高 翔，呂 滔

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

抽水蓄能倒送電啟動試驗的問題分析及對策

高 翔，呂 滔

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

受自身特點影響，抽水蓄能電站的系統(tǒng)倒送電啟動試驗存在重大隱患。在倒送電啟動試驗中，保護裝置無法進行帶負荷校驗，其可靠性無法得以驗證，一旦并網(wǎng)投運，將對電網(wǎng)運行及機組調(diào)試的安全產(chǎn)生不利影響。本文提出了一種利用試驗負載校驗保護裝置的對策，并通過實例演算論證了其可行性。

倒送電；帶負荷校保護；抽水蓄能電站中

0 引言

隨著特高壓智能電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的快速發(fā)展，抽水蓄能電站以其高可靠性、高經(jīng)濟性、壽命周期長、容量大、技術(shù)成熟的特點，在電網(wǎng)中占據(jù)著非常重要的地位，對保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行、提高電能質(zhì)量發(fā)揮著非常大的作用。當(dāng)前，所有在建的抽水蓄能電站均接入500kV電網(wǎng)，且位于電源中心或者負荷中心，因此，應(yīng)盡可能提高其在基建調(diào)試期間對電網(wǎng)的不利影響。尤其在電站啟動調(diào)試的初始階段，需要進行倒送電啟動試驗[1]，但電站固有的特點將使啟動試驗難以徹底完成，從而影響電網(wǎng)的安全運行，因此，必須采取有效的技術(shù)手段予以彌補。

1 抽水蓄能電站倒送電試驗的問題分析

1.1 抽水蓄能電站電氣主接線類型

目前，抽水蓄能電站的發(fā)電機和變壓器均采用單元接線，兩個發(fā)變組接線通過地下GIS組成發(fā)變組聯(lián)合單元，再通過高壓電纜或GIL接入500kV升壓站，電站500kV升壓站則主要采用內(nèi)橋、菱形、正副母或3/2的接線形式，最終通過一回或多回500kV線路接入電網(wǎng)。圖1為4臺機組較為常用的電氣主接線圖，500kV升壓站采用內(nèi)橋形式接線。

1.2 抽蓄蓄能電站倒送電試驗的問題

抽水蓄能電站不同于常規(guī)水電站，其上庫通常為人工開挖且無徑流匯入，在調(diào)試初期無水可用，因此，首臺機組的調(diào)試必須采用水泵工況。在機組水泵工況起動的模式下，為了保證安全可靠的廠用電和SFC電源，必須要求系統(tǒng)向電站提供電力，因此，倒送電試驗勢必成為抽水蓄能電站機組整組調(diào)試的第一步，其目的就是為電站首臺機（1號機組）啟動提供電源。

根據(jù)相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程，電站首次受電的500kV設(shè)備主要包括送出線路、升壓站、第一聯(lián)合單元高壓電纜（或GIL）、第一聯(lián)合單元地下GIS、1號主變壓器，此時必須進行500kV主設(shè)備（線路、變壓器）投切試驗、PT核相試驗及500kV保護設(shè)備帶負荷校驗等試驗項目。其中，需要進行帶負荷校驗的500kV保護一般包括線路保護、母線保護、短線保護、主變壓器保護[2]，而這正是主要問題所在。

圖2為內(nèi)橋接線方式的典型500kV保護配置圖。在倒送電試驗中，線路差動保護（線路1和線路2）、短線差動保護（橋Ⅰ和橋Ⅱ）和1號主變壓器差動保護必須進行帶負荷校驗。

從圖2可以看出：

（1）線路差動保護。對于兩回及以上出線的抽水蓄能電站，一般通過系統(tǒng)潮流進行保護校驗；但對于僅一回出線的抽水蓄能電站，必須通過1號主變壓器帶負載進行保護校驗。

圖1 內(nèi)橋型接線Fig. 1 Internal bridge connection

圖2 內(nèi)橋型接線的保護配置圖Fig. 2 Protection configuration diagram of internal bridge connection

（2）短線差動保護。必須通過主變壓器1T帶負載進行保護校驗。

注：由于在此階段2號主變壓器不接入，因此，短線差動保護的2號主變壓器支路對1號機組的調(diào)試及電網(wǎng)運行沒有影響，可暫不校驗。

（3）1號主變壓器差動保護。必須通過主變壓器帶機組負荷、SFC負荷和廠用電負荷進行保護校驗。

在目前整體的測試水平下，保護設(shè)備校驗的最低CT二次側(cè)電流一般為5mA。以4臺單機容量375MW、發(fā)電機電壓18kV的某抽水蓄能電站為例，通過核算，線路差動保護校驗所需的負荷至少為12MVA，短線差動保護所需的負荷至少為12MVA，此負荷均需由廠用電提供，而該電站高壓廠用變壓器的額定容量僅為6.3MVA（實際負載率一般不超過85%），顯然不能滿足線路保護和短線保護校驗的需求；對于主變壓器差動保護，由于SFC支路和發(fā)電機支路無法提供任何負荷，也不能進行保護校驗。同理，采用菱形接線、正副母接線、3/2接線的抽水蓄能電站也會遇到這樣的問題。

眾所周知，差動保護依賴電流量或電流電壓量工作，電流電壓量都是交流量，其有幅值和相位特征，幅值靠變比和接線來保證，相位靠極性來保證，所有這些最終只有靠帶負荷校驗來把關(guān)。保護設(shè)備未帶負荷校驗而投入運行，將可能引發(fā)斷路器誤動或拒動，導(dǎo)致對側(cè)變電站斷路器跳閘、事故擴大，從而對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成較大威脅。因此，經(jīng)常會發(fā)生電網(wǎng)調(diào)度部門拒絕抽水蓄能電站倒送電試驗的事件，進而嚴(yán)重影響電站的調(diào)試工作和投產(chǎn)計劃。

2 對策研究及案例演示

從圖2可以看出，只要在1號機組的發(fā)電機回路（發(fā)電機出口處）、SFC回路（SFC輸入變壓器高壓側(cè)處）、高壓廠用變壓器回路（高壓廠用變壓器高壓側(cè)處）配置合適的外加試驗負載，并利用以上三個支路的斷路器進行負載投切，即可對倒送電范圍內(nèi)的所有500kV保護設(shè)備進行校驗；同理，該方法也適用于采用菱形接線、正副母接線、3/2接線的抽水蓄能電站的倒送電試驗。為了保證電站設(shè)備的安全和倒送電試驗的順利進行，必須對試驗負載的選配進行全面的考量。

2.1 試驗負載性質(zhì)選擇

試驗負載通?？蔀樽栊载撦d、感性負載和容性負載，從保護校驗的角度來看，三種性質(zhì)的負載均滿足要求。

阻性負載是最理性的試驗負載，最接近實際情況，也不會對電站設(shè)備造成任何風(fēng)險。然而，本試驗要求高壓大功率的阻性負載，這在實際應(yīng)用中極少出現(xiàn)；對于兆瓦級高壓阻性負載，其熱穩(wěn)定性能差、價格昂貴、體積龐大、質(zhì)量客觀，基本不適合用于現(xiàn)場試驗。

感性負載是試驗中經(jīng)常采用的負載之一。該類型的負載本身不會對電站設(shè)備造成任何風(fēng)險，但在全壓切除時會因截流產(chǎn)生很高的過電壓，尤其當(dāng)感性負載在兆乏級水平，將對普通交流斷路器（包括GCB）產(chǎn)生較大風(fēng)險，因此需要采用感性負載投切專用的交流斷路器。

容性負載也是試驗中經(jīng)常采用的負載之一。該類型的負載本身不會對電站設(shè)備造成任何風(fēng)險，在全壓切除時產(chǎn)生的過電壓不會超過3.0p.u.，不會危害到一次設(shè)備的絕緣性能。同時，交流斷路器（包括GCB）切除容性負載的能力相對較強，交流斷路器不低于400A[3]，GCB一般不低于100A，完全滿足保護校驗的需求。但是，在關(guān)合容性負載的過程中，斷路器中將出現(xiàn)較高的暫態(tài)涌流，必須進行核算并采取一定限流措施，保證其在斷路器額定關(guān)合能力以內(nèi)。

綜合以上分析，認(rèn)為采用容性負載進行保護校驗是最優(yōu)方案。

2.2 試驗負載配置

試驗負載配置應(yīng)遵循以下原則：

（1）試驗負載的大小應(yīng)滿足所有保護CT回路校驗需求。通常來說，在折算到同一電壓等級下，電站線路保護CT的變比最大，其次是母線保護和短線保護CT，第三是主變壓器保護高壓CT，第四為主變壓器保護低壓CT（包括發(fā)電機回路CT、廠用高壓變壓器回路CT和SFC輸入變回路CT）。因此，試驗負載的最小值必須滿足線路保護CT校驗的需求。

（2）試驗負載回路的斷路器應(yīng)能夠分?jǐn)嗳菪栽囼炿娏?。通過核算，單獨任何一個回路的斷路器均不能分?jǐn)嗑€路保護CT校驗所需的容性試驗電流。為了降低各回路斷路器分?jǐn)嗳菪噪娏鞯膲毫?，同時為了節(jié)省倒送電啟動試驗的時間，應(yīng)在三個回路上一次性同時配置試驗負載。在制定三個回路的試驗負載分配方案時，既要滿足這三個回路上主變壓器保護CT校驗的需求，又要充分利用斷路器的分?jǐn)嗄芰ΓＷC三個回路上的試驗負載總和滿足線路保護CT校驗的需求。

（3）試驗負載回路的斷路器應(yīng)能夠承受容性試驗負載的合閘涌流。容性試驗負載的合閘涌流必須核算，以保證其不會導(dǎo)致開關(guān)損壞。電容負載的合閘涌流可通過式（1）進行計算[3]。一般需要將涌流控制在開關(guān)額定短時耐受電流值以內(nèi)。

式中U——發(fā)電機回路線電壓；

C——試驗負載的電容量；

Lt——主變漏抗的電感值（折算到低壓側(cè)）；

Lb——限流電抗的電感值。

2.3 案例演示

以圖1所示的某抽水蓄能電站為例進行容性試驗負載配置，其保護配置圖如圖2所示。根據(jù)圖2，需要使用GCB、SFC輸入變斷路器（SCB）和廠用高壓變壓器斷路器（ICB）投切試驗負載。

該電站的發(fā)電機開關(guān)為瑞士ABB的HECPS-5SP型GCB，SFC輸入變壓器和廠用高壓變壓器的斷路器采用廈門ABB的VD4-24型真空斷路器。GCB的容性電流開斷能力為100A，額定短時耐受電流為130kA；真空斷路器的容性電流開斷能力為800A，額定短時耐受電流為20kA。

該電站發(fā)電機回路額定電壓18kV，并網(wǎng)電壓550kV。電站500kV保護設(shè)備CT的最大變比為2500/1，CT二次校驗電流至少為5mA情況下，容性試驗負載的總量至少為：

主變壓器保護的發(fā)電機支路校驗電流最小為75A，廠用高壓變壓器及SFC輸入變支路校驗電流最小為12.5A，而三個支路電流之和不得小于382A以滿足500kV CT的校驗需求。綜合考慮開關(guān)的容性電流開斷能力和CT校驗需求，發(fā)電機支路需配置2.34MVar（負載的電容量為13.28μF），廠用高壓變壓器及SFC輸入變支路需配置4.78MVar（負載的電容量為27.13μF）。

最后，根據(jù)式（1）核算GCB和真空斷路器的合閘涌流。主變壓器的漏抗值為0.387mH，c廠用高壓變壓器限流電抗器的電抗值為1.665mH，SFC輸入變限流電抗器的電抗值為1.2405mH，因此，GCB的合閘涌流為1.36kA，廠用高壓變壓器支路真空斷路器的合閘涌流為0.845kA，SFC輸入變壓器支路真空斷路器的合閘涌流為0.949kA，遠小于開關(guān)限值，無需加設(shè)限流裝置。

3 結(jié)束語

綜上所述，對于首臺機采用水泵工況啟動調(diào)試的新建抽水蓄能電站，通過采用合適的電容性試驗負載，可安全、有效地解決系統(tǒng)倒送電試驗中保護裝置無法進行帶負荷校驗的問題，降低了電站500kV設(shè)備和電網(wǎng)的運行風(fēng)險，為后續(xù)的機組調(diào)試奠定穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

[1] 沙俊強.發(fā)電廠倒送電方案分析及控制要點.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（30）.SHA Junqiang. Analysis and Control Key of Reverse Power Supply Program for Power Plant. Science and Technology Hnovation Herald，2013（30）.

[2] 原愛芳，楊北陽，羅明輝，王清堅，張玉寶，原利敏，王紹輝.繼電保護方向元件的帶負荷校驗方法探討.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（17）.YUAN Aifang，YANG Beiyang，LUO Minghui，WANG Qiangjian，ZHANG Yubao，YUAN Limin，WANG Shaohui.Power System Protection and Control，2010，38（17）.

2016-05-30

2016-06-20

高 翔（1977—），男，高級工程師，主要研究方向：發(fā)電電動機及高壓電氣設(shè)備。E-mail：35040685@qq.com

呂 滔（1984—），男，工程師，主要研究方向：水電廠機組調(diào)試。E-mail： taol-lv.jszx@sgxy.sgcc.com.cn

Analysis and Countermeasure of The Problem in Inverse Power Supply Test for Pumped-storage Power Station

GAO Xiang，LV Tao
（State Grid Xinyuan Company Beijing 100161，China）

Due to the characteristic of pumped-storage power station，a big hidden trouble will occur when the inverse power supply test performed. During the inverse power supply，load test can’t be carried out for the protection device in power station. The reliability of the protection device can’t be verified. Once the power station incorporated into the power grid，the safety of the power grid and the generator unit’s start-up test will be threatened. A countermeasure is provided to on-load test the protection device by using testing load，the feasibility of which is demonstrated on the case of a real pumped-storage power station.

inverse power supply；load test for protection；pumped-storage power station

TM312

A學(xué)科代碼：470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.016