鄭波

(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組繼電保護(hù)設(shè)計(jì)

鄭波

(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

基于抽水蓄能機(jī)組的結(jié)構(gòu)，通過研究機(jī)組運(yùn)行特性，形成大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的一般原則和典型策略。通過分析進(jìn)口保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)不足，提出適合國產(chǎn)化機(jī)組的保護(hù)設(shè)計(jì)方案。

抽水蓄能;繼電保護(hù);策略

1 引言

近年來，我國抽水蓄能電站的建設(shè)步伐呈現(xiàn)加快趨勢(shì)，核準(zhǔn)開工數(shù)量和規(guī)模都達(dá)到了歷史新高，加快抽水蓄能電站的開發(fā)建設(shè)是今后我國電力發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。隨著大型抽水蓄能機(jī)組國產(chǎn)化的逐步實(shí)現(xiàn)，繼電保護(hù)系統(tǒng)的國產(chǎn)化也日益成熟。抽水蓄能機(jī)組啟停頻繁，運(yùn)行工況多，繼電保護(hù)的配置比常規(guī)水電機(jī)組更復(fù)雜，對(duì)抽水蓄能機(jī)組的繼電保護(hù)配置進(jìn)行深入研究，形成具有普遍指導(dǎo)意義的設(shè)計(jì)思路和方案，對(duì)提高我國抽水蓄能機(jī)組繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)能力和生產(chǎn)效率等具有重大意義。

2 保護(hù)配置方案

目前，國內(nèi)已建/在建抽水蓄能機(jī)組主接線主要形式為發(fā)變組單元接線，發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口設(shè)置斷路器，換相隔離開關(guān)設(shè)在主變低壓側(cè)。本文以此為例，通過分析抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行特性和保護(hù)設(shè)計(jì)的一般原則，提出大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組繼電保護(hù)的配置方案。

2.1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置（表1）

2.2 主變壓器保護(hù)配置（表2）

3 差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)化

3.1 提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性

發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器的每組差動(dòng)保護(hù)均含一個(gè)小差動(dòng)和一個(gè)大差動(dòng)，可有效消除發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器保護(hù)的死區(qū)（圖1）。這種方案筆者所在單位已申請(qǐng)發(fā)明專利，專利號(hào)ZL2009 1 0258393,5。

對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器而言，小差動(dòng)均可全工況投入。因大差動(dòng)包含起動(dòng)母線和被起動(dòng)母線，在同步拖動(dòng)、被拖動(dòng)過程中，要區(qū)別分析。

在同步拖動(dòng)、被拖動(dòng)過程中，大差動(dòng)87G’-A、87G’-B在發(fā)電電動(dòng)機(jī)外側(cè)的電流互感器并無電流通過，因此閉鎖并無風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)組可通過低頻過流來保護(hù)。以往進(jìn)口保護(hù)裝置采用抬高定值的辦法開放該保護(hù)功能，其實(shí)沒有必要。

在同步拖動(dòng)、被拖動(dòng)過程中，大差動(dòng)87T’-A、87T’-B在發(fā)電電動(dòng)機(jī)側(cè)的電流互感器流過的并非主變電流，會(huì)影響主變差動(dòng)的動(dòng)作行為，因此應(yīng)閉鎖低壓側(cè)電流，但大差動(dòng)仍可投入。以往進(jìn)口保護(hù)裝置直接閉鎖該保護(hù)功能，降低了保護(hù)的可靠性。

圖1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)-主變壓器差動(dòng)保護(hù)配置典型方案

表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置表

3.2 提高勵(lì)磁變保護(hù)的靈敏度

勵(lì)磁變的阻抗相對(duì)較大，勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時(shí)，折算到高壓側(cè)短路電流非常小。當(dāng)速斷保護(hù)無法完整反映整個(gè)低壓側(cè)繞組的短路故障時(shí)，為了提高靈敏度，可以配勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)。勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)可提高內(nèi)部故障檢測(cè)靈敏度，對(duì)于低壓側(cè)故障，其靈敏度遠(yuǎn)高于電流速斷保護(hù)。但是，勵(lì)磁變壓器兩側(cè)電流波形諧波含量較高，對(duì)差動(dòng)保護(hù)的整定、算法需要特別對(duì)待。

表2 主變壓器保護(hù)配置表

4 保護(hù)閉鎖邏輯的改進(jìn)

國內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)早期，保護(hù)裝置隨主機(jī)設(shè)備進(jìn)口。國外進(jìn)口的保護(hù)裝置普遍采用導(dǎo)葉全開和全關(guān)位置作為逆功率保護(hù)和低功率保護(hù)投退的判據(jù)，實(shí)則不妥。

4.1 逆功率保護(hù)

發(fā)電→發(fā)電調(diào)相：導(dǎo)葉位置從全開到逐漸關(guān)閉的過程中，在空載開度以下時(shí)，機(jī)組實(shí)際上已經(jīng)要開始吸收一定的有功，隨著開度的減小，吸收功率增加直至超過逆功率定值。若選用導(dǎo)葉全關(guān)位置作為逆功率保護(hù)退出的判據(jù)，可能會(huì)造成逆功率保護(hù)的誤動(dòng)。所以逆功率保護(hù)的延時(shí)還必須可靠躲過這個(gè)過程，但延時(shí)可能較長(zhǎng)。若由機(jī)組順控流程適時(shí)給出閉鎖令，便不需等到導(dǎo)葉全部關(guān)閉，只要到了空載開度時(shí)即可閉鎖。

發(fā)電調(diào)相→發(fā)電：工況轉(zhuǎn)換至發(fā)電穩(wěn)態(tài)后即可由順控流程發(fā)令開放保護(hù)功能。若采用導(dǎo)葉全開位置作為保護(hù)恢復(fù)的判據(jù)，相當(dāng)于延后了保護(hù)功能的投入，對(duì)機(jī)組是不利的。

4.2 低功率保護(hù)

水泵→水泵調(diào)相：導(dǎo)葉關(guān)到抽水工況初始開度以后應(yīng)閉鎖低功率保護(hù)，而非等到導(dǎo)葉全關(guān)位置。對(duì)于工況轉(zhuǎn)換等過渡過程，考慮到機(jī)組本身不在穩(wěn)態(tài)，應(yīng)盡早閉鎖相關(guān)保護(hù)，這個(gè)時(shí)候由順控流程提供閉鎖點(diǎn)較為合適。

水泵調(diào)相→水泵：導(dǎo)葉開至抽水工況初始開度即可由順控流程發(fā)令開放保護(hù)功能，用導(dǎo)葉全開位置作為保護(hù)恢復(fù)的判據(jù)也是不合適的。

5 保護(hù)功能和勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能有機(jī)配合

根據(jù)中國電力科學(xué)研究院《華東直調(diào)機(jī)組網(wǎng)源協(xié)調(diào)重要參數(shù)核查報(bào)告》，發(fā)現(xiàn)存在大量發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子過負(fù)荷綜合能力、定子過負(fù)荷綜合能力不能滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保護(hù)定值與勵(lì)磁系統(tǒng)沒有合理匹配。保護(hù)定值過小，保護(hù)先于勵(lì)磁限制器動(dòng)作而動(dòng)作，嚴(yán)重束縛了發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷能力，這些問題不僅直接危及發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，也威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)、變壓器保護(hù)應(yīng)和勵(lì)磁系統(tǒng)各限制環(huán)節(jié)匹配。首先，勵(lì)磁限制環(huán)節(jié)應(yīng)滿足發(fā)電電動(dòng)機(jī)許可的最大工作范圍，在發(fā)電電動(dòng)機(jī)、變壓器保護(hù)動(dòng)作之前發(fā)揮作用。勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)磁限制環(huán)節(jié)應(yīng)與發(fā)電電動(dòng)機(jī)或變壓器的過激磁保護(hù)定值相配合。勵(lì)磁系統(tǒng)定子過壓限制環(huán)節(jié)應(yīng)與發(fā)電電動(dòng)機(jī)過壓保護(hù)定值相配合。勵(lì)磁系統(tǒng)的過勵(lì)限制環(huán)節(jié)的特性應(yīng)與發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的過負(fù)荷能力相一致，并與發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)中轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)定值相配合。

6 保護(hù)設(shè)計(jì)的其他問題

6.1 電流互感器斷線

《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程GB/T14285-2006》4.1.11提出，保護(hù)裝置在電流互感器二次回路不正?；驍嗑€時(shí)，應(yīng)發(fā)告警信號(hào)，除母線保護(hù)外，允許跳閘。《抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組繼電保護(hù)配置導(dǎo)則GB/T32898-2016》5.2.1.3 a)提出，電流互感器二次回路斷線時(shí)不應(yīng)閉鎖差動(dòng)保護(hù)。后者要求電流互感器二次回路斷線不閉鎖差動(dòng)保護(hù)，有利于機(jī)組的安全，防止發(fā)生其他意外，值得提倡。

6.2 軟件換相

抽水蓄能機(jī)組的工況轉(zhuǎn)化，會(huì)帶來相序的變化，為電流、電壓采集帶來困擾。數(shù)字式繼電保護(hù)裝置通過軟件已輕松解決此問題。無需切換電流互感器二次回路或者在換相隔離開關(guān)處增加電流互感器。

值得一提的是，抽水蓄能電站同期檢測(cè)回路仍然普遍采用繼電器回路切換的方式保證電壓采集的正確性。

7 結(jié)語

本文是在歸納、總結(jié)國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)或即將投產(chǎn)的抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，力求提煉出大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)設(shè)計(jì)的通用性原則和策略，力求使得出的結(jié)論科學(xué)、嚴(yán)密、適用性廣，以期為后續(xù)電站的設(shè)計(jì)提供有效建議。

[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]張春生，姜忠見.抽水蓄能電站設(shè)計(jì)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3]GB/T32898-2016抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組繼電保護(hù)配置導(dǎo)則[S]．

[4]NB/T35010-2013水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[5]盧勇，賀儒飛.抽水蓄能機(jī)組保護(hù)及其控制的一些特殊問題的分析[J].電氣與自動(dòng)化，2014,11:39-41.

TV743

A

1672-5387（2017）08-0026-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.008

2017-06-02

鄭 波（1980-），男，高級(jí)工程師，從事水電站電氣二次專業(yè)設(shè)計(jì)與管理工作。