蒲石河抽水蓄能電站發(fā)變組繼電保護的設(shè)計及特點

楊光華，欒德艷，常 穎，彭 倞

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

蒲石河抽水蓄能電站安裝4臺單機容量300 MW的水泵水輪機—發(fā)電電動機組，總裝機容量1 200 MW，出線電壓等級500 kV。發(fā)電機與主變壓器之間的連接采用發(fā)電機-變壓器單元接線方式，每2組單元在變壓器的高壓側(cè)聯(lián)合，以1回500 kV出線送至丹東北變電所。電站500 kV部分共裝設(shè)3組斷路器，構(gòu)成2進1出三角形電氣主接線形式。首臺4號機組已于2011年12月30日完成了15天試運行。

1 發(fā)變組保護配置

1.1 發(fā)電電動機保護配置

發(fā)電電動機共配置A、B 2套保護，A套保護配置有：縱聯(lián)差動保護、過負荷保護、軸電流保護、橫差保護、95%定子接地保護、過激勵保護、低電壓過流保護、失磁保護、失步保護、逆功率保護、過電壓保護、發(fā)電工況相序保護、發(fā)電工況負序過流保護、低頻保護、水泵工況負序過流保護、水泵工況低功率保護、次同步過流保護、水泵工況相序保護。B套保護配置有：縱聯(lián)差動保護、過負荷保護、轉(zhuǎn)子一點接地保護、橫差保護、100%定子接地保護、過激勵保護、低電壓過流保護、失磁保護、失步保護、逆功率保護、過電壓保護、發(fā)電工況相序保護、發(fā)電工況負序過流保護、低頻保護、水泵工況負序過流保護、水泵工況低功率保護、次同步過流保護、水泵工況相序保護、發(fā)電電動機出口斷路器失靈保護。

1.2 勵磁變壓器保護配置

勵磁變壓器共配置A、B 2套保護，A套保護為速斷保護，B套保護為過流保護。

1.3 主變壓器保護配置

主變壓器共配置A、B 2套保護。A套保護有：縱聯(lián)差動保護、過激勵保護、過流保護、零序電流保護、低壓側(cè)接地保護。B套保護有：縱聯(lián)差動保護、過激勵保護、過流保護、零序電流保護、低壓側(cè)接地保護。

變壓器本體保護包括：重瓦斯保護、輕瓦斯保護、溫度保護、壓力釋放裝置、冷卻系統(tǒng)保護、油位保護。變壓器本體保護的功能在主變壓器B套保護屏內(nèi)實現(xiàn)。當主變A或B套微機保護退出后，非電量保護仍然能跳閘、停機、報警等。

2 發(fā)變組保護設(shè)計的特點

2.1 雙重化配置

蒲石河發(fā)變組繼電保護裝置采用西門子公司的數(shù)字式微機保護。包括發(fā)電電動機和主變壓器、勵磁變的保護，采用雙重化配置。發(fā)電機保護兩面屏，分別裝有發(fā)電機的A、B套保護，各自獨立。變壓器保護兩面屏，分別裝有變壓器的A、B套保護，各自獨立。當東北電網(wǎng)急需蒲石河擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和事故備用時，如果此時發(fā)電機的A（B）套保護或變壓器的A（B）套保護其中1套或2套同時故障需要退出時，只剩下的發(fā)電機的B（A）套保護和變壓器的B（A）套保護，機組仍可以有保護允許短期繼續(xù)運行。如果此時發(fā)電機的B（A）套保護或變壓器的B（A）套保護其中一套或兩套同時有故障需要退出時，只剩下的發(fā)電機的A（B）套保護和變壓器的A（B）套保護，機組仍然可以有保護允許短期繼續(xù)運行。真正實現(xiàn)了雙重化。

2.2 高可靠性的軟件切換

與常規(guī)機組保護相比，抽水蓄能機組的保護要考慮換相和低頻特性。利用軟件切換方便的特點，按照不同工況，投入、切除、閉鎖保護。

2.3 兩套定子接地的投切情況

定子接地采用外加20 Hz電源的保護。在機組的啟動過程中，兩套定子接地保護之間按如下順序配合：0～10 Hz時A套95%定子接地保護自動退出，B套100%定子接地保護自動投入；10～40 Hz時A套95%定子接地保護自動投入，B套100%定子接地保護自動退出；40～50 Hz時A、B兩套定子接地保護均自動投入，保護整個定子繞組范圍。

2.4 保護不依賴監(jiān)控而獨立運行

抽水蓄能電站運行工況復(fù)雜，不同運行工況需要配置不同的繼電保護、不同的定值以及不同的保護跳閘輸出。蒲石河抽水蓄能電站發(fā)變組保護設(shè)計對以下2個方案進行了研究。

（1）方案一。由計算機監(jiān)控系統(tǒng)提供運行工況條件或外部搭接邏輯實現(xiàn)保護投退功能。由于繼電保護對可靠性的要求遠大于監(jiān)控系統(tǒng)，在事故情況下，需要繼電保護100%可靠動作，而計算機監(jiān)控系統(tǒng)很難滿足這一要求。

（2）方案二。發(fā)變組保護不依賴監(jiān)控而獨立運行。為使繼電保護不依賴監(jiān)控而獨立運行，我們利用西門子供貨的 7UT613，7UM622，7UT635，7UM612等保護裝置本身具有的開關(guān)量輸入通道及邏輯編程功能，將發(fā)電機出口斷路器、拖動開關(guān)、被拖動開關(guān)、換相開關(guān)、短路開關(guān)、中性點接地開關(guān)、導(dǎo)葉位置開關(guān)等開關(guān)量信號，經(jīng)過邏輯組合，編制出抽水運行工況、抽水調(diào)相工況、發(fā)電運行工況、發(fā)電調(diào)相工況、電氣制動工況、抽水起動工況等，這些工況可能不完全符合機組實際工況，但能夠涵蓋機組的運行工況，簡單、可靠、實用。當計算機監(jiān)控系統(tǒng)故障時，發(fā)變組保護仍能獨立運行。

經(jīng)研究，設(shè)計最終采用方案二，蒲石河發(fā)變組保護能夠不依賴監(jiān)控而獨立運行，增加了機組運行的可靠性。

3 現(xiàn)場調(diào)試中遇到的問題

3.1 背靠背起動過程事故處理

發(fā)電機在背靠背啟動過程中發(fā)生故障時，由于處于低頻狀態(tài)，連接2臺機組的斷路器不能分閘。當頻率低于20 Hz時，如果分開機組出口的斷路器，就會燒毀該斷路器。如果單獨分開一臺發(fā)電機的磁場斷路器，又會造成發(fā)電機失磁，為此，我們考慮同時跳開兩臺機的磁場斷路器的方法，既可以跳閘滅磁，又不會擴大事故。要保證兩臺機的磁場斷路器同時跳開，這就需要通過硬接線下發(fā)跳閘命令。由于兩臺機組背靠背啟動時，拖動、被拖動組合較多，硬接線跳閘邏輯將十分復(fù)雜。設(shè)計單位與西門子公司合作，利用保護裝置的跳閘矩陣，增加背靠背跳閘條件，由監(jiān)控預(yù)先溝通跳閘通道，一旦發(fā)生故障，可立即將拖動、被拖動機組同時跳閘滅磁。該方案具有接線簡單、可靠，可在其他抽水蓄能工程的發(fā)變組保護中應(yīng)用。

3.2 轉(zhuǎn)子一點接地保護選擇

在現(xiàn)場調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)變組的供貨商西門子公司和勵磁系統(tǒng)的供貨商阿爾斯通公司分別提供了一套轉(zhuǎn)子一點接地保護。

阿爾斯通公司成套供貨的MX3IPG2A轉(zhuǎn)子接地保護，經(jīng)查該保護裝置接地電阻設(shè)置值為0.2～4 kΩ。根據(jù)DL/T 5177—2003《水力發(fā)電廠繼電保護導(dǎo)則》中 “保護裝置的靈敏度不宜低于10～20 kΩ”。設(shè)計單位認為阿爾斯通勵磁屏成套供貨的MX3IPG2A轉(zhuǎn)子接地保護定值靈敏度不能滿足我國繼電保護整定要求。

西門子公司提供的轉(zhuǎn)子一點接地保護，采用了西門子公司獨特的1～3 Hz低頻方波注入式原理，靈敏度高達80 kΩ。保護能連續(xù)不斷地監(jiān)測勵磁繞組的對地絕緣值。可有效消除大型機組轉(zhuǎn)子回路對地電容對轉(zhuǎn)子接地保護的影響；可有效消除勵磁電壓變化對轉(zhuǎn)子接地保護的影響；可有效消除勵磁回路高次諧波 (主要為300 Hz)對轉(zhuǎn)子接地保護的影響；可不受機組運行狀態(tài)的影響，在停機的過程中依然有效。

因此，最終選用了西門子轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置，取消了阿爾斯通勵磁屏成套供貨的轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置。

3.3 有關(guān)定子接地保護正確動作的分析

在SFC拖動4號發(fā)電電動機組的啟動過程中，多次發(fā)生100%定子接地保護動作跳閘、停機。經(jīng)現(xiàn)場測量，4號發(fā)電電動機組的定子阻值大于整定值，定子的絕緣情況良好。但SFC裝置回路，在啟動初期0～5 Hz時阻值小于定子接地的整定值，因此100%定子接地保護動作是正確的，說明SFC裝置回路的絕緣阻值不合格。

由于SFC的供貨商沒有即時查出SFC裝置接地的原因，為不影響水泵工況調(diào)試的直線工期，設(shè)計單位采用臨時措施，在0～5 Hz時閉鎖100%定子接地保護的跳閘，仍保留報警功能。確保SFC成功拖動4號發(fā)電電動機組，向上庫抽水。隨后SFC供貨商查出SFC裝置接地的原因是輸入變的星形繞組的中性點不正確接地，因此現(xiàn)場取消當0～5 Hz時閉鎖100%定子接地保護跳閘的臨時措施。

西門子的定子接地保護，在線監(jiān)測定子回路的阻值，在SFC拖動4號機組的調(diào)試工程中，起到了監(jiān)測報警的作用。

3.4 增加控保屏下的銅帶接地

蒲石河的洞口中控樓、副廠房13.20 m高程、發(fā)電機層、地下GIS室、地面500 kV開關(guān)站控保屏當初沒有設(shè)銅帶接地。在此之前，我院常規(guī)電站及蓄能電站控保屏也沒有設(shè)銅帶接地。經(jīng)調(diào)研其他工程的安全鑒定經(jīng)驗及參考專家意見，結(jié)合蒲石河部分地方已經(jīng)施工完畢的情況，在施工過程中，將上述地點的控保屏增加了銅帶接地，增加了發(fā)變組繼電保護裝置和其他保護裝置的抗電磁干擾的能力。