老撾南塔河1 號(hào)水電站高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置與繼電保護(hù)的配合設(shè)計(jì)

梁?jiǎn)|，覃貴芳，陳 洋

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；3.廣西沿海鐵路股份有限公司，廣西欽州 535000）

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)外新建大型水電站增速放緩，中小型水電站以其相對(duì)“短平快”的優(yōu)勢(shì)遍地開花，建設(shè)步伐加快。中小型電站與大型電站相比，規(guī)模小，投資少，但五臟俱全，特殊要求較多。對(duì)于中小型電站的用戶而言，它們更多注重設(shè)備穩(wěn)定、可靠，而不是過于強(qiáng)大、值得炫耀的裝置。對(duì)設(shè)計(jì)院而言，既要針對(duì)各風(fēng)格迥異的中小型電站提出有效、合理的設(shè)計(jì)方案，又要注意盡量控制成本。

為符合市場(chǎng)化思路，靈活適應(yīng)不同規(guī)模、不同工程的要求，中小型水電工程以經(jīng)濟(jì)適用為設(shè)計(jì)理念。

老撾南塔河1 號(hào)（Nam Tha 1）水電站工程是由南方電網(wǎng)公司出資建設(shè)，老撾電力公司（EDL）參股的BOT 項(xiàng)目，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司為設(shè)計(jì)單位。

本工程的高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置（FU-R）與繼電保護(hù)的配合方案，已在該工程中投入使用3年以上。本文主要介紹在廠用電分支采用高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置時(shí)相關(guān)的繼電保護(hù)如何配合的設(shè)計(jì)方案。

1 老撾南塔河1 號(hào)水電站基本情況

1.1 工程概況

老撾南塔河1 號(hào)水電站座落于老撾人民共和國(guó)的北部。電站為壩后式，壩址位于博膠省，距河口62 km。電站樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、發(fā)電引水系統(tǒng)、引水式發(fā)電廠房及進(jìn)廠公路組成，屬Ⅰ等工程。電站采用1 根壓力鋼管供3 臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的供水方式，主管為Y 型岔管，直徑為8.20 m。電站廠房安裝3 臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為168 MW（3×56 MW）。

電站配置1 套計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，按少人值班的要求設(shè)計(jì)。

1.2 主變高低壓側(cè)的接線形式及繼電保護(hù)配置

以1 號(hào)主變壓器為例，本工程的主變壓器高壓側(cè)為115 kV，配置1 套115 kV 主變保護(hù)，含主保護(hù)、后備保護(hù)、非電量保護(hù)裝置各1 套。低壓側(cè)：（1）發(fā)電機(jī)出口設(shè)1 臺(tái)真空斷路器，配置1 套發(fā)電機(jī)保護(hù)，含主保護(hù)、后備保護(hù)裝置各1 套；（2）廠變、生活區(qū)變高壓側(cè)各配置1 臺(tái)真空斷路器，且均采用高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置（FU-R），同時(shí)各配置1 套變壓器測(cè)控保護(hù)裝置。接線如圖1 所示。

圖1 老撾南塔河1 號(hào)水電站主變高低壓側(cè)的接線示意圖

2 高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置（FU-R）基本原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 選擇高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置的原因

一般來說，如果廠用分支出現(xiàn)短路，只要繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，跳開廠用分支斷路器即可。但短路情況不同，短路電流大小也不同。較為極端的情況下，當(dāng)廠用分支出現(xiàn)短路，發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)將作為兩個(gè)強(qiáng)大的電源點(diǎn)向短路點(diǎn)提供電流，其短路電流很大，甚至超過發(fā)電機(jī)自身能提供的電流。為了應(yīng)對(duì)這一情況，需要配置較高分?jǐn)嗄芰Φ膹S用分支斷路器，很可能與發(fā)電機(jī)出口斷路器相同，或更大。有的大型水電站甚至采用SF6 斷路器。而對(duì)于中小型電站來說，上述斷路器造價(jià)高昂，而應(yīng)對(duì)的僅僅是較為極端、出現(xiàn)概率極低的短路情況，大多數(shù)情況下廠用分支的短路電流較小，不需要如此高分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲?。因此，中小型水電站可以選擇更為經(jīng)濟(jì)的高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置+適中分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲髋浜线M(jìn)行保護(hù)[1]。

2.2 高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置的基本原理

高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置（FU-R）主要由高壓熔斷器及非線性電阻組成。根據(jù)上述使用背景，可大致將廠用分支的短路電流分為大、小兩種工況，以斷路器分?jǐn)嗄芰ψ鳛榉纸纾?/p>

（1）短路電流較小，低于斷路器的分?jǐn)嗄芰?，則只需要跳開斷路器即可。

（2）短路電流較大，超過斷路器的分?jǐn)嗄芰?，此時(shí)斷路器不應(yīng)動(dòng)作，以免損壞；同時(shí)應(yīng)通過FU-R 中的熔斷器熔斷對(duì)故障回路進(jìn)行保護(hù)。熔斷器具有反時(shí)限特性，電流越大，熔斷越快[2]。同時(shí)FU-R 中的非線性電阻起到限流作用。

（3）綜上所述，斷路器與FU-R 之間存在由誰優(yōu)先切斷短路電流的問題，也是需要解決的核心問題。

2.3 高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置的優(yōu)勢(shì)

雖然在廠用分支出現(xiàn)大電流時(shí)會(huì)消耗1 個(gè)熔斷器，但因其造價(jià)較低且易于更換，出現(xiàn)大電流短路故障的概率又極低，相比價(jià)格高的高分?jǐn)嗄芰Φ臄嗦菲?，選擇高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置是一種較為經(jīng)濟(jì)的選擇[3]。因此高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置（FU-R）越來越廣泛地應(yīng)用于中小型水電站中。

2.應(yīng)注意保持日糧組成的全價(jià)性，供給富含維生素B1的飼料。在大型飼養(yǎng)場(chǎng)，干飼料飼喂時(shí)，目前普遍采取補(bǔ)充維生素添加劑的方法。

3 高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置（FU-R）與繼電保護(hù)的配合方案

本工程廠用變壓器保護(hù)以及主變壓器保護(hù)（僅部分保護(hù)功能）動(dòng)作都會(huì)發(fā)令給廠用分支斷路器跳閘，而FU-R 不受繼電保護(hù)裝置的控制，因此斷路器與FU-R 誰先切斷故障電流的問題，實(shí)際上是繼電保護(hù)裝置與FU-R 的配合問題。

3.1 廠用變保護(hù)測(cè)控裝置與FU-R 的配合方案

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)常見的幾家繼電保護(hù)廠家，其保護(hù)測(cè)控裝置均有大電流閉鎖功能。即可以給保護(hù)測(cè)控裝置設(shè)定一個(gè)電流閉鎖值，該值就是斷路器的分?jǐn)嗄芰χ?。?dāng)保護(hù)測(cè)控裝置檢測(cè)到廠用分支的電流高于保護(hù)動(dòng)作值且低于閉鎖值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，廠用分支斷路器跳閘；當(dāng)保護(hù)測(cè)控裝置檢測(cè)到廠用分支的電流高于保護(hù)動(dòng)作值且高于閉鎖值時(shí)，保護(hù)閉鎖，只報(bào)警、不動(dòng)作，即不發(fā)指令給廠用分支斷路器跳閘，等待FU-R先熔斷，切斷故障電流。

該大電流閉鎖功能足以解決廠用分支的保護(hù)測(cè)控裝置與FU-R 的配合問題。

3.2 主變保護(hù)裝置與FU-R 的配合方案

相比保護(hù)測(cè)控裝置，主變保護(hù)往往缺少對(duì)支路的大電流閉鎖功能。本工程采用“南瑞繼?！钡暮Ｍ獍嬷髯儽Ｗo(hù)裝置，但廠家明確表示（當(dāng)時(shí)的）主變保護(hù)裝置沒有大電流閉鎖功能。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)幾大繼電保護(hù)品牌的主變保護(hù)裝置也沒有該功能。為了實(shí)現(xiàn)主變保護(hù)裝置與FU-R 的配合，提出如下4 種方案：

（1）在主變保護(hù)裝置中增加大電流閉鎖功能。這在硬件上應(yīng)該不存在困難，也不需要特殊的配置，但需要廠家修改保護(hù)裝置的程序（軟件），而保護(hù)裝置的程序往往需要經(jīng)過各種嚴(yán)格檢驗(yàn)才正式投入使用，修改程序的辦法雖然是最靈活的辦法，卻也可能會(huì)出現(xiàn)BUG。從安全及可靠性角度考慮，本工程放棄了修改保護(hù)程序的方案。

（2）主變保護(hù)動(dòng)作時(shí)不跳廠用分支斷路器。從原理上分析，廠用分支不是電源點(diǎn)，當(dāng)主變范圍內(nèi)發(fā)生短路時(shí)，只要切斷主變高壓側(cè)、發(fā)電機(jī)側(cè)兩個(gè)電源點(diǎn)即可切斷所有短路電流。但廠用分支斷路器作為主變低壓側(cè)的一臺(tái)斷路器，故障時(shí)不跳閘，不符合國(guó)標(biāo)[4]及行標(biāo)[5]中“跳主變各側(cè)”的要求，且考慮到該項(xiàng)目建成后將由南方電網(wǎng)公司運(yùn)營(yíng)20 多年，應(yīng)盡可能遵照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。因此本工程未采用該方案。

（3）依靠時(shí)間配合。根據(jù)熔斷器的資料復(fù)核，一個(gè)選型恰當(dāng)?shù)娜蹟嗥髟诔霈F(xiàn)大電流時(shí)的熔斷時(shí)間應(yīng)該在0.5 s 內(nèi)，因此可以在主變保護(hù)的廠用分支跳閘出口設(shè)延時(shí)，比如1～2 s。通過時(shí)間配合，利用熔斷器的反時(shí)限特性，理論上可以在出現(xiàn)大電流時(shí)讓熔斷器先熔斷、斷路器再跳閘。電流越大，熔斷器熔斷越快；電流較小，則熔斷器熔斷時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)長(zhǎng)于保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。目前不少電站主要采用該方案進(jìn)行配合。

但該方案也存在過于理想化的問題。熔斷器的實(shí)際熔斷時(shí)間受到選型的影響，如選型略有偏差，則熔斷器熔斷時(shí)間可能更長(zhǎng)。另外，隨著時(shí)間的推移，熔斷器的物理特性、斷路器固有跳閘時(shí)間、微機(jī)型保護(hù)裝置的性能都有可能發(fā)生微小的變化，進(jìn)而造成原先設(shè)定的時(shí)間配合產(chǎn)生變化，如果時(shí)間差設(shè)置過短可能導(dǎo)致配合失誤，如果時(shí)間差設(shè)置過長(zhǎng)又達(dá)不到應(yīng)有的繼電保護(hù)效果。因此本工程未采用該方案。

（4）依靠硬接線閉鎖。綜合（2）和（3）的主要思路，我們發(fā)現(xiàn)主變保護(hù)動(dòng)作時(shí)，廠用分支需要跳閘——可以跳閘但不急于瞬時(shí)跳閘。主變高壓側(cè)斷路器、發(fā)電機(jī)出口斷路器必須具備大電流分?jǐn)嗄芰?，大電流時(shí)2臺(tái)斷路器可直接跳閘，而跳閘后實(shí)際已經(jīng)切斷了短路電流，此時(shí)廠用分支斷路器再跳閘已無風(fēng)險(xiǎn)。即只要保證主變高壓側(cè)斷路器、發(fā)電機(jī)出口斷路器先跳閘，廠用分支斷路器后跳閘即可。如果熔斷器在此之前熔斷，同樣達(dá)到了斷路器與FU-R 的配合目的。因此可在主變保護(hù)跳廠用分支斷路器的硬接線回路中串入主變高壓側(cè)斷路器、發(fā)電機(jī)出口斷路器的分閘位置接點(diǎn)。同時(shí)為了防止跳閘命令提前消失，本工程要求“南瑞繼?！睂⒅髯儽Ｗo(hù)跳廠用分支斷路器的出口脈寬調(diào)至最大（800 ms），且該發(fā)令時(shí)長(zhǎng)不會(huì)導(dǎo)致廠用分支斷路器的跳閘線圈損壞。

硬接線回路一直被視為比較可靠的控制回路，較為重要的回路一般都采用硬接線形式。因此本工程采用該方案。

3.3 高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置與繼電保護(hù)的配合方案總結(jié)

（1）要保證出現(xiàn)大電流的短路時(shí)，熔斷器熔斷早于廠用分支斷路器跳閘。

（2）廠用分支的保護(hù)測(cè)控裝置動(dòng)作時(shí)，采用裝置本身的大電流閉鎖功能。

（3）主變保護(hù)跳廠用分支斷路器的回路串入主變高壓側(cè)斷路器、發(fā)電機(jī)出口斷路器的分閘位置接點(diǎn)閉鎖。

4 結(jié)語

老撾南塔河1 號(hào)水電站已于2018年10月正式投產(chǎn)發(fā)電，并于2019年底、2020年初分別順利通過了竣工安全鑒定和專項(xiàng)驗(yàn)收。目前電站已安全穩(wěn)定運(yùn)行3年，高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置（FU-R）與繼電保護(hù)的配合方案也將得到實(shí)踐的檢驗(yàn)。

通過對(duì)本工程高壓限流熔斷器組合保護(hù)裝置（FU-R）與繼電保護(hù)配合的電氣二次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為國(guó)內(nèi)外中小型水電站的開發(fā)給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了更新、更高的要求，設(shè)計(jì)中必須保有謹(jǐn)小慎微、靈活多變的設(shè)計(jì)思路，以適應(yīng)復(fù)雜多樣的工程要求并有效節(jié)省投入成本。