抽水蓄能電站發(fā)變組差動保護動作分析

盧 躍，高 駿

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 引言

抽水蓄能電站具有空載、空轉、發(fā)電、抽水調相和抽水等多種工況且短時間內多次轉換。因為在發(fā)電狀態(tài)與抽水狀態(tài)時發(fā)電機的旋轉方向必須相反，所以要求這兩種工況下的發(fā)電電動機的交流電壓以及電流的相序必須相反。針對抽水蓄能電站這個特殊性，需要發(fā)變組差動保護的配置也適應這兩種工況，從而讓發(fā)變組差動保護能正確可靠快速動作。

2 基本要求

按照水電廠繼電保護相關規(guī)程，抽水蓄能電站的差動保護應符合以下幾點規(guī)定：

（1）根據繼電保護的可靠性特點，在發(fā)電電動機和主變壓器之間應配備完全獨立的二個保護措施，并設置于不同的保護屏內以方便對電氣設備的檢測維護。在保護中設置的所有電流互感器(CT)和電壓互感器(PT)的二次側電氣回路均應彼此獨立，同時應具備低頻性。

（2）根據繼電保護的靈敏性特點，差動保護應在區(qū)內故障情況下正確動作，同時采用合適的算法使機組在啟動頻率到甩負荷頻率范圍內都保證良好的靈敏性。

（3）由于抽水蓄能機組的特殊性，在機組發(fā)電和抽水工況轉換時要求相序改變，相應的差動保護裝置應根據發(fā)電換相開關和抽水換相開關信號來改變相序，并通過保護的PLC算法程序來匹配兩種工況下的相序。

（4）為避免差動保護的控制系統在運行工況變化中被誤閉鎖，該保護的控制系統將通過可靠外來的獨立信息，實現投運或關閉。

（5）差動保護裝置應具有與電站監(jiān)控通信系統的連接功能，同時還應配備以下功能：時鐘同步功能、保護、測量和故障錄波等，對相應的信號、閉鎖、跳閘和緊急停機等功能應設置相應電氣回路。

（6）差動保護裝置的軟硬件系統應配備自動檢測功能和動作記錄存儲功能。

（7）差動保護裝置在有個別單元元器件損壞時保證不誤動。

3 配置及優(yōu)化

除配備相應的發(fā)變組差動保護以外，抽水蓄能電站還應配置兩組相同的發(fā)電電動機的差動保護和主變壓器的差動保護，用來保證在緊急故障時將發(fā)電電動機和主變壓器安全切除。

3.1 發(fā)電電動機差動保護

發(fā)電電動機的差動保護作為發(fā)電電動機定子繞組之間及其引出線圈之間短路故障的主保護，該保護系統采用比例制動特性原理。保護瞬時動作后，會產生以下結果：跳滅磁開關以及發(fā)電電動機出口斷路器，最后至停機。

3.2 主變壓器差動保護

主變壓器的差動保護是作為當主變壓器內部或引出線內部短路發(fā)生故障時的主保護。該主保護應具備對區(qū)外短路電壓電流的高比率制動特性，并具備對勵磁涌流二次諧波抑制功能以及躲避區(qū)外來短路電壓時所形成不均勻電流的功能。保護瞬時動作后，會產生以下結果：跳相應的主變壓器高壓側斷路器、廠變高壓斷路器、SFC輸入變斷路器、滅磁開關以及發(fā)電電動機出口斷路器，最后至停機。

3.3 發(fā)變組差動保護配置及其接線改進

在中國早期建設運行的抽水蓄能電站中，發(fā)電電動機和主變壓器上各自設置了差動保護各一套，包括了大差動保護和小差動保護。而大差動的區(qū)域保護范圍則包括了啟動母線和被啟動母線。當發(fā)電機組在抽水工況啟動時，因為大差動保護電源回路的存在會造成啟動電流的產生，而這種電流占發(fā)電機工作額定電流的10%以下，因此使得大差動保護靈敏度下降而引起保護誤動。在發(fā)電機組水泵工況啟動時，由于大差動保護必須退出，若遇到在機組檢修時將小差動保護退出后，這會導致發(fā)電機和主變壓器都在無保護措施的狀況下運行，這是非常不安全的。目前有兩種方法處理這樣的問題：①提高保護系統的冗余量，其優(yōu)點是采用了一個安全保護硬件設備和使用了三組電流互感器，并利用PLC的編程設定形成了二套大差動和小差動保護，并能自由轉換。正常工作時先投入大差動保護，在同步拖動和被拖動的過程中直接退出大差動保護，而此時則加入了小差動保護，以便確保發(fā)電機和主變壓器之間始終存在著二套主保護。缺點是提高了設備維護費用，還必須在發(fā)動機主引出母線上再添加4套電流互感器以及引出的線纜，不但大大增加費用，同時還增加了外部接線的復雜度。②通過改變差動保護工作的微機運算條件，調整差動保護裝置的范圍。該方法好處是接線簡便，且不受小差動保護工作的電壓互感器位置以及大小的直接影響，也無須使主變壓器低壓開關、換相開關和勵磁變電壓互感器等設備脫離系統，因此范圍更大。

4 案例

某抽水蓄能電站故障發(fā)生時，2臺機組抽水工況已運行約3 h。04：00：00監(jiān)控系統發(fā)出2號機發(fā)變組比率差動保護動作、發(fā)變組差動速斷保護動作，立即跳2號機組主變高壓開關、機組出口開關以及2號廠變高壓開關，機組緊急停機。

如圖1所示，發(fā)變組差動保護范圍為變壓器高壓側CT至機組中性點CT之間的電氣一次設備。由于變壓器差動保護和發(fā)電機差動保護未動作，可將故障范圍縮小至隔離母排CT至變壓器低壓側CT之間的一次設備。期間一次設備包括限流電抗器、勵磁變、廠變壓器、SFC、發(fā)電換相開關、抽水換相開關以及這些電氣設備間連接母線及電纜。調取機組保護動作記錄，故障時記錄波形見圖2。

圖1 發(fā)變組保護配置圖

如圖2所示，故障時，A B相電壓幅值相等、相位相同，A B相電流幅值大小相等、相位相反，可判斷故障類型為A B相相間短路，且為瞬時性故障，持續(xù)時間約90 ms。

圖2 故障波形圖

在確定故障類型和故障范圍后，搶修人員對主變低壓側和隔離母排間一次設備進行系統檢查，對各支路進行絕緣測試，相對地、相間絕緣均合格，未發(fā)現明顯故障點。

省調許可2號主變冷備用轉運行，主變轉運行后，檢查10 kV開關設備、廠變、勵磁變、SFC運行正常。09：00：00發(fā)電并網后，發(fā)現2號機組運行聲音異常，判斷為缺相運行，按緊急停機按鈕，停機后檢查2號機組發(fā)電換相開關和出口開關，發(fā)現2號機發(fā)電換相開關A相未同步合閘，初步判斷為A相觸頭與操作機構脫鉤導致。更換2號機組發(fā)電換相開關備件后，機組啟動成功，2號機發(fā)電并列，負荷加載正常。

原因分析：發(fā)電工況和抽水工況采用A B換相設計，在機組抽水運行時，抽水換相開關合閘，發(fā)電換相開關斷開，發(fā)電換相開關A相斷口間承受A B相間電壓。由于發(fā)電換相開關A相開關觸頭未完全分閘到位，在抽水運行時，A相動靜觸頭斷口間絕緣被擊穿而導致局部放電，A、B相間發(fā)生瞬時性短路，持續(xù)時間約90 ms，發(fā)變組差動保護動作。

故障發(fā)生在發(fā)電換相開關A相真空泡內，處于發(fā)電機差動保護、變壓器差動保護區(qū)外，故發(fā)電機差動保護、變壓器差動保護正確未動作。

故障區(qū)域屬于發(fā)變組保護區(qū)內，差動電流達到6.144 Ie，大于6 Ie差動速斷定值，發(fā)變組差動速斷保護正確動作。同時，對比比率差動特性曲線，差動電流滿足比率差動動作方程，發(fā)變組比率差動正確動作。

5 結語

此次故障隱性程度較高，故障點在全封閉的設備柜內，難查找、不易發(fā)現，并且嚴重影響到機組設備的正常運行。本次通過一個發(fā)變組差動保護動作的案例分析，驗證差動保護的安全可靠性，對以后類似故障的原因查找和故障處理有一定的指導作用，也為同類電站分析處理主變壓器差動保護區(qū)內區(qū)外故障開拓了思路。

發(fā)變組保護是發(fā)電廠非常重要的設備之一，對電力系統的安全穩(wěn)定運行起著不容忽視的作用。要想防止各類發(fā)變組保護故障的發(fā)生，一定要勤巡視、勤檢查，必要時根據實際情況對老化的裝置進行改造換型。但是，經驗告訴我們，無論多么先進的設備都需要聯系實際，使用前都要謹慎小心，多做調查研究，多與廠家溝通，要提高自己的技術水平、鑒定水平，不要一味地相信、依賴設備的先進性，導致因為新設備存在邏輯缺陷都不能及時發(fā)現而致使保護誤動事件的發(fā)生。