大型抽水蓄能發(fā)電電動機變壓器組繼電保護設(shè)計

鄭波

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

大型抽水蓄能發(fā)電電動機變壓器組繼電保護設(shè)計

鄭波

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

基于抽水蓄能機組的結(jié)構(gòu)，通過研究機組運行特性，形成大型抽水蓄能發(fā)電電動機變壓器組繼電保護設(shè)計的一般原則和典型策略。通過分析進口保護裝置的設(shè)計不足，提出適合國產(chǎn)化機組的保護設(shè)計方案。

抽水蓄能;繼電保護;策略

1 引言

近年來，我國抽水蓄能電站的建設(shè)步伐呈現(xiàn)加快趨勢，核準(zhǔn)開工數(shù)量和規(guī)模都達到了歷史新高，加快抽水蓄能電站的開發(fā)建設(shè)是今后我國電力發(fā)展的重點方向之一。隨著大型抽水蓄能機組國產(chǎn)化的逐步實現(xiàn)，繼電保護系統(tǒng)的國產(chǎn)化也日益成熟。抽水蓄能機組啟停頻繁，運行工況多，繼電保護的配置比常規(guī)水電機組更復(fù)雜，對抽水蓄能機組的繼電保護配置進行深入研究，形成具有普遍指導(dǎo)意義的設(shè)計思路和方案，對提高我國抽水蓄能機組繼電保護的設(shè)計能力和生產(chǎn)效率等具有重大意義。

2 保護配置方案

目前，國內(nèi)已建/在建抽水蓄能機組主接線主要形式為發(fā)變組單元接線，發(fā)電電動機出口設(shè)置斷路器，換相隔離開關(guān)設(shè)在主變低壓側(cè)。本文以此為例，通過分析抽水蓄能機組的運行特性和保護設(shè)計的一般原則，提出大型抽水蓄能發(fā)電電動機變壓器組繼電保護的配置方案。

2.1 發(fā)電電動機保護配置（表1）

2.2 主變壓器保護配置（表2）

3 差動保護的優(yōu)化

3.1 提高差動保護的可靠性

發(fā)電電動機和主變壓器的每組差動保護均含一個小差動和一個大差動，可有效消除發(fā)電電動機和主變壓器保護的死區(qū)（圖1）。這種方案筆者所在單位已申請發(fā)明專利，專利號ZL2009 1 0258393,5。

對發(fā)電電動機和主變壓器而言，小差動均可全工況投入。因大差動包含起動母線和被起動母線，在同步拖動、被拖動過程中，要區(qū)別分析。

在同步拖動、被拖動過程中，大差動87G’-A、87G’-B在發(fā)電電動機外側(cè)的電流互感器并無電流通過，因此閉鎖并無風(fēng)險。機組可通過低頻過流來保護。以往進口保護裝置采用抬高定值的辦法開放該保護功能，其實沒有必要。

在同步拖動、被拖動過程中，大差動87T’-A、87T’-B在發(fā)電電動機側(cè)的電流互感器流過的并非主變電流，會影響主變差動的動作行為，因此應(yīng)閉鎖低壓側(cè)電流，但大差動仍可投入。以往進口保護裝置直接閉鎖該保護功能，降低了保護的可靠性。

圖1 發(fā)電電動機-主變壓器差動保護配置典型方案

表1 發(fā)電電動機保護配置表

3.2 提高勵磁變保護的靈敏度

勵磁變的阻抗相對較大，勵磁變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時，折算到高壓側(cè)短路電流非常小。當(dāng)速斷保護無法完整反映整個低壓側(cè)繞組的短路故障時，為了提高靈敏度，可以配勵磁變差動保護。勵磁變差動保護可提高內(nèi)部故障檢測靈敏度，對于低壓側(cè)故障，其靈敏度遠(yuǎn)高于電流速斷保護。但是，勵磁變壓器兩側(cè)電流波形諧波含量較高，對差動保護的整定、算法需要特別對待。

表2 主變壓器保護配置表

4 保護閉鎖邏輯的改進

國內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)早期，保護裝置隨主機設(shè)備進口。國外進口的保護裝置普遍采用導(dǎo)葉全開和全關(guān)位置作為逆功率保護和低功率保護投退的判據(jù)，實則不妥。

4.1 逆功率保護

發(fā)電→發(fā)電調(diào)相：導(dǎo)葉位置從全開到逐漸關(guān)閉的過程中，在空載開度以下時，機組實際上已經(jīng)要開始吸收一定的有功，隨著開度的減小，吸收功率增加直至超過逆功率定值。若選用導(dǎo)葉全關(guān)位置作為逆功率保護退出的判據(jù)，可能會造成逆功率保護的誤動。所以逆功率保護的延時還必須可靠躲過這個過程，但延時可能較長。若由機組順控流程適時給出閉鎖令，便不需等到導(dǎo)葉全部關(guān)閉，只要到了空載開度時即可閉鎖。

發(fā)電調(diào)相→發(fā)電：工況轉(zhuǎn)換至發(fā)電穩(wěn)態(tài)后即可由順控流程發(fā)令開放保護功能。若采用導(dǎo)葉全開位置作為保護恢復(fù)的判據(jù)，相當(dāng)于延后了保護功能的投入，對機組是不利的。

4.2 低功率保護

水泵→水泵調(diào)相：導(dǎo)葉關(guān)到抽水工況初始開度以后應(yīng)閉鎖低功率保護，而非等到導(dǎo)葉全關(guān)位置。對于工況轉(zhuǎn)換等過渡過程，考慮到機組本身不在穩(wěn)態(tài)，應(yīng)盡早閉鎖相關(guān)保護，這個時候由順控流程提供閉鎖點較為合適。

水泵調(diào)相→水泵：導(dǎo)葉開至抽水工況初始開度即可由順控流程發(fā)令開放保護功能，用導(dǎo)葉全開位置作為保護恢復(fù)的判據(jù)也是不合適的。

5 保護功能和勵磁調(diào)節(jié)功能有機配合

根據(jù)中國電力科學(xué)研究院《華東直調(diào)機組網(wǎng)源協(xié)調(diào)重要參數(shù)核查報告》，發(fā)現(xiàn)存在大量發(fā)電機組轉(zhuǎn)子過負(fù)荷綜合能力、定子過負(fù)荷綜合能力不能滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保護定值與勵磁系統(tǒng)沒有合理匹配。保護定值過小，保護先于勵磁限制器動作而動作，嚴(yán)重束縛了發(fā)電機的過負(fù)荷能力，這些問題不僅直接危及發(fā)電機組的安全運行，也威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

發(fā)電電動機、變壓器保護應(yīng)和勵磁系統(tǒng)各限制環(huán)節(jié)匹配。首先，勵磁限制環(huán)節(jié)應(yīng)滿足發(fā)電電動機許可的最大工作范圍，在發(fā)電電動機、變壓器保護動作之前發(fā)揮作用。勵磁系統(tǒng)過勵磁限制環(huán)節(jié)應(yīng)與發(fā)電電動機或變壓器的過激磁保護定值相配合。勵磁系統(tǒng)定子過壓限制環(huán)節(jié)應(yīng)與發(fā)電電動機過壓保護定值相配合。勵磁系統(tǒng)的過勵限制環(huán)節(jié)的特性應(yīng)與發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子的過負(fù)荷能力相一致，并與發(fā)電電動機保護中轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護定值相配合。

6 保護設(shè)計的其他問題

6.1 電流互感器斷線

《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程GB/T14285-2006》4.1.11提出，保護裝置在電流互感器二次回路不正常或斷線時，應(yīng)發(fā)告警信號，除母線保護外，允許跳閘?！冻樗钅馨l(fā)電電動機變壓器組繼電保護配置導(dǎo)則GB/T32898-2016》5.2.1.3 a)提出，電流互感器二次回路斷線時不應(yīng)閉鎖差動保護。后者要求電流互感器二次回路斷線不閉鎖差動保護，有利于機組的安全，防止發(fā)生其他意外，值得提倡。

6.2 軟件換相

抽水蓄能機組的工況轉(zhuǎn)化，會帶來相序的變化，為電流、電壓采集帶來困擾。數(shù)字式繼電保護裝置通過軟件已輕松解決此問題。無需切換電流互感器二次回路或者在換相隔離開關(guān)處增加電流互感器。

值得一提的是，抽水蓄能電站同期檢測回路仍然普遍采用繼電器回路切換的方式保證電壓采集的正確性。

7 結(jié)語

本文是在歸納、總結(jié)國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)或即將投產(chǎn)的抽水蓄能機組的設(shè)計、運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，力求提煉出大型抽水蓄能發(fā)電電動機變壓器組保護設(shè)計的通用性原則和策略，力求使得出的結(jié)論科學(xué)、嚴(yán)密、適用性廣，以期為后續(xù)電站的設(shè)計提供有效建議。

[1]梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]張春生，姜忠見.抽水蓄能電站設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3]GB/T32898-2016抽水蓄能發(fā)電電動機變壓器組繼電保護配置導(dǎo)則[S]．

[4]NB/T35010-2013水力發(fā)電廠繼電保護設(shè)計規(guī)范[S]．

[5]盧勇，賀儒飛.抽水蓄能機組保護及其控制的一些特殊問題的分析[J].電氣與自動化，2014,11:39-41.

TV743

A

1672-5387（2017）08-0026-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.008

2017-06-02

鄭 波（1980-），男，高級工程師，從事水電站電氣二次專業(yè)設(shè)計與管理工作。