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（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn)511853）

0 引言

抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急備用等多種功能。與常規(guī)機(jī)組相比，抽水蓄能機(jī)組啟停頻繁，工況多。抽水蓄能機(jī)組典型工況見圖1，圖中各方框表示穩(wěn)態(tài)工況，各箭頭表示各穩(wěn)態(tài)工況間轉(zhuǎn)換過程中的暫態(tài)工況。由于發(fā)電機(jī)出口母線上的開關(guān)刀閘設(shè)備分合閘狀態(tài)會(huì)隨工況發(fā)生改變，發(fā)電機(jī)電氣量的相序、頻率、幅值和方向隨工況發(fā)生改變，不同工況對(duì)保護(hù)的影響不同，某些保護(hù)在某些工況下會(huì)誤動(dòng)。為了適應(yīng)抽水蓄能機(jī)組各種運(yùn)行工況，機(jī)組或主變保護(hù)中的某些保護(hù)需要在某些工況下閉鎖。保護(hù)閉鎖邏輯是抽水蓄能電站機(jī)變保護(hù)區(qū)別于常規(guī)電站機(jī)變保護(hù)最主要的特征，是抽水蓄能電站機(jī)變保護(hù)設(shè)計(jì)中要考慮的主要問題。不同抽水蓄能電站保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)不盡相同，有必要尋求一個(gè)簡(jiǎn)單有效的設(shè)計(jì)方案。

圖1 抽水蓄能機(jī)組典型工況

1 抽水蓄能機(jī)組工況特點(diǎn)及對(duì)保護(hù)的影響

1.1 發(fā)電機(jī)出口母線上的開關(guān)刀閘設(shè)備分合閘狀態(tài)對(duì)保護(hù)的影響

1.1.1 各工況下開關(guān)刀閘分合閘狀態(tài)變化情況

抽水蓄能機(jī)組典型接線見圖2，各開關(guān)刀閘的在各種工況下的狀態(tài)見表1。

圖2 抽水蓄能機(jī)組典型單線圖

電網(wǎng)的相序是固定的，發(fā)電機(jī)在發(fā)電時(shí)和抽水時(shí)相序不同，發(fā)電機(jī)相序需要轉(zhuǎn)成與電網(wǎng)相同的相序后才能與電網(wǎng)進(jìn)行連接，所以需要裝設(shè)換相刀。

為加快停機(jī)過程，抽水蓄能機(jī)組設(shè)置了電氣制動(dòng)開關(guān)。轉(zhuǎn)子在停機(jī)過程中降至約50%轉(zhuǎn)速時(shí)合電氣制動(dòng)開關(guān)將機(jī)端三相短路，利用定子電阻發(fā)熱消耗轉(zhuǎn)子動(dòng)能。為增強(qiáng)制動(dòng)效果，機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試時(shí)，會(huì)調(diào)節(jié)電氣制動(dòng)過程中定子電流接近額定電流。

抽水蓄能機(jī)組抽水方向啟動(dòng)采用同步啟動(dòng)，被拖動(dòng)機(jī)組在變頻電源的作用下逐漸達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，變頻電源采用靜止變頻器或者另一臺(tái)作發(fā)電運(yùn)行的機(jī)組。為建立變頻電源與被拖動(dòng)機(jī)組的電氣連接，裝設(shè)了拖動(dòng)刀和被拖動(dòng)刀。為減小變頻電源功率，拖動(dòng)前向被拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)輪室注入高壓空氣，使整個(gè)拖動(dòng)過程中轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱清蓄）單機(jī)容量為320MW的機(jī)組啟動(dòng)過程中實(shí)測(cè)最大功率約20MW。

表1 各工況一次設(shè)備狀態(tài)

1.1.2 對(duì)保護(hù)的影響

發(fā)電機(jī)出口母線上的開關(guān)刀閘設(shè)備分合閘狀態(tài)改變主要影響差動(dòng)保護(hù)，包括主變差動(dòng)和發(fā)電機(jī)差動(dòng)。差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)所包含的開關(guān)刀閘不同，對(duì)保護(hù)的影響就不同。

差動(dòng)保護(hù)范圍包含換相刀，如果差動(dòng)保護(hù)不切換相別，就會(huì)用相異相別的電流計(jì)算差流，差動(dòng)保護(hù)不能正常工作。發(fā)電機(jī)在發(fā)電或抽水運(yùn)行中，換相刀在合閘狀態(tài)，此時(shí)必須要有差動(dòng)保護(hù)保護(hù)換相刀，為使差動(dòng)保護(hù)正常工作，一種最為經(jīng)濟(jì)的解決方法是進(jìn)行軟件換相，使差動(dòng)保護(hù)隨著換相刀不同的合閘狀態(tài)切換差流計(jì)算所用相別。

差動(dòng)范圍包含拖動(dòng)刀和被拖動(dòng)刀。用變頻電源啟動(dòng)機(jī)組或?qū)C(jī)組作為變頻電源時(shí)，啟動(dòng)過程中的低頻電流會(huì)計(jì)入差流，啟動(dòng)過程電流小，可以根據(jù)差流能否達(dá)到差動(dòng)保護(hù)定值考慮差動(dòng)保護(hù)是否采取閉鎖措施或是否將其計(jì)入差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的措施。

差動(dòng)范圍包含電氣制動(dòng)開關(guān)。因電氣制動(dòng)時(shí)電流大，計(jì)入差流會(huì)使保護(hù)誤動(dòng)作，必須采取閉鎖措施或不將其計(jì)入差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的措施。

1.2 電氣量相序改變對(duì)保護(hù)的影響

1.2.1 各工況相序情況

發(fā)電機(jī)軸系的旋轉(zhuǎn)方向取決于水輪機(jī)的需要，水輪機(jī)用于發(fā)電時(shí)和用于抽水時(shí)旋轉(zhuǎn)方向相反，兩種旋轉(zhuǎn)方向分別稱為發(fā)電方向和抽水方向，定子電氣量的相序取決于軸系上轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，所以在發(fā)電時(shí)定子電氣量的相序與在抽水時(shí)不同。

見圖1。在發(fā)電方向運(yùn)行的工況有旋轉(zhuǎn)備用、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、發(fā)電方向停機(jī)電氣制動(dòng)和拖動(dòng)機(jī)。在抽水方向運(yùn)行的工況有抽水調(diào)相、抽水方向停機(jī)電氣制動(dòng)、被拖動(dòng)機(jī)和靜止變頻器拖動(dòng)。發(fā)電方向與抽水方向電氣制動(dòng)時(shí)，雖然一次回路接線相同，但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向不同，發(fā)電方向停機(jī)時(shí)與抽水方向停機(jī)時(shí)電氣制動(dòng)過程中定子相序不同。

1.2.2 對(duì)保護(hù)的影響

相序改變后，所有用正序、負(fù)序電氣量計(jì)算的發(fā)電機(jī)保護(hù)要受相序改變的影響。

阻抗元件、功率方向元件、功率繼電器在0°接線方式不受相序改變影響，在30°接線方式、-30°接線方式、90°接線方式會(huì)受相序改變影響。

為消除相序改變的影響，可以在發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置中設(shè)置軟件換相。

1.3 電氣量大小變化對(duì)保護(hù)的影響

正常運(yùn)行工況下，大小發(fā)生變化的電氣量中，可能對(duì)保護(hù)造成影響的電氣量主要是低頻和低電壓。

1.3.1 各工況低頻低壓產(chǎn)生情況

背靠背啟動(dòng)、靜止變頻器啟動(dòng)、電氣制動(dòng)過程中存在低頻、低壓情況。

1.3.2 對(duì)保護(hù)影響

低頻、低壓影響發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置中欠量動(dòng)作的頻率、電壓保護(hù)，為消除其影響，保護(hù)需要進(jìn)行閉鎖。

1.4 電氣量方向改變對(duì)保護(hù)影響

正常運(yùn)行工況下，發(fā)生方向變化的電氣量中，對(duì)保護(hù)可能造成影響的電氣量主要是有功功率。機(jī)組正常運(yùn)行工況下，無功功率的大小在正常范圍內(nèi)，無功功率方向變化不影響保護(hù)正常工作。

1.4.1 各工況功率變化情況

抽水、抽水調(diào)相或發(fā)電調(diào)相運(yùn)行時(shí)有功功率的方向與發(fā)電方向相反。抽水調(diào)相或發(fā)電調(diào)相運(yùn)行時(shí)，用高壓空氣壓水使轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)，使機(jī)組僅向電網(wǎng)吸收少量有功功率，這兩種工況發(fā)電機(jī)實(shí)際上工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。抽水時(shí)，有功功率在額定功率周圍。

圖3 抽水蓄能機(jī)組P-Q功率圓圖

1.4.2 對(duì)保護(hù)的影響

有功功率方向的變化影響發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置中采用功率作為判斷條件的保護(hù)，為消除其影響，保護(hù)需要進(jìn)行閉鎖。

失磁保護(hù)在發(fā)電機(jī)吸收的無功過大時(shí)才會(huì)動(dòng)作，發(fā)電和抽水時(shí)有功功率方向改變不影響失磁保護(hù)正常工作。

發(fā)電運(yùn)行時(shí)發(fā)生失步與抽水運(yùn)行時(shí)發(fā)生失步的區(qū)別是測(cè)量阻抗端點(diǎn)在復(fù)平面上變化的軌跡穿越失步保護(hù)遮擋器的方向不同，一般失步保護(hù)軟件算法設(shè)計(jì)時(shí)已考慮兩種情況，因此，有功功率方向的改變不影響失步保護(hù)正常工作。

2 保護(hù)閉鎖邏輯設(shè)計(jì)方案選定需考慮的因素

（1）保護(hù)原理。工作原理上需要保護(hù)發(fā)揮作用的工況中保護(hù)不能閉鎖。工作原理上不需要保護(hù)發(fā)揮作用，且一旦投入會(huì)發(fā)送誤動(dòng)的工況中保護(hù)必須閉鎖。工作原理上不需要保護(hù)發(fā)揮作用，但如果投入保護(hù)，正常運(yùn)行工況下不會(huì)使保護(hù)誤動(dòng)，在異常或故障工況下，即便誤動(dòng)作，也無重大影響的工況中保護(hù)可閉鎖也可不閉鎖。

對(duì)可閉鎖也可不閉鎖的工況，是否閉鎖保護(hù)，是不同抽水蓄能電站的閉鎖邏輯設(shè)計(jì)存在差異的主要原因。為了簡(jiǎn)化保護(hù)閉鎖邏輯、減小誤閉鎖可能性，對(duì)可閉鎖也可不閉鎖保護(hù)的工況，可采用以下設(shè)計(jì)原則：如果沒有必須閉鎖保護(hù)的工況，選擇不閉鎖保護(hù)方式為宜；如果有必須閉鎖保護(hù)的工況，選擇閉鎖保護(hù)方式為宜，僅開放必須投入的工況。

（2）保護(hù)裝置算法、實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)保護(hù)閉鎖的影響需要通過靜態(tài)調(diào)試模擬試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)調(diào)試確認(rèn)。

（3）定值。定值大小可以影響閉鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方案的選擇，但應(yīng)避免為了不閉鎖保護(hù)，采用放寬定值的方法。

（4）CT配置方案。不同的CT配置方案會(huì)使差動(dòng)保護(hù)閉鎖邏輯不同。

3 清蓄保護(hù)閉鎖邏輯的實(shí)現(xiàn)

3.1 主變保護(hù)

主變保護(hù)除主變差動(dòng)外，其他保護(hù)不需設(shè)計(jì)閉鎖邏輯。清蓄主變差動(dòng)與發(fā)電機(jī)差動(dòng)（不完全縱差）所用CT配置圖見圖4。

圖4 清蓄主變差動(dòng)與發(fā)電機(jī)差動(dòng)所用CT配置圖

清蓄主變差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍是動(dòng)態(tài)變化的，通過改變發(fā)電機(jī)出口電流計(jì)入差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的方式改變保護(hù)范圍和適應(yīng)換相刀不同合閘狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)方法是，機(jī)端CT接入兩路模擬量輸入，A相（B相、C相）接入主變差動(dòng)第一路模擬量輸入（圖4中M2輸入點(diǎn)）的A相（B相、C相）后，再接入第二路模擬量輸入（圖4中M5輸入點(diǎn)）的C相（B相、A相）。機(jī)組未并網(wǎng)狀態(tài)下，換相刀分或出口開關(guān)分，兩路模擬量輸入都不進(jìn)入主變差動(dòng)的算法中計(jì)算；機(jī)組發(fā)電方向并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，換相刀發(fā)電方向合且出口開關(guān)合，第一路模擬量輸入兩路模擬量都不進(jìn)入主變差動(dòng)的算法中計(jì)算；機(jī)組抽水方向并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，換相刀抽水方向合且出口開關(guān)合，第二路模擬量輸入進(jìn)入主變差動(dòng)的算法中計(jì)算。

3.2 發(fā)電機(jī)保護(hù)

3.2.1 相序切換

發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置有軟件換相的功能，有發(fā)電方向和抽水方向兩個(gè)狀態(tài)，清蓄設(shè)計(jì)了圖5的邏輯進(jìn)行換相。當(dāng)邏輯輸出“1”時(shí)，切換到抽水方向；當(dāng)邏輯輸出“0”時(shí)，切換到發(fā)電方向。軟件換相后，采用正序、負(fù)序電氣量計(jì)算的保護(hù)不受相序改變的影響。

圖5 清蓄相序切換邏輯

3.2.2 不需閉鎖的保護(hù)

清蓄發(fā)電機(jī)差動(dòng)（不完全縱差）保護(hù)范圍沒有包含發(fā)電機(jī)母線上的任何開關(guān)刀閘，不受運(yùn)行工況的影響，可以全工況投入，不需閉鎖。發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置中其他不需閉鎖的保護(hù)還有裂相橫差、單元件橫差、低壓記憶過流、95%定子接地、負(fù)序電流、失磁、失步、定子過負(fù)荷、轉(zhuǎn)子過負(fù)荷、過電壓、過激磁、高頻、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地。上述保護(hù)在機(jī)組各種正常運(yùn)行工況下不會(huì)誤動(dòng)，在出現(xiàn)大于正常運(yùn)行工況電氣量時(shí)，或在一次設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，才會(huì)動(dòng)作，所以不需閉鎖。

3.2.3 需要閉鎖的保護(hù)

清蓄保護(hù)閉鎖邏輯見圖6，圖6中各字母符號(hào)表示的工況見圖1，“-＞”符號(hào)表示工況轉(zhuǎn)換，工況信號(hào)（包括工況和工況轉(zhuǎn)換）由機(jī)組順控流程通過通信發(fā)給保護(hù)裝置，機(jī)組順控流程中已經(jīng)保證在同一時(shí)刻有且僅有一個(gè)工況信號(hào)置“1”。

圖6 清蓄保護(hù)閉鎖邏輯

（1）低電壓保護(hù)：當(dāng)機(jī)組作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如果機(jī)組突然失去電源，為防止電源恢復(fù)時(shí)，機(jī)組異步啟動(dòng)損傷發(fā)電機(jī)，設(shè)置低電壓保護(hù)，將機(jī)組解列。作為反應(yīng)欠量動(dòng)作的保護(hù)，在背靠背或靜止變頻器啟動(dòng)過程中的電壓會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，必須閉鎖。

（2）低頻保護(hù)：防止機(jī)組在系統(tǒng)頻率低情況下，還作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行吸收有功。閉鎖邏輯同低電壓保護(hù)。

（3）電壓相序保護(hù)：防止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與監(jiān)控系統(tǒng)目標(biāo)方向及換相刀設(shè)定方向不同，并網(wǎng)后產(chǎn)生短路故障量級(jí)的大電流損壞設(shè)備。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向在并網(wǎng)前后不會(huì)發(fā)生變化，在并網(wǎng)前檢測(cè)相序正確即可確保并網(wǎng)后相序正確。

（4）低功率保護(hù)：作為抽水運(yùn)行時(shí)防止機(jī)組失去電源的保護(hù)。

（5）逆功率保護(hù)：機(jī)組在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，防止誤關(guān)閉導(dǎo)葉后，轉(zhuǎn)輪在異常工況下長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行損傷轉(zhuǎn)輪。關(guān)閉導(dǎo)葉后，由發(fā)出有功轉(zhuǎn)為吸收有功，功率方向發(fā)生了改變。

（6）低頻過流保護(hù)：用于背靠背啟動(dòng)、靜止變頻器啟動(dòng)過程中，為補(bǔ)充保護(hù)發(fā)電機(jī)差動(dòng)由于頻率低退出運(yùn)行而失去保護(hù)的頻率段。

（7）出口開關(guān)失靈保護(hù)：背靠背的拖動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合上，換相刀分閘，發(fā)電機(jī)與主變間已經(jīng)斷開連接，如果失靈保護(hù)動(dòng)作跳開主變會(huì)擴(kuò)大動(dòng)作范圍。用換相刀每極的分閘位置接點(diǎn)串聯(lián)閉鎖失靈保護(hù)，防止背靠背拖動(dòng)機(jī)工況下失靈誤動(dòng)作。

（8）20Hz注入式定子接地保護(hù)：清蓄試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)機(jī)組頻率在20Hz左右時(shí)，保護(hù)會(huì)誤動(dòng)。

4 結(jié)束語

清蓄保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定了發(fā)電機(jī)差動(dòng)與主變差動(dòng)的保護(hù)范圍，然后逐一考察各個(gè)保護(hù)受各種運(yùn)行工況的影響情況。清蓄保護(hù)閉鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單可靠，減少誤閉鎖保護(hù)可能性。清蓄機(jī)變保護(hù)閉鎖邏輯在各種工況流程下運(yùn)行正常。希望清蓄的經(jīng)驗(yàn)可以為新蓄能電站的建設(shè)和蓄能機(jī)組保護(hù)的改造提供有益參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 陸佑楣,潘家錚.抽水蓄能電站[M].北京:中國(guó)水利電力出版社,1992.

[3] 賀儒飛.大型抽水蓄能電站機(jī)組保護(hù)閉鎖邏輯研究[J].水力發(fā)電,2014（11）：35-38.

[4] 彭煜民.清遠(yuǎn)抽水蓄能電站機(jī)組控制程序總體設(shè)計(jì)[J].水電與抽水蓄能,2017(5):50-52.

[5] 周海燕.抽水蓄能電站機(jī)組保護(hù)閉鎖方案分析[J].水電與抽水蓄能,2017(4):88-94.