方案以及實(shí)施過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)，為今后類似工程的設(shè)計和實(shí)施提供參考。

1 特大型水電機(jī)組保護(hù)配置方案

特大型水電機(jī)組的定子繞組每相分支數(shù)較多，且中性點(diǎn)有足夠的安裝空間，中性點(diǎn)引出方式靈活，可以配置完善的內(nèi)部故障主保護(hù)。通過“定量化分析計算”可以優(yōu)化設(shè)計發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)引出方式和主保護(hù)配置[1]。

下面以小灣700 MW水電機(jī)組為例，簡述特大型水電機(jī)組保護(hù)典型配置方案。

小灣水電站700 MW機(jī)組分支繞組分組和中性點(diǎn)引出方案為：每相8個分支繞組分成2組引出，即：1、3、5、7 奇數(shù)繞組為一組，2、4、6、8 偶數(shù)繞組為另一組，最終形成2個中性點(diǎn)分支，如圖1所示。發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的主保護(hù)配置發(fā)電機(jī)不完全差動保護(hù)I、發(fā)電機(jī)不完全差動保護(hù)II、發(fā)電機(jī)完全裂相橫差保護(hù)和發(fā)電機(jī)高靈敏單元件橫差保護(hù)。

小灣水電站機(jī)組保護(hù)功能配置如下。

（1）發(fā)電機(jī)、勵磁變電量保護(hù)功能配置

發(fā)電機(jī)不完全差動保護(hù)I(87G-A1)；發(fā)電機(jī)不完全差動保護(hù)II(87G-A2)；發(fā)電機(jī)單元件橫差保護(hù)(60G-A)；發(fā)電機(jī)裂相橫差保護(hù)(87GU-A)；帶記憶的低壓過流保護(hù) (51/27G-A)；注入式定子接地保護(hù)(64G-A)；基波零序電壓+三次諧波電壓型定子接地保護(hù) (64G-B)；注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)(64E-A)；失磁保護(hù) (40G-A)；定子過負(fù)荷保護(hù)(51G-A)；失步保護(hù) (78G-A)；定子過電壓保護(hù)(59G-A)；發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)(24G-A)；轉(zhuǎn)子表層負(fù)序過負(fù)荷保護(hù) (51GR-A)；發(fā)電機(jī)斷路器失靈保護(hù)(50GCB-A)；軸電流保護(hù)(38/51G-A)；勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)(51EL-A)；誤上電保護(hù)(81G-A)；勵磁變差動保護(hù)(87ET-A)；勵磁變過流保護(hù)(51ET-A)；勵磁變過負(fù)荷保護(hù)(51ETL-A)；電壓互感器斷線保護(hù)(95)；電流互感器斷線保護(hù)(96)。

（2）主變、廠變電量保護(hù)功能配置

主變差動保護(hù) (87T-A)；主變負(fù)序過流保護(hù)(51TR-A)；主變過負(fù)荷保護(hù)(51T-A)；主變過激磁保護(hù)(24T-A)；主變零序電流保護(hù)(51TN-A)；廠高變差動保護(hù)(87TS-A)；廠高變速斷保護(hù)(50TS-A)；廠高變過流保護(hù) (51TS-A)；廠高變過負(fù)荷保護(hù)(51TSR-A)；電壓互感器斷線保護(hù)(95)；電流互感器斷線保護(hù)(96)；主變18 kV側(cè)單相接地。

（3）主變、廠變非電量保護(hù)功能配置

重瓦斯（80TH）；

輕瓦斯（80TL）；

壓力釋放(63T)；

油位高低(71T)；

溫升(49T)；

冷卻系統(tǒng)故障(54T)；

其他。

2 典型工程的保護(hù)組屏方案

小灣水電站的工程設(shè)計綜合考慮了發(fā)電機(jī)機(jī)房與500 kV氣體絕緣開關(guān)柜（GIS）樓的二次屏柜布置，最終確定了如下組屏方案。

（1）發(fā)電機(jī)、變壓器電氣量保護(hù)雙重化配置，分別安裝在A、B柜上，除定子接地保護(hù)外，裝于A柜上的保護(hù)與裝于B柜上的保護(hù)完全相同；C柜為非電量保護(hù)和注入式定子接地輔助電源。

雙重化的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用單裝置安裝在勵磁系統(tǒng)的滅磁柜中。

（2）在每條500 kV電力電纜的始端(地下廠房內(nèi))和終端(地面500 kV GIS樓)各設(shè)置一面保護(hù)屏，每面屏上裝設(shè)2套光纖差動保護(hù)裝置。地下廠房內(nèi)的500 kV電力電纜保護(hù)柜與發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)的A、B、C柜布置在一起，地面500 kV GIS樓的500 kV電力電纜保護(hù)柜布置在500 kV GIS樓的保護(hù)盤室內(nèi)。

3 特大型水電機(jī)組保護(hù)設(shè)計原則

（1）按“無人值班”（少人值守）原則設(shè)計；

（2）按 GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》、國家電力公司頒發(fā)國電發(fā)[2002]589號的 《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》及國電調(diào)[2002]138號《“防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求”繼電保護(hù)實(shí)施細(xì)則》等規(guī)程與“反措”要求為發(fā)變組單元設(shè)備配置保護(hù)；

（3）在工程設(shè)計時綜合考慮繼電保護(hù)裝置的快速性、可靠性、靈敏性和選擇性要求；

（4）按“雙重化”原則為發(fā)電機(jī)、主變壓器和500 kV高壓電纜各配置兩套獨(dú)立的電氣量保護(hù)；

（5）2套電氣量保護(hù)裝置的電源、TA、TV均各自獨(dú)立，同一套電氣量保護(hù)的主保護(hù)和后備保護(hù)共用一組TA，2套完整的電氣量保護(hù)的跳閘出口分別作用于相關(guān)斷路器的2個跳閘線圈；

（6）主變壓器的非電量保護(hù)的跳閘出口同時作用于相關(guān)斷路器的2個跳閘線圈。

4 特大型水電機(jī)組幾個保護(hù)配置問題的探討

4.1 定子接地保護(hù)

特大型水電機(jī)組的定子繞組單相對地電容與常規(guī)火電機(jī)組、低容量水電機(jī)組相比要大得多。如廣西龍灘水電廠700 MW機(jī)組定子繞組單相對地電容為3.6 μF/相，定子繞組單相接地故障造成的危害更為嚴(yán)重，而三次諧波電壓型定子接地保護(hù)的靈敏度卻因電容增大而相對降低，對機(jī)組安全運(yùn)行不利。對于特大型水電機(jī)組，三次諧波電壓型定子接地保護(hù)已難以滿足保護(hù)靈敏度的要求。

為更好地保障特大型水電機(jī)組安全運(yùn)行，要求采用靈敏度更高的定子接地保護(hù)原理，配置更加完善的100%定子接地保護(hù)方案，即在發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)A柜配置低頻20 Hz交流注入式定子接地保護(hù)，在B柜配置由機(jī)端零序電壓加中性點(diǎn)三次諧波電壓共同構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)。

以小灣水電站為例，注入式定子接地保護(hù)示意圖如圖2所示[2]。

A套保護(hù)采用注入式定子接地保護(hù)，電壓可以直接取二次負(fù)載電阻的抽取100 V電壓，也可以直接取二次負(fù)載電阻兩端電壓，輔助電源裝置內(nèi)部經(jīng)過分壓電阻得到100 V電壓。

B套保護(hù)采用基波零序電壓+三次諧波電壓型定子接地保護(hù)，電壓取中性點(diǎn)接地變壓器二次抽取100 V電壓。

雙重化的2套不同原理的定子接地保護(hù)裝置所取不同的電壓，保證了裝置的可靠性。

中間變流器為穿心式電流互感器?，F(xiàn)場安裝時，用支架直接將中間TA固定在穿心的銅排上。中間變流器選擇時，應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)、接地變壓器、負(fù)載電阻的參數(shù)設(shè)計其電流變比。

對中間變流器的性能要求：(1)中間變流器二次電流應(yīng)與保護(hù)裝置的電流輸入接口相配合；(2)中間變流器的測量精度應(yīng)滿足一定的要求；(3)一次側(cè)流過最大工頻電流時，中間變流器不應(yīng)飽和。

需要注意的是，當(dāng)發(fā)電機(jī)組采用注入式定子接地保護(hù)時，應(yīng)適當(dāng)提高中性點(diǎn)接地變壓器低壓側(cè)額定電壓，使得二次負(fù)載電阻值達(dá)到或超過1 Ω，以便一次設(shè)備與注入式定子接地保護(hù)實(shí)現(xiàn)良好地配合，獲得更為優(yōu)越的保護(hù)靈敏度。

4.2 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

特大型發(fā)電機(jī)要求在發(fā)電機(jī)靜止未加勵磁電壓的情況下仍能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣監(jiān)測，因此宜采用注入式原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。

小灣水電站轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用雙重化的2套單裝置，安裝在發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的滅磁柜中，避免了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的對外引出，減小了轉(zhuǎn)子繞組主回路發(fā)生故障的機(jī)率，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性；2套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)共用一個切換開關(guān)，該切換開關(guān)設(shè)置有3個位置：A套／B套／停用，通過切換開關(guān)操作保證任何時候都只能有一套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置投入工作低頻信號發(fā)生器安裝在發(fā)電機(jī)勵磁柜中，避免了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的對外引出，減小了轉(zhuǎn)子繞組主回路發(fā)生故障的機(jī)率，提高了發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

雙套配置的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，宜采用不同原理，一種采用乒乓原理，一種采用注入式原理，2種不同原理之間可以相互驗(yàn)證，正常運(yùn)行時只投入其中一套，當(dāng)投入運(yùn)行的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作報警時，可切換到另一套保護(hù)，驗(yàn)證第一套保護(hù)的動作行為，提高絕緣檢測的可信度[3]。

4.3 失磁保護(hù)轉(zhuǎn)子電壓引入方式

失磁保護(hù)轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)需要引入轉(zhuǎn)子電壓，但轉(zhuǎn)子繞組在電氣上涉及的環(huán)節(jié)多，發(fā)生一點(diǎn)接地故障的可能性較大，特大型水電機(jī)組的勵磁電壓偏高，直接引入轉(zhuǎn)子電壓進(jìn)入保護(hù)裝置，存在轉(zhuǎn)子過電壓破壞保護(hù)裝置的隱患，電纜的選型也比較困難。

此外，GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》第6.1.2款要求“二次回路的工作電壓不宜超過250 V，最高不應(yīng)超過500 V”。

因此，特大型水電機(jī)組的失磁保護(hù)可通過其保護(hù)原理及定值整定優(yōu)化而取消 “轉(zhuǎn)子電壓低判據(jù)”，或者轉(zhuǎn)子電壓通過其他方式再進(jìn)入保護(hù)裝置。若失磁保護(hù)需采用“轉(zhuǎn)子電壓低判據(jù)”，建議采用以下2種方式引入轉(zhuǎn)子電壓：

（1）經(jīng)4～20 mA變送器傳變后輸入保護(hù)裝置：變送器可以起到隔離的作用，且電纜選擇要求較低，這是該方式的優(yōu)點(diǎn)，但需考慮變送器的轉(zhuǎn)換時滯問題。建議設(shè)計單位在勵磁系統(tǒng)中考慮增設(shè)變送器實(shí)現(xiàn)供給機(jī)組保護(hù)兩路獨(dú)立的4～20 mA信號輸出。

（2）經(jīng)分壓器降壓后輸入保護(hù)裝置：分壓器的變比一般設(shè)計為10∶1或15∶1，分壓器內(nèi)阻值不宜太小，但要求比故障錄波器和保護(hù)裝置采樣內(nèi)阻要低一個數(shù)量級，否則會影響測量精度，且建議分壓器有多個抽頭，2套機(jī)組保護(hù)和故障錄波器的轉(zhuǎn)子電壓分別取自不同的抽頭，相對獨(dú)立。該方案的缺點(diǎn)在于勵磁電壓單極對地電壓并未顯著減小。

目前，上述2組方式在現(xiàn)場均已得到應(yīng)用。

4.4 保護(hù)信號傳輸通道

（1）每條500 kV電力電纜的2套光纖差動保護(hù)采用獨(dú)立的2根專用光纜傳輸信號，實(shí)現(xiàn)保護(hù)信號傳輸通道的完全冗余，提高保護(hù)的可靠性。

（2）發(fā)變組保護(hù)出口跳500 kV斷路器的信號，首先接入布置在機(jī)旁的500 kV電纜光纖差動保護(hù)裝置的遠(yuǎn)跳通道，經(jīng)光信號傳輸后，由布置在地面500 kV GIS樓的500 kV電纜光纖差動保護(hù)裝置接收并輸出跳閘接點(diǎn)到相應(yīng)的500 kV GIS斷路器跳閘線圈回路。光纖差動保護(hù)裝置具備多個光電傳輸通道，可以分別接入發(fā)變組電量保護(hù)動作、非電量保護(hù)動作接點(diǎn)，以區(qū)分是否啟動斷路器失靈保護(hù)。

同理：500 kV GIS斷路器失靈保護(hù)、母線保護(hù)動作等系統(tǒng)保護(hù)跳發(fā)電機(jī)斷路器的信號也接入布置在500 kV GIS的光纖差動保護(hù)裝置的遠(yuǎn)跳通道，經(jīng)光信號傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)機(jī)旁，如圖3所示。

本方案的主要優(yōu)點(diǎn)：由于發(fā)變組保護(hù)和500 kV GIS分布距離較遠(yuǎn)，通過光纖通道傳輸跳閘接點(diǎn)，回路得到了優(yōu)化、接線簡單、節(jié)省了電纜，避免了跳閘接點(diǎn)經(jīng)過電纜長距離傳輸?shù)母鞣N干擾，保證了保護(hù)裝置的可靠性，減少了誤動。

此方案在龍灘水電站、小灣水電站、構(gòu)皮灘水電站等特大型機(jī)組保護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。

圖3 保護(hù)信號傳輸示意

5 結(jié)束語

（1）對反應(yīng)發(fā)變組的各種內(nèi)部故障及異常運(yùn)行的保護(hù)均采用“雙重化”配置。

（2）為加強(qiáng)內(nèi)部故障時保護(hù)裝置的靈敏度，在發(fā)電機(jī)一次TA具備條件時，配置多套發(fā)電機(jī)不完全差動保護(hù)、發(fā)電機(jī)完全裂相橫差保護(hù)以及發(fā)電機(jī)高靈敏單元件橫差保護(hù)，強(qiáng)化主保護(hù)配置。

（3）與保護(hù)配合相關(guān)回路（包括光纖通道）按“雙重化”配置，且“雙重化”配置的保護(hù)裝置及其相關(guān)回路應(yīng)完全獨(dú)立。

（4）發(fā)電機(jī)定子接地、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)按“雙重化”配置，且兩套保護(hù)原理不同，其中一套采用注入式原理，以滿足未加勵磁或靜止?fàn)顟B(tài)下對定子、轉(zhuǎn)子的絕緣監(jiān)測功能要求。

（5）轉(zhuǎn)子接地保護(hù)宜采用單裝置，就地安裝在勵磁系統(tǒng)室，失磁保護(hù)用轉(zhuǎn)子電壓宜經(jīng)變送器隔離傳變或經(jīng)分壓器降壓后接入發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置。

隨著一批特大型水電站的建設(shè)發(fā)展，水電機(jī)組的單機(jī)最大容量也不斷刷新。這就需要我們充分了解特大型水電機(jī)組的工藝結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)及其運(yùn)行技術(shù)特點(diǎn)，通過不斷總結(jié)工程設(shè)計和機(jī)組運(yùn)行過程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為特大型水電機(jī)組配置更為科學(xué)、更為完善、更為可靠的機(jī)組保護(hù)，以確保機(jī)組及電網(wǎng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]王維儉，王祥珩.大型發(fā)電機(jī)變壓器內(nèi)部故障分析與繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985注入式定子轉(zhuǎn)子接地保護(hù)技術(shù)使用說明書[S].2007.

[3]陳 俊，王 光，嚴(yán) 偉，等.關(guān)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)幾個問題的探討[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32（1）∶90-92.