小型水電站廠用變保護的分析與設(shè)計

古樹平

摘 要：小型水電站的一次系統(tǒng)設(shè)備一般要求簡單經(jīng)濟，但給二次系統(tǒng)的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。小型水電站廠用變高壓側(cè)多采用限流熔斷器加負荷開關(guān)的配置模式，其繼電保護設(shè)計尤為重要，文章分析了廠用變保護的動作邏輯并提出了設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：廠用變；繼電保護；動作邏輯

中圖分類號： TM77 文獻標識碼： B 文章編號： 1673-1069（2016）36-169-2

0 引言

小型水電站的建設(shè)追求投資省見效快，對于電氣系統(tǒng)，一次設(shè)備一般選擇成熟可靠、經(jīng)濟實惠的產(chǎn)品。但對于二次設(shè)備，其配置需根據(jù)一次設(shè)備的情況具體分析與設(shè)計，從而尋求合適的保護方案。小型水電站廠用變從發(fā)電機機端取電，其高壓側(cè)一般采用限流熔斷加負荷開關(guān)的組合，不需配置斷路器，節(jié)省了設(shè)備投資。廠用變保護是提高供電可靠性、確保電站安全運行的關(guān)鍵，其保護方案的設(shè)計需考慮諸多問題。

1 廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運行方式

小型水電站機組為單元接線形式，其廠用電系統(tǒng)分為10kV和400V兩級，10kV為機端即廠用變高壓側(cè)電壓，400V為廠用變低壓側(cè)負荷母線電壓。廠用變高壓側(cè)通過限流熔斷器和負荷開關(guān)與發(fā)電機機端連接，低壓側(cè)通過開關(guān)與400V母線連接。廠用電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單明了，如圖1所示。

廠用電系統(tǒng)的運行方式為正常情況400V母線分兩段獨立運行，每段母線通過不同機組廠用變?nèi)‰?。當任一段母線失電時，400V備投裝置自動啟動，將分段開關(guān)合上，兩段母線并列運行，失電母線從另一機組的廠用變?nèi)‰姟?/p>

小型水電站廠用電的安全可靠運行尤為重要，廠用變保護的分析和設(shè)計需緊緊圍繞廠用電的結(jié)構(gòu)和運行方式展開。

2 廠用變保護動作邏輯分析

廠用變保護的動作邏輯需根據(jù)不同部位的故障情況進行分析，應(yīng)準確且完整。

①當廠用變高壓側(cè)發(fā)生短路故障時，由于配置了限流熔斷器，在短路電流過大時可自動熔斷切斷電路，由其形成保護并切除故障點。如果限流熔斷器未能熔斷并切除故障，則由發(fā)電機保護動作跳發(fā)電機，并跳開主變，此時停電范圍擴大。②當廠用變內(nèi)部繞組發(fā)生短路故障時，由限流熔斷器切除故障。廠用變高壓側(cè)及內(nèi)部故障時，限流熔斷器即為主保護，充當了電流速斷保護的功能。此外，即使配置了電流速斷保護，由于負荷開關(guān)不能開關(guān)大的短路電流，因此速斷保護不能跳開負荷開關(guān)。③當廠用變低壓側(cè)及400V母線發(fā)生短路故障時，廠用變保護動作，可一時限先行跳開400V分段斷路器，如果故障未能切除則二時限跳開廠用變低壓側(cè)400V斷路器。④當廠用變低壓側(cè)發(fā)生單相接地短路故障時，廠用變保護動作，與過流保護類似，一時限先行跳開400V分段斷路器，如果故障未能切除則二時限跳開廠用變低壓側(cè)400V斷路器。⑤當廠用變溫度升高時，廠用變非電量保護動作，延時發(fā)出報警信號，當溫度過高時，保護動作跳閘，跳開發(fā)電機和變壓器，同時跳開廠用變低壓側(cè)400V開關(guān)。

從以上分析可以看出，廠用變保護的動作邏輯復(fù)雜，需考慮各個可能的故障點，同時還需考慮與限流熔斷器及發(fā)電機保護的配合問題。

此外，廠用變高壓側(cè)既連接著發(fā)電機機端，也連接著主變低壓側(cè)。廠用變是否納入主變差動的保護范圍的問題需重點分析。

如果將廠用變納入主變差動保護范圍，即廠用變高壓側(cè)電流互感器不接入主變差動回路，表面上擴大了主變差動的保護范圍，但在廠用變低壓側(cè)發(fā)生短路故障而廠用變保護未能動作時，主變差動保護往往沒有靈敏性。同時，廠用變故障問題容易引起上一級主變差動保護動作，從而擴大了停電范圍，影響了保護的選擇性和可靠性。

反之，如果將廠用變排除在主變差動保護范圍外，即廠用變高壓側(cè)電流互感器接入主變差動回路，則主變差動只保護到廠用變高壓側(cè)。如此，廠用變保護與主變差動保護職責范圍清晰，廠用變故障不會輕易影響主變差動保護，為避免死區(qū)兩者在廠用變高壓側(cè)電流互感器的接入時可形成一定的交叉。

3 廠用變保護方案設(shè)計

根據(jù)上一節(jié)對廠用變保護動作邏輯的分析，進一步形成下列保護設(shè)計方案。

①廠用變不設(shè)置電流速斷保護，由限流熔斷器代替。②廠用變設(shè)置過電流保護，帶兩段時限，一時限跳開400V分斷開關(guān)，二時限跳開廠用變400V側(cè)開關(guān)。③廠用變設(shè)置低壓側(cè)零序過電流保護，帶兩段時限，一時限跳開400V分斷開關(guān)，二時限跳開廠用變400V側(cè)開關(guān)。④廠用變設(shè)置溫度保護，延時報警，必要時跳閘。⑤廠用變高壓側(cè)電流互感器接入主變差動回路。發(fā)電機保護充當廠用變遠后備保護。

上述廠用變的保護設(shè)計方案充分考慮了廠用變各個區(qū)域的故障問題，并兼顧了與發(fā)電機保護和主變差動保護的配合性，方案完整清晰。此外，利用限流熔斷器充當主保護，不需重復(fù)配置電流速斷保護，保護方案簡單可靠。

廠用變設(shè)計方案如圖2所示，零序保護需接入400V側(cè)零序互感器，圖中略。需要說明的是，圖中CT1和CT2均為裝設(shè)于廠用變高壓側(cè)電流互感器，一般裝設(shè)于開關(guān)柜內(nèi)。兩者之間變比不同，接入主變差動保護回路的CT2變比更大，為保證差動保護性能，CT2應(yīng)盡可能與發(fā)電機出口電流互感器同型。

對于CT2，如果選用與發(fā)電機出口同型的大變比互感器，在開關(guān)柜內(nèi)有裝設(shè)困難時，則可適當降低變比，但不應(yīng)使主變差動保護的平衡系數(shù)過大造成整定困難，具體變比可綜合短路電流計算結(jié)果和保護廠家整定值說明確定。CT1帶兩個繞組，一個為保護繞組用于過電流保護、過負荷保護等，另一個為測量繞組用于廠用變電流測量，其變比根據(jù)短路電流計算結(jié)果和廠用變額定電流確定。

4 廠用電設(shè)備配置建議

根據(jù)前面的論述，在廠用變高壓側(cè)采用限流熔斷器加負荷開關(guān)的配置時，可以找到合適且完整的保護方案，但一次設(shè)備的配置給保護方案的設(shè)計都帶來相當大的難度，給定值整定、時限配合也帶來一定的麻煩。此外，負荷開關(guān)無法開斷大的短路電流，因此保護無法直接跳開負荷開關(guān)，有時需要跳發(fā)電機出口斷路器來切除機組，甚至需要跳開主變高壓側(cè)斷路器，以完全切除故障，擴大了故障范圍，給電站帶來停電損失。因此，在進行廠用電設(shè)備選型配置時，除考慮設(shè)備經(jīng)濟性外，也需要使保護方案盡可能簡單。在條件允許時，應(yīng)選用能開斷大短路電流的斷路器。

5 結(jié)論

文章分析了小型水電站廠用電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式，在此基礎(chǔ)上對廠用變保護的動作邏輯和關(guān)鍵問題進行了深入分析，進而提出了完整可靠的保護設(shè)計方案，最后對廠用電系統(tǒng)的設(shè)備配置方案提出了建議。小型水電站廠用電的供電可靠性至關(guān)重要，繼電保護系統(tǒng)的合理配置和設(shè)計是確保水電站安全運行的關(guān)鍵。

參 考 文 獻

[1] 繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S].中華人民共和國國家標準GB/T 14285—2006.

[2] 水力發(fā)電廠繼電保護設(shè)計規(guī)范[S].中國人民共和國能源行業(yè)標準NB/T 35010—2013.