陳志仙

（福建安瀾水利水電勘察設(shè)計院有限公司，福建 龍巖 364000）

小型水電站單機(jī)容量為1000～10000 kW的水輪發(fā)電機(jī)，針對發(fā)電機(jī)的短路事故和故障，作用于跳發(fā)電機(jī)出口斷路器的保護(hù)，主要有縱聯(lián)差動保護(hù)、復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)以及過電壓保護(hù)和失磁保護(hù)，其中縱聯(lián)差動保護(hù)是反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組及出線的故障，保護(hù)瞬時動作于跳發(fā)電機(jī)出口斷路器及停機(jī)?，F(xiàn)階段采用的微機(jī)自并勵發(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)及引出線上發(fā)生短路，根據(jù)短路電流的衰減特性，短路發(fā)生后經(jīng)過半個周期，短路電流的瞬時值達(dá)到最大，短路電流持續(xù)1 s后就會有不同程度的下降，而后隨著非周期分量的衰減，一般認(rèn)為4 s后周期分量衰減而到穩(wěn)態(tài)值，用單純的過電流保護(hù)作為后備保護(hù)，靈敏度達(dá)不到要求，因此增加了短路點(diǎn)的負(fù)序電壓和低電壓判據(jù)來保障保護(hù)的準(zhǔn)確動作，采用復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)作為發(fā)電機(jī)斷路器外部相間短路保護(hù)或者差動主保護(hù)因故拒動時的后備保護(hù)，同時作為相鄰元件變壓器、線路保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，延時跳發(fā)電機(jī)斷路器。

采用復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置的電流整定和負(fù)序電壓整定值在各種設(shè)計手冊中均有明確的整定值整定計算，但其保護(hù)的時限整定在《電力工程電氣設(shè)計手冊（電氣二次部分）》（能源部西北電路設(shè)計院編）［1］中沒有說明，在《水電站機(jī)電設(shè)計手冊（電氣二次）》（水電站機(jī)電設(shè)計手冊編寫組）［2］中有一句話說明對時限整定的說明：“以較短的時限動作于縮小故障影響范圍，以較長的時限動作于停機(jī)”，而在《小型水電站機(jī)電設(shè)計手冊（電氣二次）》（戴延年主編）［3］手冊中有相對比較明顯的說明。

從以上可以看出設(shè)計手冊都沒有對復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)給出一個較明確的整定時限計算指導(dǎo)，而在實(shí)際的小水電站中，發(fā)電機(jī)復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)的時間整定也是五花八門，各種時限整定的都有。

1 技改前存在的問題

閩西山區(qū)的引水式電站永定蘆下壩水電站建于20世紀(jì)70年代，在增效擴(kuò)容設(shè)計改造前，原裝機(jī)容量為2×8750 kW，增效擴(kuò)容后裝機(jī)2×12500 kW，電站兩回出線，一回110 kV線路與地調(diào)變電站聯(lián)絡(luò)，另一回近區(qū)35 kV出線是后期擴(kuò)建直供鄉(xiāng)鎮(zhèn)35 kV變電站的企業(yè)負(fù)荷。原主接線如圖1所示，受當(dāng)時的設(shè)計理念和地形影響，前期建設(shè)沒有考慮后期的擴(kuò)建需求，后期擴(kuò)建為了減少開挖方量、降低投資，近區(qū)變回路采用戶外布置方式，經(jīng)過戶內(nèi)的發(fā)電機(jī)母排搭接通過穿墻套管，架空跳線到布置在更高臺階、相對平坦的山頭的柱上隔離開關(guān)、真空開關(guān)后經(jīng)變壓器升壓后給35 kV近區(qū)饋線負(fù)荷。該電站處于山區(qū)多雷暴日區(qū)域，技改前多次出現(xiàn)該段跳線雷擊電桿事件，絕緣子被擊穿閃絡(luò)放電，造成圖1處d-1點(diǎn)的相間短路；另外電站還采用老式的GG（1A）-F高壓開關(guān)柜，這種柜型是敞開式，發(fā)電機(jī)母線裸露在柜體上空，也曾經(jīng)發(fā)生過小動物進(jìn)入開關(guān)室短接母線引起火災(zāi)事件。這兩種事故是電站多年運(yùn)行中存在的較為嚴(yán)重的短路現(xiàn)象，技改必須著重解決。

圖1 原主接線圖

按照繼電保護(hù)范圍，上述d-1點(diǎn)和母線短路兩種情況都屬于發(fā)電機(jī)外部短路，發(fā)電機(jī)復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置應(yīng)該動作，以較短的時限跳發(fā)電機(jī)出口斷路器和變壓器高壓側(cè)斷路器，縮小故障范圍，較長的時限動作于停機(jī)，無論跳發(fā)電機(jī)斷路器還是停機(jī)，都將使廠用電消失。農(nóng)村水電站線路的后備保護(hù)一般采用過電流保護(hù)，其保護(hù)裝置時限按照選擇性動作時限配合的原則，根據(jù)潮流的走向，電站的輸電線路又與上一級送往負(fù)荷側(cè)的線路的保護(hù)時限進(jìn)行配合，經(jīng)過這樣一系列的時限級差的配合，在末端負(fù)荷側(cè)的后備保護(hù)時限較短，靠近電站電源側(cè)的線路后備保護(hù)動作時限就整定的較長。電站輸電線路接入電網(wǎng)系統(tǒng)，電網(wǎng)公司按照上述的動作時限配合給定整定值。

根據(jù)以上原則，發(fā)電機(jī)的復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)實(shí)際上間接須要與線路的后備保護(hù)配合，永定蘆下壩電站出線的保護(hù)后備保護(hù)裝置經(jīng)地方調(diào)度給定，過電流時限為6 s，變壓器的后備保護(hù)又與線路的后備保護(hù)配合，經(jīng)過一個級差后為6.5 s，而發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)復(fù)合電壓起動過電流保護(hù)同樣也跟變壓器的的后備保護(hù)的最大時限配合一個時限級差0.5 s，因此最后發(fā)電機(jī)的復(fù)合電壓起動過電流保護(hù)時限7.0 s。這在《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理》（天津大學(xué)、賀家李、宋從矩編）［4］里也有說明類似發(fā)電機(jī)復(fù)合電力啟動過電流保護(hù)以及負(fù)序過電流保護(hù)的動作時限應(yīng)保證外部短路時動作的選擇性，一般采用5～10 s。

在傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)中，復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)作為發(fā)電機(jī)主保護(hù)的后備保護(hù)，很大意義上是保障差動主保護(hù)拒動時作為后備保護(hù)啟動，隨著微機(jī)繼電保護(hù)裝置的成熟利用，主保護(hù)拒動的概率很小?，F(xiàn)階段這種整定方式更大的意義，是本著動作選擇性的原則，保證保護(hù)動作的選擇性，保障電網(wǎng)供電的可靠性和連續(xù)性。因此無論作為發(fā)電機(jī)主保護(hù)的后備保護(hù)還是作為發(fā)電機(jī)外部相間短路的后備保護(hù)，在須要發(fā)電機(jī)復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)動作時，顯然事故延續(xù)的時間較長。圖1 d-1點(diǎn)的短路相當(dāng)于母線短路，其短路電流與發(fā)電機(jī)端發(fā)生短路的短路電流大小基本一致，如果是不對稱的雷擊短路，定子負(fù)序電流所產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子有2倍同步速的相對速度，將在轉(zhuǎn)子勵磁繞組、阻尼繞組、以及整個的轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)電流，這些電流將會引起轉(zhuǎn)子過熱被燒毀的事故，發(fā)電機(jī)外部不對稱短路除了產(chǎn)生較大幅值的短路電流，短路電流周期分量外還有非周期分量和負(fù)序兩倍頻率分量，這些分量長時間持續(xù)作用于機(jī)組，產(chǎn)生的交變電磁轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)子軸和定子基座上，會引起機(jī)組的振動，也會使定子繞組端部嚴(yán)重向外脹開彎曲，對發(fā)電機(jī)線圈端部固定結(jié)構(gòu)破壞性也極大，容易留下隱患[5]。

蘆下壩電站出現(xiàn)的雷擊d-1點(diǎn)短路和母線短路，均處于發(fā)電機(jī)主保護(hù)差動保護(hù)范圍外，須要后備保護(hù)復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)動作，根據(jù)整定時限，短路電流持續(xù)7.0 s后動作跳開斷路器，切除故障點(diǎn)，短路電流持續(xù)時間較長，曾經(jīng)出現(xiàn)過機(jī)組過熱，繞組端部受到機(jī)械損壞松動，須要停電檢修。

現(xiàn)代的發(fā)電機(jī)斷路器制造水平的不斷提高，固有分閘時間較短，以及微機(jī)繼電保護(hù)裝置根據(jù)輸入電流電壓算法的不斷精準(zhǔn)與完善，動作繼電器的動作時限不斷提高，整套繼電保護(hù)裝置自身的動作時間都力圖縮短，以避免擴(kuò)大事故后果。但是由于受如上的這種時限的配合，這些先進(jìn)技術(shù)的設(shè)備和裝置的優(yōu)點(diǎn)沒有體現(xiàn)出來。

因此，針對發(fā)電機(jī)的復(fù)合電壓起動的過電流保護(hù)，本著從保護(hù)發(fā)電機(jī)組本體出發(fā)，作為發(fā)電機(jī)主保護(hù)的后備保護(hù)，其動作時間的整定，與主保護(hù)差動保護(hù)的動作時限進(jìn)行配合對機(jī)組更有利；另一方面，從電網(wǎng)逐級保護(hù)的選擇性動作來看，發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)作為上一級元件的遠(yuǎn)后備保護(hù)，其整定時間必須配合電網(wǎng)線路的保護(hù)時間來整定，這個時間根據(jù)電網(wǎng)給定的時間配合級差，一般整定時間較長。

水電站中變壓器是個大阻抗元件，變壓器低壓側(cè)短路與變壓器高壓側(cè)短路，發(fā)電機(jī)貢獻(xiàn)的短路電流的大小差距很大，如果保護(hù)裝置能夠根據(jù)短路電流的大小識別短路故障點(diǎn)，在發(fā)電機(jī)外部變壓器前發(fā)生短路時（如圖1中d-1點(diǎn)），較大的短路電流情況下快速切除故障點(diǎn)，而在較小的短路電流情況下（如圖中d-2點(diǎn)以外），作為上一級元件的遠(yuǎn)后備保護(hù)，根據(jù)保護(hù)的逐級選擇性整定時間，以較大的時限來滿足保護(hù)動作選型性要求。這種思路在現(xiàn)代的微機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)上，根據(jù)輸入電流電壓值進(jìn)行算法分析，邏輯上是可以實(shí)現(xiàn)的。但是按照設(shè)計手冊，復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)是根據(jù)最大負(fù)荷電流整定，而實(shí)際上無論變壓器前與變壓器后發(fā)生短路，短路電流基本都大于正常的負(fù)荷電流。所以根據(jù)短路電流大小用兩個時限來啟動保護(hù)動作無法實(shí)施。

2 采用的技改方案

針對d-1點(diǎn)和母線發(fā)生短路的這兩種情況，兩種思路方式，一種是技改采取相應(yīng)的措施，杜絕短路事故，另一種是即使發(fā)生該種短路情況，盡快把發(fā)電機(jī)從短路點(diǎn)切除出來，保護(hù)發(fā)電機(jī)。根據(jù)上面的思路，從盡可能減少短路事故的概率出發(fā)，顯然原來的布置方式不妥，相當(dāng)于把敞開式的發(fā)電機(jī)母線延長至戶外，增加了事故的概率，技改時改造一次設(shè)備開關(guān)柜，結(jié)合原有的設(shè)備土建基礎(chǔ)，把開關(guān)柜換成封閉式的XGN2-12型，把原來敞開式的母線布置在封閉的主母線室內(nèi)，減少了外界因素短接母線的概率。原有的近區(qū)饋線回路戶外布置方式，受雷電天氣影響，成為事故的另一個因素，設(shè)計思路把該回路作為戶內(nèi)開關(guān)柜布置方式，可以有效地避免雷電沖擊，但由于受原有高壓開關(guān)室空間的影響，無法多布置一個回路的間隔。分析d-1點(diǎn)短路是在高處的電桿或?qū)Ь€上，使絕緣子閃絡(luò)發(fā)生短路的情況較多，主要原因是該段線路絕緣水平低，技改增加該段跳線的絕緣子耐壓水平，更換該段導(dǎo)線采用絕緣架空導(dǎo)線，把遠(yuǎn)處電桿的接地線延伸與主接地網(wǎng)連接，降低電阻。同時在近區(qū)變區(qū)域增加避雷針避雷措施，把雷擊電桿概率盡量降低。原布置方式利用柱上開關(guān)內(nèi)的電流互感器作為該回路的保護(hù)測量用電流互感器，布置于短路點(diǎn)d-1后面，無法反應(yīng)故障點(diǎn)前面的電流，這使近區(qū)變饋線回路主保護(hù)失去保護(hù)作用，技改設(shè)計利用原有的布置特點(diǎn)，改造方案：把原發(fā)電機(jī)母線引出戶外的穿墻套管更換為電流互感器。同時增加一組近區(qū)變的差動保護(hù)裝置。把遠(yuǎn)處近區(qū)變柱上開關(guān)及刀閘移至引出線側(cè)，使d-1點(diǎn)的短路在柱上開關(guān)后段。

改造布置參如圖2所示，這樣即使d-1發(fā)生短路，短路點(diǎn)發(fā)生在柱上開關(guān)后段，在近區(qū)出線主保護(hù)范圍內(nèi)，出線側(cè)電流互感器和35 kV側(cè)電流互感器檢測到事故電流，差動保護(hù)瞬時動作跳開柱上開關(guān)，不須要發(fā)電機(jī)復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置啟動后延時跳出口斷路器以及停機(jī)，保障了廠用電的供電可靠性和發(fā)電機(jī)本體的安全，完成了繼電保護(hù)動作的選擇性。

圖2 改造布置圖

3 結(jié)束語

早期建設(shè)的農(nóng)村水電站，受當(dāng)時規(guī)劃以及資金、觀念的限制，存在著分期建設(shè)計不合理，樞紐布置沒有統(tǒng)籌考慮，設(shè)備技術(shù)落后，布置空間局促等很多問題。因此，對于小型水電站的增效擴(kuò)容技改中，不僅須要針對擴(kuò)容進(jìn)行設(shè)計，更須要針對電站多年運(yùn)行中存在的問題和隱患進(jìn)行分析，綜合考慮電站設(shè)備的布置方式和保護(hù)配置，合理地在一次設(shè)備樞紐布置上和落后的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行全面地統(tǒng)籌考慮，消除電站外部環(huán)境和內(nèi)部設(shè)備引起的事故隱患；靈活地配置各電氣設(shè)備的繼電保護(hù)裝置，盡量保障發(fā)生在每個電氣元件上的事故由主保護(hù)正確動作，避免事故時間延遲，保障水電站整體運(yùn)行的安全性和可靠性。