抽水蓄能机组保护的特点及应用

2012-04-14胡东升

水电站机电技术 2012年4期

胡东升

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台 317200）

0 引言

随着我国电力系统建设的快速推进，大型抽水蓄能电站也得到了迅速发展，近年来一批大型抽水蓄能电站相继建成投产。在这些电站机组保护的应用呈现了多样化的特点，国内外知名厂家的保护系统都有应用。本文通过分析抽水蓄能机组保护的特点和配置方式以及几种有代表性的保护系统在现场的应用情况，为国内抽水蓄能机组保护的设计、运行和技术改造提供借鉴。

1 抽水蓄能机组保护的特点

1.1 抽水蓄能机组保护的换相

目前大型抽水蓄能机组普遍采用可逆式机组，它在发电工况和抽水工况时的转向是相反的。机组在运行中利用发电/电动机出口侧的换相闸刀改变一次接线的相序，从而实现转向的不同。机组保护的电压、电流量一般采集自机端的压变和流变，因此，在机组作为电动机运行时采集至机端的电压、电流的相序与作为发电机运行时的相序相反。此时机组保护的电压、电流量也必须进行换相，使之调整为电动机保护。否则，机组的大差动保护、功率型保护、阻抗型保护、相序检查保护等与相序有关的保护都不能正常工作。

1.2 抽水蓄能机组保护对运行工况的识别

抽水蓄能机组具有发电、发电调相、抽水调相、抽水、变频器启动和背靠背启动等多种工况。为了保证机组在不同工况下的稳定可靠运行，必须根据各种工况的特点配置不同的保护，即按照不同工况投入、切除或闭锁相应的保护。如：机组在变频启动过程中，为防止负序过流保护和大差动保护的误动需将其闭锁，而为了在此期间能快速切除启动回路的相间故障需投入此工况下特有的低频过流保护。因此，必须在正确识别机组的运行工况的前提下，才能保证保护装置的可靠运行。

2 抽水蓄能机组保护的换相方式和配置

目前抽水蓄能机组保护装置采用的换相方式主要有采样通道换相方式和软件换相方式。根据换相方式的不同，对机组的保护配置也有较大的不同。

2.1 采样通道换相及保护配置

采样通道换相方式是指保护装置的二次回路接线以正序连接引入采样模块，发电工况保护与采样通道正常连接，抽水工况保护与采样通道换相连接。采用这种换相方式的保护装置需对发电工况和抽水工况各配置一套保护。根据保护的双重化配置原则，如对保护进行完全双重化配置将导致硬件投资大大增加。因此，保护装置一般采用主要保护双重化配置，后备保护根据其保护原理的不同分别配置于两套保护中。

2.2 软件换相及保护配置

软件换相是指保护装置根据采集的状态信号判断机组所处工况或直接采集工况信号后直接在软件中改变相序设置，以使相关的保护计算不受换相的影响。通常保护装置根据换相闸刀位置信号（合于发电方向或抽水方向）来进行换相。采用此方式时同一套保护既能用于发电工况又能用于抽水工况，不需增加硬件的投资，因此，保护装置可采用完全双重化配置方式。

3 抽水蓄能机组保护对运行工况的判别

目前国内已投产的抽水蓄能机组保护对运行工况的判别有多种方式：（1）开入量直接闭锁保护方式。此方式采用能反映工况特点的开关、闸刀、导叶、球阀等重要设备的位置接点直接开入（或经中间继电器转接）到保护装置来闭锁相应保护；（2）保护装置利用开入量定义运行工况方式。此方式利用保护装置本身的开关量输入通道和逻辑编程功能，将能反映工况特点的开关、闸刀、导叶、球阀等重要设备的开关量信号输入到保护装置，经逻辑组合出各种运行工况。（3）监控系统提供运行工况状态量方式。此方式根据监控系统定义的机组运行工况状态量，以中间继电器接点开入到保护装置或采用通讯方式传送给保护装置。

在以上几种运行工况判别方式中（1）和（2）除少数状态量需监控系统提供，多数量都采集自现地设备，不受监控系统的制约，但需考虑提高辅助接点和中间继电器的可靠性，防止保护误动。方式（3）由于运行工况状态量由监控提供，保护装置不能独立于监控系统运行，必须保证监控系统的可靠运行和数据传输的可靠性。

4 几种典型保护系统的应用情况

4.1 ELIN DRS保护系统

ELIN DRS保护系统应用于国内多个抽水蓄能电站。现以某电站为例介绍其应用情况。

该保护系统采用采样通道换相方式。机组配置A、B两套保护，保护根据主保护冗余配置原则进行配置，每套保护均配置了发电机保护和电动机保护。A套配置保护有：发电机相序保护、电动机相序保护、发电机负序过流保护、电动机负序过流保护、差动保护（小差）、低频保护、定子过负荷保护、轴电流保护、转子过负荷保护、过电压保护、发电机失磁保护、电动机失磁保护、低阻抗保护、发电机逆功率保护、转子绝缘保护、100%定子接地保护、过电压保护。B套配置保护有：发电机相序保护、电动机相序保护、发电机负序过流保护、电动机负序过流保护、差动保护（大差）、过励磁保护、低功率保护、低频过流保护、横差保护、95%定子接地保护、开关失灵保护、转子过负荷保护、溅水功率保护、发电机失步保护、电动机失步保护、转子接地保护。

保护系统对运行工况的判别采用开入量直接闭锁保护方式。开入量有：开关位置、换相闸刀位置、电制动刀位置、导叶位置、球阀位置、转速信号、背靠背拖动工况、背靠背被拖动工况、SFC拖动工况、发电调相工况。其中背靠背拖动工况、背靠背被拖动工况、SFC拖动工况、发电调相工况等状态量由监控系统提供。所有的量都经中间继电器扩展后开入保护系统，并利用闭锁矩阵闭锁相应保护。

该保护系统运行情况总体较好，但在运行中出现过因换相闸刀和电制动刀状态信号不可靠导致保护误动作的事件。后采取了①将换相闸刀位置信号组成由三极（A/B/C或A1/B/C1）串联方式改为A/C或A1/C1两极并联再串联B极的方式；②重要保护闭锁开入采用双中间继电器、双节点的方式等措施提高保护闭锁的可靠性。但这种方式也增加了保护误闭锁的可能性，为此在监控系统中增加相应的报警功能。

4.2 西门子SIPROTEC保护系统

西门子SIPROTEC保护系统目前也在多个抽水蓄能电站得到应用。该保护系统采用软件换相方式。以某电站为例：保护系统软件根据换相闸刀抽水位置和被拖动闸刀合闸位置信号（两者构成或门以提高换相的可靠性）启动换相并切换定值组。机组的两套保护基本实现了完全冗余配置，A套保护配置了过激磁保护、过电压保护、横差保护、发电电动机差动保护(大差)、轴电流保护、低电压保护、发电工况逆功率保护、抽水工况低功率保护、失磁保护、负序保护、电压相序保护、定子热过负荷保护、低压记忆过流保护、低频过流保护、基波95%定子接地保护、失步保护、频率保护；B套配置了过激磁保护、过电压保护、横差保护、发电电动机差动(小差)保护、低电压保护、发电工况逆功率保护、抽水工况低功率保护、失磁保护、负序保护、电压相序保护、定子热过负荷保护、低压记忆过流保护、低频过流保护、20Hz-100%定子接地保护、1～3Hz转子接地保护、失步保护、频率保护、GCB失灵保护。

SIPROTEC保护系统运行工况判别方式目前在国内的应用中有两种：（1）由监控系统提供运行工况条件，以中间继电器开入保护系统实现保护的投退。（2）保护根据开关量信号经过逻辑组合出运行工况来实现保护的投退，开关量大多数不经中间继电器扩展直接由辅助接点引入。现以方式（2）为例介绍其应用情况：保护系统将换相闸刀切除/发电/抽水位置、GCB分闸/合闸位置、拖动闸刀合闸位置、被拖动闸刀合闸位置、电制动刀合闸位置、导叶位置、发电运行转发电调相（由监控提供）等信号通过本身的逻辑功能组合成停机工况、发电启动工况、发电运行工况、发电调相工况、背靠背启动拖动机组工况、电气制动工况、抽水启动工况、抽水运行工况、抽水调相工况等，并利用工况信号实现保护的投入和闭锁。保护还对GCB、换相闸刀、拖动刀、被拖动刀的位置信号进行实时检测，当发现信号错误时，将闭锁相应的保护。保护系统通过通讯的方式将保护的投退情况传送至监控系统，以实现对保护系统运行情况的监视

4.3 南瑞RCS-985GW 保护系统

南瑞RCS-985GW保护系统是南瑞近几年针对抽水蓄能机组研发的保护系统，是首个应用于大型抽水蓄能机组的国产保护系统。

RCS-985GW保护系统采用软件换相方式，在换相开关处于“抽水位置”时，发电电动机机端电压、机端电流和中性点电流均由软件进行A、C相自动换相。机组的两套保护完全冗余配置，配置的保护有大差动保护、小差动保护、横差保护、注入式定子接地保护、低压过流保护、发电工况负序过流保护、电动工况负序过流保护、失磁保护、过电压保护、低频过流保护、逆功率保护、低功率保护、低频保护、失步保护、轴电流保护、过激磁保护、定子过负荷保护、电压相序保护、断路器失灵保护。

RCS-985GW保护系统根据开入信号进行逻辑判断确定运行工况。保护装置的开入量有导叶全开位置、导叶全关位置、拖动闸刀分闸位置、转速小于15Hz、出口断路器跳闸位置、被拖动闸刀分闸位置、电制动开关合闸位置、换相闸刀发电/电动/分闸位置等,保护系统经逻辑判断确定发电启动工况、发电工况、水泵工况、被拖动工况、拖动工况、静止停机工况、电制动等运行工况。保护系统除根据运行工况闭锁保护外，还设置了电制动闭锁功能、水泵启动闭锁功能、小于15 Hz闭锁功能进行完善和补充。

RCS-985GW保护系统设置了开关异常报警闭锁功能和运行工况不对应报警功能。开关异常闭锁保护功能是在被拖动闸刀、拖动闸刀、换相闸刀、机端断路器等开入信号异常时，闭锁相关保护，防止误动。运行工况不对应报警功能是将由监控系统开入的运行工况信号与保护系统本身逻辑判断的运行工况进行比较，当不一致时发出报警信号，但不闭锁保护。