鄭波

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(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。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?！冻樗钅馨l(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。