蘇敬愛

（南安市水利局，福建 南安 362300）

0 前言

水電站在運(yùn)行過(guò)程中，可能遇到各種類型的故障和不正常運(yùn)行方式，從而在電力系統(tǒng)中引起事故，破壞電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，降低電氣設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的將直接破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成大面積的停電事故。繼電保護(hù)裝置就是能反應(yīng)水電站和電網(wǎng)發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，并動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)的一種自動(dòng)裝置，繼電保護(hù)裝置應(yīng)符合可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性的要求。發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的主要電氣設(shè)備之一，它的安全運(yùn)行對(duì)保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著決定性作用，但在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，其定子繞組和轉(zhuǎn)子回路都有可能出現(xiàn)各種故障和異常運(yùn)行狀態(tài)，所以，為了保障其正常運(yùn)行，減少不必要損失，對(duì)發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)專門的繼電保護(hù)裝置。農(nóng)村小型水電站大多因開發(fā)較早，裝機(jī)容量小，水電站自動(dòng)化程度低，鑒于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置安裝的是電磁型繼電器，可靠性和靈敏度較低。本文主要介紹GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器的低速和過(guò)速保護(hù)功能，提高保護(hù)裝置的可靠性和靈敏度，在電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器能夠快速解列，確保電網(wǎng)、電站機(jī)組及用戶電器設(shè)備安全。

1 概況

南安市位于福建省東南沿海，晉江流域中游，水電資源豐富，開發(fā)條件優(yōu)越，境內(nèi)主要有東溪、西溪、九十九溪和九溪四大流域。南安市多年平均降雨量1546 mm，因時(shí)空分布不均，降雨量由沿海地區(qū)的1000 mm～1400 mm 向山區(qū)的1500 mm～1900 mm 遞增。全市多年平均水資源量17.366 億m3，水力資源理論蘊(yùn)藏量149000 kW，技術(shù)可開發(fā)量58000 kW。至2019 年底，全市已建成投產(chǎn)的水電站有105 座，機(jī)組臺(tái)數(shù)206 臺(tái)，總裝機(jī)容量5.7095 kW，多年平均年發(fā)電1.82 億kW·h。南安大部分水電站為徑流式開發(fā)，站址地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，10 kV 聯(lián)網(wǎng)線路長(zhǎng)，設(shè)備老化，遇到雷雨天氣時(shí)，事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響電站和電網(wǎng)安全運(yùn)行。

2 事故概述

巖內(nèi)水電站位于福建省南安市西北部蓬華鎮(zhèn)大演村境內(nèi)，為晉江西溪大演溪小支流水電梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)電站，1981 年5 月建成投產(chǎn)發(fā)電。巖內(nèi)水電站控制流域面積27.2 km2,設(shè)計(jì)水頭90 m，設(shè)計(jì)引用流量0.40 m3/s，總裝機(jī)容量800 kW（4×200），多年平均發(fā)電量 256 萬(wàn) kW·h。

巖內(nèi)水電站地處南安市西北部山區(qū)，自投運(yùn)自今，電站聯(lián)網(wǎng)線路（10 kV 巖內(nèi)線）經(jīng)常遭受雷擊，導(dǎo)致蓬華35 kV 變電站10 kV 巖內(nèi)線饋線柜斷路器多次跳閘，因水電站發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置不靈敏、不可靠，甚至不動(dòng)作，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口斷路器未跳閘解列，沿途村莊多臺(tái)10 kV 變壓器低壓用戶電器設(shè)備（圖1），因電壓不穩(wěn)定，忽高忽底，電器設(shè)備故障燒毀，造成嚴(yán)重安全隱患和用戶財(cái)產(chǎn)損失。

圖1 巖內(nèi)水電站與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)示意圖

3 事故原因分析

巖內(nèi)水電站1981 年5 月建成投產(chǎn)發(fā)電，鑒于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，水電站自動(dòng)化程度低,水輪機(jī)未安裝自動(dòng)調(diào)速器，發(fā)電機(jī)組配備一機(jī)一屏（BKSF-12），即控制、保護(hù)和測(cè)量“三合一”，發(fā)電機(jī)出口斷路器采用DW15 系列低壓空氣斷路器，帶有分勵(lì)、欠壓、過(guò)流三種類型的脫扣器。巖內(nèi)水電站發(fā)電機(jī)常規(guī)保護(hù)除斷路器自帶的過(guò)流、欠壓保護(hù)外，發(fā)電機(jī)控制屏還安裝過(guò)負(fù)荷和過(guò)電壓保護(hù)（見圖2），保護(hù)繼電器選用電磁型繼電器，過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作電流按照發(fā)電機(jī)1.05 In 來(lái)整定，過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作電壓按照發(fā)電機(jī)1.2 Un 整定（見如表1）。

表1 發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷流和過(guò)電壓保護(hù)整定值

巖內(nèi)水電站地處山區(qū)，10 kV 聯(lián)網(wǎng)線路長(zhǎng)，距離蓬華鎮(zhèn)區(qū)35 kV 變電站有12 km，沿途村莊T 接多臺(tái)供電變壓器，大多用于農(nóng)村日常生活用電或微型加工廠用電。當(dāng)線路遭受雷擊或其他原因發(fā)生故障時(shí)，變電站10 kV 饋線柜斷路器跳閘，因沿途村莊帶有用電負(fù)荷，電站發(fā)電機(jī)組和沿途村莊用電負(fù)荷形成孤立運(yùn)行的小電網(wǎng)，即自發(fā)自供。巖內(nèi)水電站因建成時(shí)間較早，發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置配備電磁型繼電保護(hù)，這種保護(hù)裝置的靈敏性、可靠性和速動(dòng)性較差，加上電站又未按規(guī)定期限對(duì)繼電保護(hù)裝置定期檢查和定值整定，在電網(wǎng)跳閘后，發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置經(jīng)常不動(dòng)作，導(dǎo)致出口斷路器無(wú)法跳閘，電站和電網(wǎng)沒(méi)有及時(shí)解列。當(dāng)電站發(fā)電功率大于自供區(qū)用電負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)過(guò)電壓運(yùn)行；當(dāng)電站發(fā)電功率小于自供區(qū)用電負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)欠壓運(yùn)行。發(fā)電機(jī)電壓的不穩(wěn)定運(yùn)行，必將對(duì)機(jī)組自身和用電設(shè)備造成損傷，甚至引起燒毀用電設(shè)備的事故，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)重大安全隱患和用戶財(cái)產(chǎn)損失。

圖2 發(fā)電機(jī)控制保護(hù)圖

4 整改措施

巖內(nèi)水電站發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置配備電磁型繼電保護(hù)，針對(duì)這種保護(hù)裝置靈敏性、可靠性和速動(dòng)性較差的問(wèn)題，電站將在原有電磁型繼電保護(hù)裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，即增加安裝微機(jī)綜合保護(hù)器。

GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器以電腦芯片為核心，硬件簡(jiǎn)單，精度較高，穩(wěn)定性、可靠性好，保護(hù)定值整定靈活，功能多樣，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路、低速和過(guò)速等保護(hù)功能：

（1）過(guò)壓保護(hù)

發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，當(dāng)電壓連續(xù)高于設(shè)定過(guò)壓保護(hù)值一定時(shí)間（此時(shí)間可設(shè)定）時(shí)，保護(hù)器判為“過(guò)壓故障”，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”，“故障”繼電器動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出常規(guī)告警信號(hào)（斷續(xù)蜂鳴告警聲，故障指示燈亮），數(shù)碼顯示自動(dòng)切到電壓值顯示狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示此時(shí)的電壓值。延時(shí)設(shè)定的一段時(shí)間后（2 s～100 s），如電壓恢復(fù)正常，則解除告警信號(hào)，繼電器斷開，退出故障狀態(tài)。

（2）欠壓保護(hù)

發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，當(dāng)電壓連續(xù)低于設(shè)定欠壓保護(hù)值時(shí)，保護(hù)器判為“欠壓”狀態(tài)，如果參數(shù)設(shè)定01 選擇欠壓需要跳閘（LUYY）時(shí)，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”和常規(guī)告警信號(hào)，進(jìn)入故障狀態(tài)。如果參數(shù)設(shè)定01 選擇欠壓不需要跳閘（LUNO）時(shí)，欠壓保護(hù)僅發(fā)出常規(guī)告警信號(hào)。另外欠壓保護(hù)可以關(guān)閉，當(dāng)欠壓設(shè)定選擇低于額定電壓的50%時(shí)，關(guān)閉此功能。

（3）過(guò)流保護(hù)

發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，三相電流中最大一相電流連續(xù)大于設(shè)定過(guò)流設(shè)定值（1.05 Ie～2.0 Ie）一定時(shí)間（此時(shí)間可設(shè)定）時(shí)，保護(hù)器判為“過(guò)流故障”，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”和常規(guī)告警信號(hào)，“故障”繼電器動(dòng)作。數(shù)碼顯示自動(dòng)切到電流值顯示狀態(tài)，顯示跳閘時(shí)刻的電流值。延時(shí)設(shè)定的一段時(shí)間后（2 s～100 s），自動(dòng)解除告警信號(hào)，退出故障狀態(tài)，也可以人工提前退出故障狀態(tài)。過(guò)流保護(hù)反時(shí)限控制，在設(shè)定的過(guò)流延時(shí)跳閘時(shí)間的基礎(chǔ)上，保護(hù)器根據(jù)“溫升相等”原則自動(dòng)修改過(guò)流動(dòng)作時(shí)間，電流越大，保護(hù)動(dòng)作越快。

（4）短路保護(hù)

當(dāng)三相電流中最大一相電流達(dá)到短路設(shè)定設(shè)定值（1.8 Ie～3.0 Ie）時(shí)，保護(hù)器判斷為短路故障，故障繼電器立即動(dòng)作，其他處理與過(guò)流故障類似。電流顯示值為跳閘前的電流值。

（5）低速保護(hù)

并網(wǎng)前，低速保護(hù)可設(shè)定不動(dòng)作。并網(wǎng)后，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于低速設(shè)定值（30.0 Hz～49.9 Hz）時(shí)，保護(hù)器判為“低速”故障，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”和常規(guī)告警信號(hào)，“故障”繼電器動(dòng)作。數(shù)碼顯示自動(dòng)切到頻率值顯示狀態(tài)，顯示當(dāng)時(shí)的頻率值，延時(shí)設(shè)定的一段時(shí)間后，自動(dòng)退出故障狀態(tài)，同樣也可以人工提前退出故障狀態(tài)。

（6）過(guò)速保護(hù)

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于過(guò)速設(shè)定值（50.1 Hz～75 Hz）時(shí)，保護(hù)器判為“過(guò)速”故障，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”和常規(guī)告警信號(hào)，“故障”繼電器動(dòng)作。故障處理與“低速”故障處理一樣。

GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器對(duì)比常規(guī)電磁型保護(hù)裝置，具有低速、過(guò)速保護(hù)功能，提高了保護(hù)裝置靈敏性、穩(wěn)定性和可靠性。在聯(lián)網(wǎng)線路發(fā)生事故，10 kV 饋線柜斷路器跳閘后，因水輪機(jī)未安裝自動(dòng)調(diào)速器，發(fā)電機(jī)頻率發(fā)生大幅度增減，微機(jī)綜合保護(hù)器低速或過(guò)速保護(hù)動(dòng)作，其靈敏度比常規(guī)電磁型過(guò)壓和欠壓保護(hù)靈敏度更高，發(fā)電機(jī)出口斷路器迅速跳閘解列，確保發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)運(yùn)行安全，低壓用戶電器設(shè)備不受損壞。

GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器可以取代傳統(tǒng)的電磁型繼電器保護(hù)裝置，保護(hù)器外形尺寸和42L6 系列儀表一致，安裝方便，接線簡(jiǎn)單（見圖3）。另外裝置還兼有發(fā)電機(jī)電壓、電流、頻率的數(shù)顯功能，便于運(yùn)行人員日常巡視和維護(hù)。

圖3 GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器接線圖

安裝接線：GDB-6 保護(hù)器兼有電壓、電流、頻率的數(shù)顯功能，安裝時(shí)，可拆除配電屏上監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的頻率表（42L6-Hz），裝入GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器，兩者安裝尺寸一致（寬114 mm×高114 mm）。按照保護(hù)器安裝接線圖，接入發(fā)電機(jī)三相CT 電流、電網(wǎng)電壓和控制電源，并將保護(hù)器常開輸出接點(diǎn)，并聯(lián)接在過(guò)電壓繼電器常開輸出接點(diǎn)，動(dòng)作時(shí)限和過(guò)電壓保護(hù)一致。

發(fā)電機(jī)低速和過(guò)速保護(hù)整定值：參照GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器的參數(shù)設(shè)定，設(shè)置低速檢測(cè)閥值為48.5 Hz，過(guò)速檢測(cè)閥值為50.5 Hz（見表2）。在發(fā)電機(jī)頻率低于48.5 Hz 或高于50.5 Hz 時(shí)，保護(hù)器動(dòng)作。

表2 發(fā)電機(jī)低速和過(guò)速保護(hù)整定值

5 改造效果

巖內(nèi)水電站繼電保護(hù)裝置改造完成后，在電網(wǎng)多次事故跳閘后，GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器均能快速可靠動(dòng)作，確保發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)解列。

6 結(jié)語(yǔ)

GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，對(duì)比電磁型繼電器，微機(jī)綜合保護(hù)器保護(hù)定值設(shè)定方便準(zhǔn)確，保護(hù)器設(shè)置的發(fā)電機(jī)低速和過(guò)速保護(hù)，能夠替代傳統(tǒng)的電磁型過(guò)電壓保護(hù)。對(duì)于有多臺(tái)機(jī)組的水電站，可通過(guò)保護(hù)器常開輸出接點(diǎn)，啟動(dòng)接通中間繼電器，利用中間繼電器的多對(duì)常開輔助接點(diǎn)，接通各臺(tái)機(jī)組保護(hù)跳閘回路，實(shí)現(xiàn)1 臺(tái)保護(hù)器同時(shí)解列多臺(tái)發(fā)電機(jī)組，減少改造資金投入。

南安市農(nóng)村小型水電站大多開發(fā)較早，裝機(jī)容量小，位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，鑒于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件，電站的水輪機(jī)大多數(shù)未安裝自動(dòng)調(diào)速器，發(fā)生故障系統(tǒng)解列后，水輪機(jī)過(guò)速（飛車）或低速運(yùn)行。安裝GDB-6 微機(jī)綜合保護(hù)器，能夠快速捕捉發(fā)電機(jī)頻率變化幅度，及時(shí)、迅速地將發(fā)電機(jī)解列退出運(yùn)行，避免發(fā)電機(jī)組自身和沿途用戶電器設(shè)備造成損傷,確保電網(wǎng)安全。在水電站日常運(yùn)行管理中，大多電站業(yè)主疏于運(yùn)行管理，特別是對(duì)發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置，未能按規(guī)定定期檢查和定值整定，導(dǎo)致在電網(wǎng)和機(jī)組發(fā)生事故和故障時(shí)，發(fā)電機(jī)出口斷路器無(wú)法及時(shí)跳閘解列，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)重大安全隱患。巖內(nèi)水電站繼電保護(hù)裝置的成功改造，給全市其他水電站提供了很好的借鑒。