大型抽水蓄能发电电动机变压器组继电保护设计

2017-09-07郑波

水电站机电技术 2017年8期

关键词：导叶差动励磁

郑波

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州 311122)

大型抽水蓄能发电电动机变压器组继电保护设计

郑波

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州 311122)

基于抽水蓄能机组的结构，通过研究机组运行特性，形成大型抽水蓄能发电电动机变压器组继电保护设计的一般原则和典型策略。通过分析进口保护装置的设计不足，提出适合国产化机组的保护设计方案。

抽水蓄能;继电保护;策略

1 引言

近年来，我国抽水蓄能电站的建设步伐呈现加快趋势，核准开工数量和规模都达到了历史新高，加快抽水蓄能电站的开发建设是今后我国电力发展的重点方向之一。随着大型抽水蓄能机组国产化的逐步实现，继电保护系统的国产化也日益成熟。抽水蓄能机组启停频繁，运行工况多，继电保护的配置比常规水电机组更复杂，对抽水蓄能机组的继电保护配置进行深入研究，形成具有普遍指导意义的设计思路和方案，对提高我国抽水蓄能机组继电保护的设计能力和生产效率等具有重大意义。

2 保护配置方案

目前，国内已建/在建抽水蓄能机组主接线主要形式为发变组单元接线，发电电动机出口设置断路器，换相隔离开关设在主变低压侧。本文以此为例，通过分析抽水蓄能机组的运行特性和保护设计的一般原则，提出大型抽水蓄能发电电动机变压器组继电保护的配置方案。

2.1 发电电动机保护配置（表1）

2.2 主变压器保护配置（表2）

3 差动保护的优化

3.1 提高差动保护的可靠性

发电电动机和主变压器的每组差动保护均含一个小差动和一个大差动，可有效消除发电电动机和主变压器保护的死区（图1）。这种方案笔者所在单位已申请发明专利，专利号ZL2009 1 0258393,5。

对发电电动机和主变压器而言，小差动均可全工况投入。因大差动包含起动母线和被起动母线，在同步拖动、被拖动过程中，要区别分析。

在同步拖动、被拖动过程中，大差动87G’-A、87G’-B在发电电动机外侧的电流互感器并无电流通过，因此闭锁并无风险。机组可通过低频过流来保护。以往进口保护装置采用抬高定值的办法开放该保护功能，其实没有必要。

在同步拖动、被拖动过程中，大差动87T’-A、87T’-B在发电电动机侧的电流互感器流过的并非主变电流，会影响主变差动的动作行为，因此应闭锁低压侧电流，但大差动仍可投入。以往进口保护装置直接闭锁该保护功能，降低了保护的可靠性。

图1 发电电动机-主变压器差动保护配置典型方案

表1 发电电动机保护配置表

3.2 提高励磁变保护的灵敏度

励磁变的阻抗相对较大，励磁变压器低压侧发生短路时，折算到高压侧短路电流非常小。当速断保护无法完整反映整个低压侧绕组的短路故障时，为了提高灵敏度，可以配励磁变差动保护。励磁变差动保护可提高内部故障检测灵敏度，对于低压侧故障，其灵敏度远高于电流速断保护。但是，励磁变压器两侧电流波形谐波含量较高，对差动保护的整定、算法需要特别对待。

表2 主变压器保护配置表

4 保护闭锁逻辑的改进

国内抽水蓄能电站建设早期，保护装置随主机设备进口。国外进口的保护装置普遍采用导叶全开和全关位置作为逆功率保护和低功率保护投退的判据，实则不妥。

4.1 逆功率保护

发电→发电调相：导叶位置从全开到逐渐关闭的过程中，在空载开度以下时，机组实际上已经要开始吸收一定的有功，随着开度的减小，吸收功率增加直至超过逆功率定值。若选用导叶全关位置作为逆功率保护退出的判据，可能会造成逆功率保护的误动。所以逆功率保护的延时还必须可靠躲过这个过程，但延时可能较长。若由机组顺控流程适时给出闭锁令，便不需等到导叶全部关闭，只要到了空载开度时即可闭锁。

发电调相→发电：工况转换至发电稳态后即可由顺控流程发令开放保护功能。若采用导叶全开位置作为保护恢复的判据，相当于延后了保护功能的投入，对机组是不利的。

4.2 低功率保护

水泵→水泵调相：导叶关到抽水工况初始开度以后应闭锁低功率保护，而非等到导叶全关位置。对于工况转换等过渡过程，考虑到机组本身不在稳态，应尽早闭锁相关保护，这个时候由顺控流程提供闭锁点较为合适。

水泵调相→水泵：导叶开至抽水工况初始开度即可由顺控流程发令开放保护功能，用导叶全开位置作为保护恢复的判据也是不合适的。

5 保护功能和励磁调节功能有机配合

根据中国电力科学研究院《华东直调机组网源协调重要参数核查报告》，发现存在大量发电机组转子过负荷综合能力、定子过负荷综合能力不能满足相关国家标准和行业标准的要求，保护定值与励磁系统没有合理匹配。保护定值过小，保护先于励磁限制器动作而动作，严重束缚了发电机的过负荷能力，这些问题不仅直接危及发电机组的安全运行，也威胁电网的安全稳定运行。

发电电动机、变压器保护应和励磁系统各限制环节匹配。首先，励磁限制环节应满足发电电动机许可的最大工作范围，在发电电动机、变压器保护动作之前发挥作用。励磁系统过励磁限制环节应与发电电动机或变压器的过激磁保护定值相配合。励磁系统定子过压限制环节应与发电电动机过压保护定值相配合。励磁系统的过励限制环节的特性应与发电电动机转子的过负荷能力相一致，并与发电电动机保护中转子过负荷保护定值相配合。

6 保护设计的其他问题

6.1 电流互感器断线

《继电保护和安全自动装置技术规程GB/T14285-2006》4.1.11提出，保护装置在电流互感器二次回路不正常或断线时，应发告警信号，除母线保护外，允许跳闸。《抽水蓄能发电电动机变压器组继电保护配置导则GB/T32898-2016》5.2.1.3 a)提出，电流互感器二次回路断线时不应闭锁差动保护。后者要求电流互感器二次回路断线不闭锁差动保护，有利于机组的安全，防止发生其他意外，值得提倡。

6.2 软件换相

抽水蓄能机组的工况转化，会带来相序的变化，为电流、电压采集带来困扰。数字式继电保护装置通过软件已轻松解决此问题。无需切换电流互感器二次回路或者在换相隔离开关处增加电流互感器。

值得一提的是，抽水蓄能电站同期检测回路仍然普遍采用继电器回路切换的方式保证电压采集的正确性。