劉月橋，毛 健

（1．長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北省武漢市 430010；2．長江電力股份有限公司烏東德水力發(fā)電廠，云南省昆明市 651512）

1 概況

烏東德水電站位于云南、四川界河河段，右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣，左岸隸屬四川省會東縣，是金沙江下游河段四個水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩中的第一個梯級，上距中游河段最下游梯級——銀江水電站203km，下距白鶴灘水電站182.5km。

烏東德水電站以發(fā)電為主，兼顧防洪，是“西電東送”的骨干電源點之一。在系統(tǒng)中承擔(dān)基荷、腰荷和部分峰荷，并承擔(dān)少量事故備用。

烏東德水電站左、右岸廠房內(nèi)各裝有6臺（套）發(fā)電機-變壓器組，均采用單元接線方式，設(shè)置發(fā)電機出口斷路器。左岸電站的1、2、5、6號機組及右岸電站的7、8、11、12號機組均配有高壓廠用變壓器。左、右岸500kV開關(guān)站接線完全相同，均采用3/2接線，各有3回出線及一組500kV并聯(lián)電抗器[1]，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)無功功率平衡。

烏東德水電站2015年底正式全面開工，2020年6月首批2臺機組投產(chǎn)發(fā)電，2021年6月12臺機組全部投運。左岸電站電氣主接線圖如圖1所示（右岸電站接線相同）。

圖1 左岸電站電氣主接線圖Figure 1 Key single line diagram for left bank HPP

2 主要電氣設(shè)備保護配置概要

改革開放后，國家水電行業(yè)取得了長足進步，繼電保護規(guī)程日益完善。但因各個電站發(fā)電機定子繞組結(jié)構(gòu)各有特點、電氣主接線有異且相關(guān)人員視角不同，落實現(xiàn)行規(guī)程、反事故措施采取不同方案也很常見。對于機組保護常規(guī)配置的保護功能，本文不一一羅列，重點介紹本站繼電保護系統(tǒng)中具有特點的配置方案，希望對后續(xù)水電項目的設(shè)計具有借鑒意義。

2．1 發(fā)電機-變壓器組繼電保護

烏東德水電站左、右岸發(fā)電機-變壓器組保護裝置均由南瑞繼保電氣有限公司生產(chǎn)制造。每臺發(fā)電機保護（含勵磁變壓器保護）、變壓器保護（含高壓廠用變壓器保護）均按雙重化原則配置電氣量保護[2]，每套發(fā)電機、變壓器的主保護及后備保護功能完整，能反應(yīng)被保護設(shè)備的各種電氣故障及異常狀態(tài)，每臺機組共設(shè)4塊電氣量保護盤，另設(shè)一塊變壓器非電量保護盤。

2.1.1 發(fā)電機主保護配置

左岸電站選用的是VOITH公司的發(fā)電機組，采用分數(shù)槽（q=9/2）疊繞組，每相11分支；右岸電站選用的是GE公司的發(fā)電機組，采用整數(shù)槽（q=4）半波繞組，每相8分支。

由于發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)不同，決定了其實際運行中發(fā)生各種故障的幾率會有很大區(qū)別。為兼顧定子繞組短路和機端引線短路，需綜合考慮各種指標，如中性點側(cè)TPY型分支組電流互感器（TA）的數(shù)目和安裝位置、主保護配置方案拒動故障數(shù)、兩種不同原理主保護反應(yīng)同一故障的能力等。在完成相同保護功能的前提下，應(yīng)盡量減少主保護配置方案所需的硬件投資（中性點側(cè)引出方式、銅環(huán)布置層數(shù)和TPY 型分支組TA的數(shù)目）和保護方案的復(fù)雜程度。

烏東德水電站機組容量大、定子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，簡單依據(jù)現(xiàn)有規(guī)程配置發(fā)電機主保護難以實現(xiàn)上述目標。具有豐富水電開發(fā)經(jīng)驗的中國長江三峽集團公司，在項目可行性研究階段就做出了邀請有實力和實際工程經(jīng)驗的高?；蜓芯繖C構(gòu)對發(fā)電機保護用TA組合方案及保護配置進行計算的正確決策。最終入圍的清華大學(xué)利用其獨創(chuàng)的多回路分析法，針對左、右岸電站的機組結(jié)構(gòu)特點完成了《烏東德VOITH發(fā)電機內(nèi)部故障主保護配置方案研究報告》[3]和《烏東德ALSTOM發(fā)電機內(nèi)部故障主保護配置方案研究報告》[4]，為本站配置合適的主保護提供了理論支撐。下面為清華大學(xué)從多種方案組合中，經(jīng)詳細分析計算、綜合比較后推薦的最終配置方案：

（1）左岸電站發(fā)電機TA組合及保護配置。

圖2為烏東德水電站VOITH發(fā)電機的中性點及機端TA配置方案，將每相的第1、3、5、7、9分支接在一起，形成中性點O1；再將每相的2、4、8、10、11分支接在一起，形成中性點O3；最后將每相的第6分支單獨引出，形成中性點 O2。

圖2 左岸電站發(fā)電機中性點及機端TA配置方案Figure 2 Generator neutral point and terminal TA configuration scheme of Left Bank Power Station

在O1～O3、O2～O3之間接兩個5P級電流互感器 TA01和 TA02，在每相的 1、3、5、7、9分支組和2、4、8、10、11分支組三相上分別裝設(shè)TPY級電流互感器TA1～TA6，在機端配置TPY級相電流互感器TA7～ TA9。

左岸電站發(fā)電機單套主保護配置如下：

1）發(fā)電機不完全縱差保護（87GSP-1、87GSP-2）：TA1、TA3、TA5分別與 TA7、TA8、TA9構(gòu)成第一組，TA2、TA4、TA6分別與TA7、TA8、TA9構(gòu)成第二組不完全縱差。

2）發(fā)電機不完全裂相橫差保護（87GVP）：由TA1、TA3、TA5分別與TA2、TA4、TA6構(gòu)成。

3）發(fā)電機零序電流型橫差保護（60G-1、60G-2）：由TA01、TA02分別構(gòu)成。

烏東德水電站VOITH發(fā)電機實際可能發(fā)生的內(nèi)部故障達9999種。由上述配置構(gòu)成的主保護，不能動作故障數(shù)為1328（占內(nèi)部故障總數(shù)的13.3%），不能動作的故障類型幾乎都是同相同分支匝間短路（壓差低導(dǎo)致絕緣擊穿引起實際短路的可能性極低），對8275種內(nèi)部故障（占內(nèi)部故障總數(shù)的82.8%）有兩種及以上原理不同的主保護靈敏動作。

（2）右岸電站發(fā)電機TA組合及保護配置。

圖3為烏東德水電站GE發(fā)電機的中性點及機端TA配置方案，將每相的1、3、5、7分支接在一起，形成中性點O1；再將每相的 2、4、6、8 分支接在一起，形成中性點 O2（即將每相的相鄰分支接至不同的分支組中）。

圖3 右岸電站發(fā)電機中性點及機端TA配置方案Figure 3 Generator neutral point and terminal TA configuration scheme of Right Bank Power Station

在O1～O2之間接一個5P級電流互感器TA0，在每相的1、3、5、7分支組和2、4、6、8分支組三相上分別裝設(shè)TPY型分支電流互感器TA1～TA6，且在機端配置TPY級相電流互感器TA7～TA9。

右岸電站發(fā)電機單套主保護配置如下：

1）發(fā)電機完全縱差保護（87G）：由TA1～TA6與TA7～TA9構(gòu)成。

2）發(fā)電機完全裂相橫差保護（87GUP）：由TA1、TA3、TA5分別與TA2、TA4、TA6構(gòu)成。

3）發(fā)電機零序電流型橫差保護（60G）：由于每臺機僅有2個中性點匯集，配置1套零序電流型橫差保護即可，由TA0構(gòu)成。

烏東德水電站GE發(fā)電機實際可能發(fā)生的內(nèi)部故障達17560種。由上述配置構(gòu)成的主保護，不能動作故障數(shù)有400種（占內(nèi)部故障總數(shù)的2.3%），不能動作的故障類型包括小匝數(shù)同相同分支匝間短路和相近電位的同相不同分支匝間短路（壓差低導(dǎo)致絕緣擊穿引起實際短路的可能性也很低），對17024種內(nèi)部故障（占內(nèi)部故障總數(shù)的96.9%）有兩種及以上原理不同的主保護靈敏動作。

總之，大型發(fā)電機主保護的配置方案比選是一個極為復(fù)雜、繁瑣的多變量設(shè)計優(yōu)化課題，必須兼顧設(shè)計的科學(xué)性和實際可操作性，才能達到實施可行、投資最省、綜合性能最優(yōu)的目的。

2.1.2 發(fā)變組保護概要

（1）發(fā)電機斷路器三相不一致保護。

現(xiàn)行保護規(guī)程[5-6]并未規(guī)定發(fā)電機斷路器必須裝設(shè)三相不一致保護。由于發(fā)電機出口斷路器（GCB）為三相機械聯(lián)動，不能提供分相位置接點構(gòu)成斷路器三相不一致保護。假如GCB某相連桿斷裂導(dǎo)致該相未合上，將導(dǎo)致發(fā)電機非全相運行。依靠傳統(tǒng)的負序電流和零序電流或零序電壓保護，無法快速檢測出該故障。由于負序旋轉(zhuǎn)磁場造成的發(fā)電機劇烈震動和轉(zhuǎn)子表層發(fā)熱，可能危及發(fā)電機的安全。

文獻[7]提出了基于斷口兩側(cè)電壓相量差的斷路器非全相保護新原理，并在動模機組上進行了實驗驗證。該原理不依賴電流量大小和三相不一致接點，且不受電壓互感器（TV）斷線影響，在發(fā)電機空載和輕載工況時能快速、靈敏地識別斷相故障，在發(fā)電機并網(wǎng)初期和解列時快速識別斷路器非全相故障。烏東德水電站根據(jù)廠家建議，采用了這種具有前沿技術(shù)的保護。

（2）發(fā)電機斷路器失靈保護。

現(xiàn)有規(guī)程明確要求300MW及以上容量發(fā)電機出口斷路器配置斷路器失靈保護[2]，文獻[8]對GCB失靈保護引用的TA位置作過有益的比較。

圖4中K1、K2、K3、K4分別發(fā)生短路事故導(dǎo)致GCB失靈時，失靈保護引用TA1或TA2的電流，都能準確采集故障電流，從而做出正確決策。

圖4 GCB失靈保護用TA配置及故障點示意圖Figure 4 TA configuration schematic diagram for GCB failure protection

為防止差動保護死區(qū)，變壓器差動保護采用TA1電流，發(fā)電機差動保護采用TA2電流。發(fā)電機斷路器失靈保護配置在發(fā)電機保護中，可以與發(fā)電機差動保護共用TA2電流。但由于發(fā)電機差動保護用TA2繞組為TPY型，雖具有良好的暫態(tài)特性，但故障切除后TA二次側(cè)電流衰減較慢，即存在所謂的“TA拖尾”現(xiàn)象。而失靈保護的電流判別元件應(yīng)快速返回，所以直接采用TPY型TA繞組不能滿足失靈保護要求。雖然一些微機保護設(shè)備生產(chǎn)廠家可以通過軟件算法等措施降低“TA拖尾”的影響，但這對繼電保護提出了較高的要求。

為嚴格執(zhí)行設(shè)計規(guī)范要求，本站單獨為GCB失靈保護配置了P型TA繞組，不與發(fā)電機差動的TPY型繞組共用，因而做到了從電氣一次設(shè)備上消除“TA拖尾”現(xiàn)象。

（3）勵磁繞組一點接地保護。

第一套勵磁繞組一點接地保護采用注入式原理[9]，如圖5所示。

圖5 方波注入原理示意圖Figure 5 Schematic diagram for square wave injection principle

圖5中Ur+、Ur-分別為勵磁繞組正、負極，Uα為接地位置百分比（勵磁繞組負極為0%，正極為100%），Rx為測量回路電阻，Ry為注入大功率電阻，Us為注入方波電源模塊，Rg為轉(zhuǎn)子繞組對大軸的絕緣電阻。雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護原理，是在勵磁繞組的正、負兩端與大軸之間注入一個低頻方波電壓，求解轉(zhuǎn)子一點接地電阻值，實時反應(yīng)發(fā)電機勵磁繞組對大軸的絕緣電阻。注入式原理可實現(xiàn)未加勵磁電壓情況下的勵磁繞組對地絕緣檢測，對即將投運的新機組或大修后將投運的機組事先排除故障，提供了重要手段。

一點接地設(shè)有兩段動作值，靈敏段動作于報警，普通段可動作于信號也可動作于跳閘，報警延時和跳閘延時可分別進行整定。

文獻[10]明確要求將發(fā)電機勵磁繞組一點接地保護裝置及附件安裝于勵磁柜，有效避免了將轉(zhuǎn)子正、負極引入保護柜不得不采用高絕緣電纜以及將勵磁高電壓引入發(fā)電機保護盤的棘手問題。

第二套勵磁繞組一點接地保護采用乒乓式檢測原理，同樣安裝于勵磁柜。平時投入其中一套，另一套作為備用。

（4）失磁保護。

轉(zhuǎn)子電壓是確定發(fā)電機是否失磁的重要判據(jù)，該判據(jù)動作值隨發(fā)電機所帶有功負荷的大小而自動改變，可防止重負荷下發(fā)生低勵故障時，保護被誤閉鎖。但是直接引入轉(zhuǎn)子電壓，存在著將轉(zhuǎn)子電壓，特別是強勵時的高電壓引入發(fā)電機保護裝置引起電磁干擾，甚至擊穿設(shè)備絕緣引起電氣事故的風(fēng)險。

本站發(fā)電機雙重化失磁保護所需的兩路轉(zhuǎn)子電壓均采用4～20mA模擬量接入，消除了上述潛在風(fēng)險，將文獻[11]的建議落到了實處。

（5）主變壓器高壓側(cè)斷路器閃絡(luò)保護。

發(fā)電機-變壓器組在通過主變壓器高壓側(cè)斷路器進行同步并列的過程中，作用于斷路器斷口上的兩側(cè)電壓之間相角差δ不斷變化。當(dāng)δ=180°時其值最大，可能造成斷路器斷口閃絡(luò)事故。

為了盡快排除斷口閃絡(luò)故障，在變壓器保護裝置設(shè)有斷口閃絡(luò)保護功能[2]。斷口閃絡(luò)保護動作的條件是斷路器三相斷開位置時有負序電流出現(xiàn)，動作于跳GCB。

（6）主變壓器低壓側(cè)單相接地保護。

保護取主變壓器低壓側(cè)22kV母線TV零序電壓，動作于發(fā)信號。

GCB合閘位置時主變壓器低壓側(cè)單相接地，發(fā)電機定子接地保護會動作跳閘。本保護主要作用就是主變壓器倒送電且主變壓器低壓側(cè)單相接地時發(fā)信報警。

（7）主變壓器（或500kV并聯(lián)電抗器）非電量保護。

本站主變壓器（或500kV并聯(lián)電抗器）為分相變壓器（或電抗器），需要上送的非電量既有動作于跳閘的SOE信號，也有僅起預(yù)報作用的故障報警信號。通常情況下，SOE信號盡可能詳盡，故障報警則是摘要或合并同類型信號上送。

本站則是將主變壓器（或500kV并聯(lián)電抗器）A、B、C三相動作于跳閘的同樣類型的非電量保護SOE信號合并后再上送；將變壓器報警信號分相上送，便于運行人員對有潛在故障風(fēng)險的分相變壓器做到心中有數(shù)。鑒于主變壓器（或500kV并聯(lián)電抗器）的分相臺數(shù)達42臺，由此節(jié)省了大量控制電纜。

2．2 500kV 開關(guān)站保護概要

2.2.1 變壓器高壓側(cè)短引線保護

變壓器差動所需電流可取自主變壓器高壓側(cè)，也可取自GIS串上和電流。若取自主變壓器高壓側(cè)，則主變壓器高壓套管需要配置TA；主變壓器上方就是GIS室，從GIS串上取和電流，電纜增加的長度不多?？紤]到地下廠房空間有限，本站主變壓器未配置套管TA。在變壓器退出運行、與串相連隔離開關(guān)斷開時，短引線差動保護可（經(jīng)隔離開關(guān)動斷觸點）自動或（經(jīng)壓板）手動投入運行，雙重化短引線保護所需電流分別一一與主變壓器差動所引串上電流共用。

2.2.2 500kV GIL T區(qū)保護以及500kV 隔離開關(guān)三相不一致保護

如同變壓器與GIS串相連一樣，與500kV線路相連的GIS串雖然可以配置短引線保護解決線路停運時的短引線保護問題，但在線路運行時如果GIL發(fā)生短路，將導(dǎo)致重合閘動作，引起GIL二次損傷。為避免這種情況的發(fā)生，每回出線GIL 配有雙重化的T區(qū)保護，該保護動作跳閘時，會立即閉鎖線路重合閘。雙重化T區(qū)保護所需電流分別與兩套線路差動所引串上電流共用，見圖6。

圖6 出線間隔TA配置圖Figure 6 TA configuration diagram for outgoing line bay

分析圖6如下：

（1）正常運行，線路側(cè)隔離開關(guān)DS2、斷路器側(cè)隔離開關(guān)DS1均在合位時，投入“線路保護+T區(qū)保護（三側(cè)差動）”。T區(qū)外線路故障，線路保護動作，T區(qū)保護不動，重合閘正常動作；T區(qū)內(nèi)GIL故障，線路保護、T區(qū)保護同時動作，但T區(qū)保護閉鎖重合閘。

（2）線路側(cè)隔離開關(guān)DS2、斷路器側(cè)隔離開關(guān)DS1任一隔離開關(guān)閘分位時，線路保護退出，T區(qū)保護（三側(cè)差動）自動切換為“兩側(cè)差動+線路側(cè)過流”保護。

（3）T區(qū)保護動作或2）中的過流動作（反映線路側(cè)TA與DS1之間短路故障）時，將發(fā)信遠跳對側(cè)斷路器；短引線兩側(cè)差動僅跳本側(cè)串上的2個斷路器CB2、CB3。

2.2.3 500kV 隔離開關(guān)三相不一致保護

據(jù)了解，與本站同樣結(jié)構(gòu)的500kV GIS隔離開關(guān)有過某相連桿斷裂的先例，且不止一次。如前所述，依靠傳統(tǒng)的負序電流和零序電流或零序電壓保護，無法快速檢測出該故障；比較各隔離開關(guān)兩側(cè)電壓相量差值原理，則需要額外配置大量的電壓互感器，極大地增加了投資。

本站設(shè)計階段就要求GIS設(shè)備廠家在各三相聯(lián)動的隔離開關(guān)的被動相上，均配置動合、動斷行程開關(guān)，構(gòu)成三相位置不一致報警信號上送監(jiān)控系統(tǒng)，從而在執(zhí)行分、合命令時，若某相隔離開關(guān)連桿斷裂，可快速報警。

3 結(jié)語

采用最新原理的GCB三相不一致保護、將發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置及附件安裝于勵磁柜、將失磁保護所需的轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)變送器輸出、取消主變壓器高壓側(cè)保護用套管TA、配置500kV 隔離開關(guān)三相不一致保護等，都是在廣泛吸納國內(nèi)目前大型水電站實際運行經(jīng)驗、博采眾多最新研究成果的基礎(chǔ)上實施的最終方案。大型水電機組設(shè)備招標文件規(guī)定有資質(zhì)的單位對發(fā)電機保護用TA組合方案及主保護配置進行多方案比選優(yōu)化，尤其是一條值得推廣的重要經(jīng)驗。

經(jīng)過參建各方多年的緊張奮戰(zhàn)，由業(yè)主精心組織、多方共同參與、凝結(jié)了集體智慧的烏東德水電站12臺機組相繼投入運行。