魏玉芳，劉 灝

（國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304）

0 引言

國能大渡河瀑布溝水電站位于四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣境內(nèi)，裝設6臺單機容量600 MW的混流式水輪發(fā)電機及6臺500 kV升壓變壓器，布置在地下洞室主廠房內(nèi)，發(fā)變組采用單元連接方式，6臺升壓變壓器高壓側接六回500 kV交聯(lián)聚乙烯高壓擠包電纜（簡稱高壓電纜），長度300～600 m不等，通過2個電梯電纜豎井引上到地面500 kV開關站GIS設備，開關站采用4/3接線方式，電量經(jīng)4條500 kV線路輸送至四川電網(wǎng)。

500 kV高壓電纜作為瀑布溝水電站重要輸電設備之一，連接地下洞室廠房發(fā)電、變電設備與地面廠房輸配電設備，為確保其安全穩(wěn)定運行，采取的繼電保護方案應能快速反應各種故障及異常運行，微機繼電保護裝置必須滿足“可靠性、快速性、靈敏性、速動性”及各項規(guī)程規(guī)范要求。該電站原高壓電纜保護裝置由國外阿?，m電氣公司提供，保護裝置及附屬二次回路多處不滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范、反事故措施要求，且運行可靠性低，曾發(fā)生一起因500 kV線路雷擊導致的高壓電纜保護誤動事件。自2015年至今，瀑布溝水電站啟動了500 kV高壓電纜繼電保護設備國產(chǎn)化改造工作，于2020年全部完成。

1 原保護配置情況

瀑布溝水電站采取高壓電纜分相電流差動保護及接地保護的雙重化保護配置方案，差動保護裝置采用阿?，m公司提供的P541型微機繼電保護裝置，在高壓電纜靠主變側布置雙重化配置的兩面保護屏，主變側P541裝置采集主變高壓側電流，在高壓電纜靠500 kV母線側布置雙重化配置的兩面保護屏，母線側P541裝置分別采集500 kV中斷路器與邊斷路器電流，三者之間通過光纖傳遞電流信號，實現(xiàn)三側差動保護功能。當高壓電纜停運、斷路器合環(huán)運行時，通過修改P541控制字，將三側差動保護轉為兩側差動保護，作為短引線保護使用。在母線側布置了一套P122型電流保護裝置，采集500 kV高壓電纜回流線電流，實現(xiàn)高壓電纜接地保護。

同時利用P541裝置遠傳功能傳遞高壓電纜兩側隔離刀閘、接地刀閘等位置信號，實現(xiàn)隔刀、地刀操作時電氣閉鎖，以及安全穩(wěn)定控制裝置、頻率電壓緊急控制裝置動作后跳發(fā)電機出口斷路器信號，實現(xiàn)切機功能。另利用P541裝置遠跳功能實現(xiàn)發(fā)變組保護遠跳500 kV斷路器、500 kV斷路器失靈動作聯(lián)跳發(fā)變組，保護配置（單套）示意圖如圖1所示（以3號高壓電纜為例）。

圖1 500 kV高壓電纜保護配置示意圖（單套）

2 存在的問題

自2010年全部投運以來，保護裝置軟件及硬件可靠性低，2012年500 kV布坡四線因雷擊造成瞬時接地故障，過程中6B高壓電纜保護主變側1號保護裝置因B相瞬時沖擊電流誤動，跳開6號發(fā)電機出口斷路器及6號高壓廠用變低壓側斷路器，造成6號發(fā)電機非計劃停運、10 kVⅥ段廠用電母線失電，而雙重化配置的另一套保護未動作，給當班運行值班人員故障判斷、應急處理造成極大干擾。保護裝置硬件故障率高，多次發(fā)生開入插件、CPU插件故障，備品備件采購周期長、費用昂貴，且阿海琺公司被施耐德并購后，售后服務、技術支持連續(xù)性差，給電廠后續(xù)檢修維護造成極大不變，硬件及服務均已無法滿足用戶要求，具體技術問題如下：

（1）操作界面采用英文，且菜單設置方式與國內(nèi)保護裝置通用方式差異較大，采樣查看、修改查看定值等操作復雜。

（2）未配置打印接口，無法現(xiàn)場打印事故動作報告波形、裝置定值單，需使用專用軟件連接保護裝置導出，且軟件采用全英文，操作使用極為不便。

（3）功能缺失，無電流回路斷線報警及自檢功能，功能壓板投退后裝置不顯示開入變位，無法對運行過程中因開入通道損壞、開入壓板松動造成的保護投入異常進行自檢報警，部分定值整定范圍不滿足整定規(guī)程的要求。

（4）跳閘出口插件輸出接點不夠，需經(jīng)中間繼電器擴展，該繼電器采用上海繼電器廠提供的RXMS1 RK 216 DC220V型中間繼電器，該繼電器動作啟動功率小于5 W，且不具備抗220 V工頻電壓干擾的能力，不滿足國家能源集團二十五項反事故措施及技術監(jiān)督要求。

（5）保護裝置采用220 V強電直接開入，因直流系統(tǒng)均浮充轉換時的直流電壓變動，以及運行人員在投退壓板過程中短時的壓板接觸不良打火，極易造成開入通道損壞，設備硬件可靠性低，且廠家后續(xù)生產(chǎn)的保護裝置版本與原裝置不兼容，一旦發(fā)生裝置故障，需更換三側P541保護裝置，檢修維護難度大。

（6）主變側、母線側保護裝置采用單通道光纖通信方式，無光纖通道冗余，發(fā)生通道異常情況則必須停用整套保護裝置，對主設備保障作用降低。

綜上所述，為保障500 kV高壓電纜安全、穩(wěn)定、可靠運行，同時滿足相關規(guī)程規(guī)范及反事故措施要求，以及便于運行維護，必須對瀑布溝水電站500 kV高壓電纜保護進行改造。

3 改造技術方案

國產(chǎn)化繼電保護裝置在國內(nèi)已普遍應用，保護原理日益成熟，設備廠家標準化設計水平及裝置運行可靠性不斷提高，且裝置便于整定、調試及運行維護[1]。瀑布溝水電站于2015年啟動首套500 kV高壓電纜國產(chǎn)化改造工作，根據(jù)規(guī)程規(guī)范及反措要求，改造后仍采用雙重化配置，每套保護包含完成的主后備保護裝置，且每套保護的電源、電流等回路完全獨立，將原保護屏柜及保護裝置全部拆除后安裝新保護屏柜，并沿用原保護屏外圍電源、電流、信號、開入回路電纜及光纖通道，以減少改造工作量，縮短工期。

改造方案采用三端差動保護完成高壓電纜投入運行方式下高壓電纜故障的保護，采用兩端差動保護方案對高壓電纜退出運行方式下隔刀及3/2串內(nèi)CT之間故障的保護[2，3]，保護裝置配置方案調整為高壓電纜差動保護+短引線保護+高壓電纜接地保護雙重化配置，分別采用南京南瑞繼保工程公司提供的PCS-931LM、PCS-922G、PCS-9621D型微機保護裝置，以3號高壓電纜保護為例，保護配置圖與電流回路圖如圖2所示。

圖2 國產(chǎn)化改造后的500 kV高壓電纜保護配置示意圖及電流回路圖（單套）

主變側與母線側各布置一臺PCS-931LM型超高壓線路電流差動裝置，主變側PCS-931LM采集主變高壓側電流互感器電流，母線側PCS-931LM采集500 kV斷路器電流，裝置之間通過雙光纖通道通信[4，5]，任一通道發(fā)生異常時不影響保護正常功能，提供分相電流差動作為快速主保護、過負荷作為后備報警的主后備一體保護，在500 kV高壓電纜投運時投入差動保護功能，同時PCS-931LM具備原P541保護裝置的遠傳、遠跳功能。

新增的PCS-922G布置在母線側，采集兩臺500 kV斷路器電流，提供高壓電纜停運、斷路器合環(huán)運行時的兩側差動保護，正常運行時需退出，僅該運行工況下投運，由500 kV高壓電纜靠母線側隔刀位置信號及功能壓板（二取一）進行投退。

PCS-9621D采集高壓電纜回流線電流，作為高壓電纜接地故障后備保護，保護整定躲過正常運行時最大不平衡電流。

國產(chǎn)化改造后的500 kV高壓電纜保護功能配置齊全，實現(xiàn)100%無死區(qū)保護，裝置硬件及軟件可靠性高，具備自檢、閉鎖等功能，抗干擾能力強，為500 kV高壓電纜提供更可靠保障，同時按照國網(wǎng)“九統(tǒng)一”標準化設計，滿足規(guī)程規(guī)范及反事故措施的要求。

4 關鍵技術點

4.1 根據(jù)運行工況投退保護功能

短引線保護的投退方式可能導致短引線保護無法可靠、正確動作[6]。因高壓電纜差動保護與短引線保護范圍不同，需根據(jù)實際運行工況進行功能投退，否則極易造成保護誤動。當高壓電纜正常運行時短引線保護差流即為高壓電纜負荷電流，該電流隨發(fā)變組負荷變化，可能大于短引線差動保護動作門檻值，因此該運行工況下短引線保護功能壓板必須退出防止誤動作，而高壓電纜停運、斷路器合環(huán)運行時，高壓電纜保護差流為流過斷路器的電流，該電流隨開關站潮流變化可能大于高壓電纜差動保護動作門檻值，因此該運行工況下功能壓板必須退出，而此時短引線保護必須投入，否則斷路器之間的GIS設備處于無保護運行狀態(tài)。

4.2 利用遠傳功能完善相關保護邏輯

原發(fā)變組保護未配置斷路器閃絡保護，通過本次國產(chǎn)化改造新增該保護功能，僅在發(fā)電機帶變壓器及高壓電纜遞升加壓、利用500 kV斷路器同期并網(wǎng)時投入，作為并網(wǎng)斷路器兩側電壓相角差為180°時可能造成的斷路器閃絡故障快速保護[7，8]。500 kV斷路器分閘位置信號作為斷路器閃絡保護唯一開關量判據(jù)，由母線側PCS-931LM裝置采集遠傳至主變側PCS-931LM裝置開出至主變壓器保護裝置。同時該信號作為500 kV高壓電纜差動保護弱饋功能及主變倒送電保護重要開關量判據(jù)，通過本次改造完善了以上保護功能。

4.3 利用遠傳功能完善閉鎖回路

原發(fā)電機出口隔離刀閘電動合閘操作不受500 kV主變高壓側接地刀閘合閘閉鎖，本次改造完善了該閉鎖回路，由母線側PCS-931LM裝置采集主變高壓側接地刀閘位置信號遠傳至主變側PCS-931LM裝置并輸出開關量至發(fā)電機出口隔離刀閘操作回路，從而實現(xiàn)電動操作閉鎖，完善了主變兩側隔刀、地刀五防閉鎖功能。

4.4 短路升流試驗驗證CT極性正確

為確保國產(chǎn)化改造后的保護裝置差動電流回路極性正確，開展發(fā)電機帶主變壓器及高壓電纜短路升流試驗，在500 kV邊、中斷路器兩側各設置三相短路點，分別向兩個短路點提供短路電流，通過保護裝置差流采樣判斷電流回路極性正確。試驗前必須對短路升流路徑上相關的線路T區(qū)保護、母線差動保護、安全穩(wěn)定控制裝置等電流回路做好隔離防范技術措施，防止運行中的裝置因試驗電流而誤動作。

5 結語

隨著國內(nèi)大型水電站單機容量不斷提升，高壓電纜作為水電站站內(nèi)重要的電量輸送通道，其繼電保護配置方案可靠、合理以及繼電保護裝置軟硬件可靠性愈加重要，應能根據(jù)設備實際運行工況靈活選擇相關保護功能投退，確保無保護死區(qū)，同時設備穩(wěn)定性高，便于運行、維護及檢修。瀑布溝水電站500 kV高壓電纜保護于2020年完成全部國產(chǎn)化改造，投運以來運行可靠，本文總結了改造經(jīng)驗，為大型水電站高壓電纜繼電保護方案的設計及改造提供借鑒經(jīng)驗。