魏 丹，余洪斌

（三峡水力发电厂电气维修部，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某电站单机容量777.8MVA，最大出力840MVA。发电机、变压器为发—变单元接线，每2个发—变单元在主变压器高压侧并联后接入500 kV系统。图1为发—变单元接线图。图中左侧的发变组为带厂变的机组，右侧为不带厂变的机组。在建厂之初采用的是发变组保护部分双重化配置，与其相连接的配套设备、外回路等均是根据当时部分双重化配置的要求设计安装的，这就存在着不能满足双重化配置要求的问题。因此，除了需要对保护配置进行研究外，还需要对与保护装置相关联的配套设备、外回路等进行分析和研究，进行合理的优化改进，以满足双重化配置的要求。

图1 发—变单元接线图

1 保护功能配置的分析

对发电机变压器组可能发生的故障和异常类型进行分析后，将故障和异常类型总结为以下几种：定子绕组相间、匝间和接地短路，定子绕组过电压，定子绕组过负荷，定子铁心过励磁，转子表面过负荷，励磁绕组过负荷，励磁回路接地，励磁回路失压，发电机逆功率，发电机频率异常，主变、厂变、励磁变各绕组的相间、匝间和接地短路，主变、厂变、励磁过负荷，主变铁心过励磁，各引出线的相间和接地短路，发变组系统失步，断路器闪络、误上电、非全相和失灵、发变组启停机短路故障，发变组系统低电压，其他故障和异常运行。

（1）发电机定子短路保护配置

完全纵差动保护对相间短路有明显的优势，而裂相横差保护和单元件横差保护在各种匝间短路情况下均有较高的灵敏度，不完全纵差则是对相间、匝间短路及分支开焊均起作用。将这4种类型的保护进行配合，能对发电机定子绕组内部一切故障（相间短路、匝间短路、分支开焊）起到很好地保护作用。

另外，还应设置以检测发电机机端电压、发电机机端电流、中性点分支电流的发电机过负荷保护、复压过流保护、负序过流保护和发电机相间低阻抗保护作为后备保护。

（2）发电机定子单相接地保护配置

目前定子接地保护有3种类型：90%基波零序定子接地保护、三次谐波电压型定子接地保护、外加电源型定子绕组单相接地保护。基波零序电压型保护方案具有原理简单，简便易行等特点，但其在中性点附近存在5%～10%的保护死区，并且随着定子绕组对地电容的增大和不对称度的增加，保护的灵敏度降低，死区扩大。二者结合起来可构成100%定子接地保护。而外加交流电源式定子接地保护能单独完成定子绕组的100%保护，并能在发电机处于停止状态及启、停状态下提供保护。将3种原理的保护配合起来使用，能达到较好的效果。

（3）发电机励磁回路接地保护配置

发电机转子接地保护有两种：乒乓式转子接地保护和注入式转子接地保护。乒乓式转子接地保护通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻值和接地位置。注入式转子接地保护在保护装置内装有外加注入式电源，通过测量该频率的电压和电流，计算出转子的对地电阻。采用一套注入式转子接地保护装置和一套乒乓式转子接地保护装置进行不同原理的双重化配置较为合适。

在实际运行中，由于乒乓式转子接地保护装置的测算原理，会因为不同的回路产生不同的阻值，从而对测量结果产生影响。故机组正常运行时应只投入一套转子接地保护正常运行，另外一套退出运行。

（4）发电机异常运行保护配置

为了对发电机处于各种异常运行状态进行有效的保护，应配置发电机失磁保护、发电机失步保护、发电机逆功率保护、发电机频率异常保护、发电机过激磁保护（定、反时限）、发电机过电压保护、发电机低电压保护、发电机对称过负荷保护（定、反时限）、发电机不对称过负荷保护（定、反时限）、发电机励磁回路过负荷保护（定、反时限）、发电机误上电保护、发电机启停机保护、发电机轴电流保护、发电机TA、TV断线判别。

（5）主变压器保护配置

变压器的差动保护是通过对发电机机端电流及主变高压侧电流计算比较进行保护的。它主要用来保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障，可作为主变压器的主保护配置。

为了对主变压器处于各种异常运行状态进行有效的保护，应配置主变隔离开关缺相保护、主变非全相保护、断路器闪络保护、断路器失灵保护、主变压器TA、TV断线判别。

另外，为了对变压器内部发生的各种故障进行有效的保护，还应配置多种非电量保护：主变瓦斯保护、主变压力释放保护、主变绕组过温保护、主变油温高保护、主变绕组温高保护、主变油位异常保护、中性点压力释放保护、中性点小电抗瓦斯保护、中性点电抗器油位低保护、中性点小电抗温升高保护、厂变温升保护。

（6）厂变保护配置

厂变差动保护是通过对厂用变压器高低压侧电流计算比较进行保护的。它主要用来保护变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障，可作为厂用变压器的主保护配置。

（7）励磁变保护配置

同厂变保护相同，励磁变压器保护同样采用的是差动保护作为主保护配置。同时，还应配置以测量转子侧电流提供保护的励磁变过流和励磁变过负荷作为后备保护。另外，还应配置励磁变温升和励磁系统故障两种非电量保护。

2 双重化保护配置研究

随着计算机软、硬件技术的进步，主、后备一体化保护装置应用广泛。这种一体化装置虽然二次回路简单，但是可能存在其硬件冗余度不够的问题。容错式设计就是增加硬件冗余度的一种设计方式，它能有效地避免因为硬件发生故障而造成的装置误动。下面以南瑞公司设计制造的RCS-985装置为例，介绍双CPU容错式配置的设计思路。图2为RCS-985装置硬件系统的双CPU容错式配置。

图2 双CPU容错式配置设计

图2中，CPU1和CPU2彼此完全相同，且具有完整的相互独立的低通、AD采样、保护计算、逻辑输出系统。CPU1系统作用于跳闸矩阵，CPU2系统作用于启动继电器。这两个CPU启动元件完全相同，具备启动一致性。任一CPU启动，保护不会出口。只有当CPU1和CPU2的启动元件同时启动，保护才出口。任一CPU故障，装置会立刻闭锁并报警。

双重化保护配置的目的在于防止保护装置拒动而导致系统事故，同时又可大大减少由于保护装置异常、检修等原因造成一次设备停运[13]。在对发变组各种故障进行分析后，通过对各保护原理的分析比较及故障仿真，可以得出最适合的保护功能配置。一般这种最合适的保护功能配置方案只会有一种。结合现在的微机保护装置保护功能实现方式是各种保护功能通过软件编程在一个装置中实现的特点，发变组保护双重化配置的两套保护选型应一致，每套保护都独立且完整，都能反映所有的故障和异常。若采用不同厂家不同原理配置，存在因为不同厂家的装置盘柜布局、端子排接线、装置操作、定值整定等方面的不同，而易发生运行维护人员因人为原因造成的装置误动的问题。采用完全相同的两套保护装置，由于其原理、配置、接线一致，便于维护检修，从而能有效减少此类事故的发生。

与两套保护装置分别相连的电源回路、电流电压回路、信号回路、出口回路等均应相互独立，这样在故障发生时，两套保护装置才能独立判断并作出反应，从而提高了保护的横向灵敏度，有效避免拒动的发生。

非电量保护的配置是非常有必要的，它在电量保护不能准确反应或灵敏度不够时可以准确判断油箱内部的故障。但是由于非电量保护的正确动作率不高，并且由于其设备在户外，容易因环境因素发生误动，因此应配置单套。

3 双重化保护改造交流回路设计研究

双重化保护配置为了保证两套保护的完全独立，要求这两套保护装置的交流电压分别取自电压互感器互相独立的两个绕组，交流电流分别取自电流互感器互相独立的两个绕组。根据改造后保护的配置情况，基于原有CT的选型，对CT、PT的数量及用途做了重新的统计分析，在CT方面：

原保护1盘与保护2盘的交流电流分别取自不同的绕组，已经完全分开，没有交集。但是两个盘的交流电流采集在种类和数量上存在差异。

（1）原来对发电机中性点连线电流互感器的变比选择为500/1，改造后发电机中性点连线电流互感器的变比设计要求为1500/1。

（2）原来对励磁变低压侧电流互感器的变比选择为6000/1，改造后励磁变低压侧电流互感器的变比设计要求为5000/1。

（3）与改造后的保护配置相比，原PR1盘因为没有配置发电子中性点不平衡保护，所以缺少对发电机中性点连线电流的采集。

（4）与改造后的保护配置相比，原PR1盘因为没有配置励磁变差动保护，所以缺少对励磁变低压侧电流的采集。

（5）与改造后的保护配置相比，带厂变的机组原PR1盘因为没有配置厂变差动保护，所以缺少对厂变低压侧电流的采集。

（6）原PR1盘、PR2盘励磁变高压侧电流的采集均取自于一个电流互感器。

根据以上情况，对原有发电机中性点连线电流互感器、励磁变低压侧电流互感器、厂变低压侧电流互感器的配置情况进行分析，发现存在以下问题：

（1）发电机中性点连线电流互感器只有1个，并且为单绕组电流互感器，不能满足双重化保护配置的需求。其变比为500/1，不满足发电机中性点连线电流互感器变比为1500/1的要求。

（2）励磁变低压侧电流互感器只有1个，有2个绕组，精度为0.5/5P。其中精度为5P的绕组已经被保护所用；另一个精度为0.5的为备用绕组，由于它是测量绕组，不能为保护所用，所以励磁变低压侧电流互感器不能满足双重化保护配置的需求。其变比为6000/1，不满足励磁变低压侧电流互感器比为5000/1的要求。

（3）厂变低压侧电流互感器只有1个，有2个绕组，精度为0.5/5P。其中精度为5P的绕组已经被保护所用；另一个精度为0.5的为备用绕组，由于它是测量绕组，不能为保护所用，所以厂变低压侧电流互感器不能满足双重化保护配置的需求。

（4）励磁变高压侧CT只有1个，有2个绕组，精度为5P/5P，可以满足双重化保护配置的需求，但是没有可供测量所用的绕组，所以依然存在问题。

在PT方面：原有发电机机端电压互感器有3个，一个为Y/Y/△形接线，型号为0.2/3P，一个为Y/Y/△形接线，型号为3P/3P，一个为Y/Y/Y形接线，型号为3P/3P，可以满足两套保护对发电机机端电压的采集要求。

针对只有1个绕组可供交流电流采集的问题，无论如何对交流电流回路进行设计都不可能设计出两套完全独立的交流电流回路。因此决定，对现有的电流互感器进行更换：

（1）将原有5P 500/1单绕组中性点连线电流互感器更换为5P/5P1500/1的双绕组电流互感器。由于中性点连线电流互感器没有测量要求，不需要额外的测量绕组，所以，保护用的双绕组可以满足需求。

（2）将原双绕组励磁变高压侧电流互感器直接更换为三绕组的电流互感器。该三绕组电流互感器中有两个绕组为5P，分别为两套保护装置所用，另外一个绕组0.2级为测量用。

（3）将原6000/1双绕组励磁变低压侧电流互感器直接更换为5000/1三绕组的电流互感器。该三绕组电流互感器中有两个绕组为5P，分别为两套保护装置所用，另外一个绕组0.2级为测量用。

（4）将原双绕组厂变低压侧电流互感器直接更换为三绕组的电流互感器。该三绕组电流互感器中有两个绕组为5P，分别为两套保护装置所用，另外一个绕组0.2级为测量用。

4 双重化保护改造信号回路设计研究

原发变组保护信号回路分为监控信号回路和录波信号回路。根据统计，原发变组保护1盘和保护2盘的录波信号均送至U*+PF盘，其中，保护1盘送至录波的信号有35个，保护2盘送至录波的信号27个，两盘一共送62个。原发变组保护监控信号由发变组保护1盘和保护2盘分别送至监控系统的LCU*+PC1柜、LCU*+PC2柜。其中送至LCU*+PC1柜的监控信号有37个，送至LCU*+PC2柜的监控信号有33个，一共70个。

由于监控装置的信号通道是一定的，且不能满足保护双重化后的监控信号数量要求，又没有随发变组保护改造一起进行更新的计划。那么只能对发变组保护装置送出的监控信号进行优化整合，找到合理的方案。

现在的微机保护装置存储容量大，可以存储模拟量波形和多次的保护动作信息。因此，维护人员在监控系统发出信号时，能在保护装置上查看到全部的事件信息。该电厂维护人员为了满足对电厂24 h无间断的维护，以确保随时有问题随时处理，采用的是8 h工作时间外轮流在电厂值班的方式。因此，在接运行人员电话后，维护人员能第一时间到现场查看。结合以上情况，对发变组保护发送至监控系统的信号采取以下方式设计优化：

（1）使用备用的信号点名做为补充。

（2）发电机保护配置中，发电机完全纵差、不完全纵差1、不完全纵差2、裂相横差、横差都是主保护，保护原理相似，保护对象有交集，动作时间皆为瞬时动作，所以将这些差动保护跳闸信号接点并接后使用一对接点送出，命名发电机差动保护跳闸。

（3）将保护原理相似保护对象有交集的后备保护跳闸信号接点并接后用一对接点送出，并将信号名称定义全面。如定子过负荷、负序过负荷保护跳闸。

（4）将对异常运行状态的保护跳闸信号接点并接后使用一对接点送出，并将点名定义全面。例如发电机失磁保护、发电机失步保护跳闸。

（5）因为TA断线、TV断线不跳闸，且与保护装置异常一样同属于设备问题，所以与装置报警信号接点并接后使用一对接点送出，命名为装置告警。

（6）保护报警信号众多，无法一一分配通道接入监控系统，并且保护报警并没有像保护跳闸那样造成严重的后果，所以将一台装置的保护功能告警信号整合后分别定义为保护告警I和保护告警II。但是因为发生报警时往往是发生事故的前兆，如果能提前将问题解决，或许就能避免一场事故，因此，要求维护人员在接到报警信号后，立即到现场查明具体的报警信息和报警原因，并给出恰当的处理办法。

5 结论

（1）通过对水力发电厂发变组可能发生的故障和异常状况进行分析，选择出能够对各种故障或异常状况进行有效保护的保护配置组合，通过研究双重化保护配置应遵循的原则，最终确定了适合大型水力发电厂的双重化保护配置方案。

（2）通过对交流回路、信号回路改造前情况的分析，及改造后设计要求的研究，论证并设计出合适的改造方案使原回路通过修改及优化后满足改造要求。