特大型水電機組保護配置方案的探討

何其偉，潘仁秋，戴建民，陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

我國幅員遼闊，江河眾多，蘊藏著豐富的水力資源，這為大規(guī)模水電開發(fā)奠定了天然的基礎(chǔ)條件。隨著長江流域、瀾滄江流域、金沙江流域等一批大型、特大型水電站相繼建成，我國水電開發(fā)正朝著大型、特大型水電機組方向發(fā)展；據(jù)統(tǒng)計，到2020年我國700 MW及以上容量水輪發(fā)電機的裝機數(shù)量將超150臺，白鶴灘、烏東德水電站等1 000 MW級水電機組也進入規(guī)劃設計階段。特大型水電機組具有單位容量造價低、單位發(fā)電成本低等諸多優(yōu)點，但機組本身價值較高，非正常停機損失較大。這樣就對機組保護的靈敏度和可靠性提出了更高的要求。南瑞繼保公司RCS-985系列機組保護裝置已經(jīng)在龍灘水電站和小灣水電站700 MW機組上相繼投入運行，積累了一定的工程設計和運行經(jīng)驗。有必要對特大型水電機組的特點、典型保護配置方案以及實施過程中的注意事項進行總結(jié)，為今后類似工程的設計和實施提供參考。

1 特大型水電機組保護配置方案

特大型水電機組的定子繞組每相分支數(shù)較多，且中性點有足夠的安裝空間，中性點引出方式靈活，可以配置完善的內(nèi)部故障主保護。通過“定量化分析計算”可以優(yōu)化設計發(fā)電機的中性點引出方式和主保護配置[1]。

下面以小灣700 MW水電機組為例，簡述特大型水電機組保護典型配置方案。

小灣水電站700 MW機組分支繞組分組和中性點引出方案為：每相8個分支繞組分成2組引出，即：1、3、5、7 奇數(shù)繞組為一組，2、4、6、8 偶數(shù)繞組為另一組，最終形成2個中性點分支，如圖1所示。發(fā)電機內(nèi)部故障的主保護配置發(fā)電機不完全差動保護I、發(fā)電機不完全差動保護II、發(fā)電機完全裂相橫差保護和發(fā)電機高靈敏單元件橫差保護。

小灣水電站機組保護功能配置如下。

（1）發(fā)電機、勵磁變電量保護功能配置

發(fā)電機不完全差動保護I(87G-A1)；發(fā)電機不完全差動保護II(87G-A2)；發(fā)電機單元件橫差保護(60G-A)；發(fā)電機裂相橫差保護(87GU-A)；帶記憶的低壓過流保護 (51/27G-A)；注入式定子接地保護(64G-A)；基波零序電壓+三次諧波電壓型定子接地保護 (64G-B)；注入式轉(zhuǎn)子一點接地保護(64E-A)；失磁保護 (40G-A)；定子過負荷保護(51G-A)；失步保護 (78G-A)；定子過電壓保護(59G-A)；發(fā)電機過激磁保護(24G-A)；轉(zhuǎn)子表層負序過負荷保護 (51GR-A)；發(fā)電機斷路器失靈保護(50GCB-A)；軸電流保護(38/51G-A)；勵磁繞組過負荷保護(51EL-A)；誤上電保護(81G-A)；勵磁變差動保護(87ET-A)；勵磁變過流保護(51ET-A)；勵磁變過負荷保護(51ETL-A)；電壓互感器斷線保護(95)；電流互感器斷線保護(96)。

（2）主變、廠變電量保護功能配置

主變差動保護 (87T-A)；主變負序過流保護(51TR-A)；主變過負荷保護(51T-A)；主變過激磁保護(24T-A)；主變零序電流保護(51TN-A)；廠高變差動保護(87TS-A)；廠高變速斷保護(50TS-A)；廠高變過流保護 (51TS-A)；廠高變過負荷保護(51TSR-A)；電壓互感器斷線保護(95)；電流互感器斷線保護(96)；主變18 kV側(cè)單相接地。

（3）主變、廠變非電量保護功能配置

重瓦斯（80TH）；

輕瓦斯（80TL）；

壓力釋放(63T)；

油位高低(71T)；

溫升(49T)；

冷卻系統(tǒng)故障(54T)；

其他。

2 典型工程的保護組屏方案

小灣水電站的工程設計綜合考慮了發(fā)電機機房與500 kV氣體絕緣開關(guān)柜（GIS）樓的二次屏柜布置，最終確定了如下組屏方案。

（1）發(fā)電機、變壓器電氣量保護雙重化配置，分別安裝在A、B柜上，除定子接地保護外，裝于A柜上的保護與裝于B柜上的保護完全相同；C柜為非電量保護和注入式定子接地輔助電源。

雙重化的轉(zhuǎn)子接地保護采用單裝置安裝在勵磁系統(tǒng)的滅磁柜中。

（2）在每條500 kV電力電纜的始端(地下廠房內(nèi))和終端(地面500 kV GIS樓)各設置一面保護屏，每面屏上裝設2套光纖差動保護裝置。地下廠房內(nèi)的500 kV電力電纜保護柜與發(fā)電機變壓器組保護的A、B、C柜布置在一起，地面500 kV GIS樓的500 kV電力電纜保護柜布置在500 kV GIS樓的保護盤室內(nèi)。

3 特大型水電機組保護設計原則

（1）按“無人值班”（少人值守）原則設計；

（2）按 GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》、國家電力公司頒發(fā)國電發(fā)[2002]589號的 《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》及國電調(diào)[2002]138號《“防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求”繼電保護實施細則》等規(guī)程與“反措”要求為發(fā)變組單元設備配置保護；

（3）在工程設計時綜合考慮繼電保護裝置的快速性、可靠性、靈敏性和選擇性要求；

（4）按“雙重化”原則為發(fā)電機、主變壓器和500 kV高壓電纜各配置兩套獨立的電氣量保護；

（5）2套電氣量保護裝置的電源、TA、TV均各自獨立，同一套電氣量保護的主保護和后備保護共用一組TA，2套完整的電氣量保護的跳閘出口分別作用于相關(guān)斷路器的2個跳閘線圈；

（6）主變壓器的非電量保護的跳閘出口同時作用于相關(guān)斷路器的2個跳閘線圈。

4 特大型水電機組幾個保護配置問題的探討

4.1 定子接地保護

特大型水電機組的定子繞組單相對地電容與常規(guī)火電機組、低容量水電機組相比要大得多。如廣西龍灘水電廠700 MW機組定子繞組單相對地電容為3.6 μF/相，定子繞組單相接地故障造成的危害更為嚴重，而三次諧波電壓型定子接地保護的靈敏度卻因電容增大而相對降低，對機組安全運行不利。對于特大型水電機組，三次諧波電壓型定子接地保護已難以滿足保護靈敏度的要求。

為更好地保障特大型水電機組安全運行，要求采用靈敏度更高的定子接地保護原理，配置更加完善的100%定子接地保護方案，即在發(fā)電機變壓器組保護A柜配置低頻20 Hz交流注入式定子接地保護，在B柜配置由機端零序電壓加中性點三次諧波電壓共同構(gòu)成的100%定子接地保護。

以小灣水電站為例，注入式定子接地保護示意圖如圖2所示[2]。

A套保護采用注入式定子接地保護，電壓可以直接取二次負載電阻的抽取100 V電壓，也可以直接取二次負載電阻兩端電壓，輔助電源裝置內(nèi)部經(jīng)過分壓電阻得到100 V電壓。

B套保護采用基波零序電壓+三次諧波電壓型定子接地保護，電壓取中性點接地變壓器二次抽取100 V電壓。

雙重化的2套不同原理的定子接地保護裝置所取不同的電壓，保證了裝置的可靠性。

中間變流器為穿心式電流互感器。現(xiàn)場安裝時，用支架直接將中間TA固定在穿心的銅排上。中間變流器選擇時，應根據(jù)發(fā)電機、接地變壓器、負載電阻的參數(shù)設計其電流變比。

對中間變流器的性能要求：(1)中間變流器二次電流應與保護裝置的電流輸入接口相配合；(2)中間變流器的測量精度應滿足一定的要求；(3)一次側(cè)流過最大工頻電流時，中間變流器不應飽和。

需要注意的是，當發(fā)電機組采用注入式定子接地保護時，應適當提高中性點接地變壓器低壓側(cè)額定電壓，使得二次負載電阻值達到或超過1 Ω，以便一次設備與注入式定子接地保護實現(xiàn)良好地配合，獲得更為優(yōu)越的保護靈敏度。

4.2 轉(zhuǎn)子接地保護

特大型發(fā)電機要求在發(fā)電機靜止未加勵磁電壓的情況下仍能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣監(jiān)測，因此宜采用注入式原理的轉(zhuǎn)子接地保護。

小灣水電站轉(zhuǎn)子接地保護采用雙重化的2套單裝置，安裝在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的滅磁柜中，避免了發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的對外引出，減小了轉(zhuǎn)子繞組主回路發(fā)生故障的機率，提高了發(fā)電機運行的可靠性；2套轉(zhuǎn)子接地保護共用一個切換開關(guān)，該切換開關(guān)設置有3個位置：A套／B套／停用，通過切換開關(guān)操作保證任何時候都只能有一套轉(zhuǎn)子接地保護裝置投入工作低頻信號發(fā)生器安裝在發(fā)電機勵磁柜中，避免了發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的對外引出，減小了轉(zhuǎn)子繞組主回路發(fā)生故障的機率，提高了發(fā)電機運行的可靠性。

雙套配置的轉(zhuǎn)子接地保護，宜采用不同原理，一種采用乒乓原理，一種采用注入式原理，2種不同原理之間可以相互驗證，正常運行時只投入其中一套，當投入運行的轉(zhuǎn)子接地保護動作報警時，可切換到另一套保護，驗證第一套保護的動作行為，提高絕緣檢測的可信度[3]。

4.3 失磁保護轉(zhuǎn)子電壓引入方式

失磁保護轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)需要引入轉(zhuǎn)子電壓，但轉(zhuǎn)子繞組在電氣上涉及的環(huán)節(jié)多，發(fā)生一點接地故障的可能性較大，特大型水電機組的勵磁電壓偏高，直接引入轉(zhuǎn)子電壓進入保護裝置，存在轉(zhuǎn)子過電壓破壞保護裝置的隱患，電纜的選型也比較困難。

此外，GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》第6.1.2款要求“二次回路的工作電壓不宜超過250 V，最高不應超過500 V”。

因此，特大型水電機組的失磁保護可通過其保護原理及定值整定優(yōu)化而取消 “轉(zhuǎn)子電壓低判據(jù)”，或者轉(zhuǎn)子電壓通過其他方式再進入保護裝置。若失磁保護需采用“轉(zhuǎn)子電壓低判據(jù)”，建議采用以下2種方式引入轉(zhuǎn)子電壓：

（1）經(jīng)4～20 mA變送器傳變后輸入保護裝置：變送器可以起到隔離的作用，且電纜選擇要求較低，這是該方式的優(yōu)點，但需考慮變送器的轉(zhuǎn)換時滯問題。建議設計單位在勵磁系統(tǒng)中考慮增設變送器實現(xiàn)供給機組保護兩路獨立的4～20 mA信號輸出。

（2）經(jīng)分壓器降壓后輸入保護裝置：分壓器的變比一般設計為10∶1或15∶1，分壓器內(nèi)阻值不宜太小，但要求比故障錄波器和保護裝置采樣內(nèi)阻要低一個數(shù)量級，否則會影響測量精度，且建議分壓器有多個抽頭，2套機組保護和故障錄波器的轉(zhuǎn)子電壓分別取自不同的抽頭，相對獨立。該方案的缺點在于勵磁電壓單極對地電壓并未顯著減小。

目前，上述2組方式在現(xiàn)場均已得到應用。

4.4 保護信號傳輸通道

（1）每條500 kV電力電纜的2套光纖差動保護采用獨立的2根專用光纜傳輸信號，實現(xiàn)保護信號傳輸通道的完全冗余，提高保護的可靠性。

（2）發(fā)變組保護出口跳500 kV斷路器的信號，首先接入布置在機旁的500 kV電纜光纖差動保護裝置的遠跳通道，經(jīng)光信號傳輸后，由布置在地面500 kV GIS樓的500 kV電纜光纖差動保護裝置接收并輸出跳閘接點到相應的500 kV GIS斷路器跳閘線圈回路。光纖差動保護裝置具備多個光電傳輸通道，可以分別接入發(fā)變組電量保護動作、非電量保護動作接點，以區(qū)分是否啟動斷路器失靈保護。

同理：500 kV GIS斷路器失靈保護、母線保護動作等系統(tǒng)保護跳發(fā)電機斷路器的信號也接入布置在500 kV GIS的光纖差動保護裝置的遠跳通道，經(jīng)光信號傳輸?shù)桨l(fā)電機機旁，如圖3所示。

本方案的主要優(yōu)點：由于發(fā)變組保護和500 kV GIS分布距離較遠，通過光纖通道傳輸跳閘接點，回路得到了優(yōu)化、接線簡單、節(jié)省了電纜，避免了跳閘接點經(jīng)過電纜長距離傳輸?shù)母鞣N干擾，保證了保護裝置的可靠性，減少了誤動。

此方案在龍灘水電站、小灣水電站、構(gòu)皮灘水電站等特大型機組保護中得到了廣泛應用。

圖3 保護信號傳輸示意

5 結(jié)束語

（1）對反應發(fā)變組的各種內(nèi)部故障及異常運行的保護均采用“雙重化”配置。

（2）為加強內(nèi)部故障時保護裝置的靈敏度，在發(fā)電機一次TA具備條件時，配置多套發(fā)電機不完全差動保護、發(fā)電機完全裂相橫差保護以及發(fā)電機高靈敏單元件橫差保護，強化主保護配置。

（3）與保護配合相關(guān)回路（包括光纖通道）按“雙重化”配置，且“雙重化”配置的保護裝置及其相關(guān)回路應完全獨立。

（4）發(fā)電機定子接地、轉(zhuǎn)子接地保護按“雙重化”配置，且兩套保護原理不同，其中一套采用注入式原理，以滿足未加勵磁或靜止狀態(tài)下對定子、轉(zhuǎn)子的絕緣監(jiān)測功能要求。

（5）轉(zhuǎn)子接地保護宜采用單裝置，就地安裝在勵磁系統(tǒng)室，失磁保護用轉(zhuǎn)子電壓宜經(jīng)變送器隔離傳變或經(jīng)分壓器降壓后接入發(fā)電機保護裝置。

隨著一批特大型水電站的建設發(fā)展，水電機組的單機最大容量也不斷刷新。這就需要我們充分了解特大型水電機組的工藝結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)及其運行技術(shù)特點，通過不斷總結(jié)工程設計和機組運行過程的實踐經(jīng)驗，為特大型水電機組配置更為科學、更為完善、更為可靠的機組保護，以確保機組及電網(wǎng)的長期安全穩(wěn)定運行。

[1]王維儉，王祥珩.大型發(fā)電機變壓器內(nèi)部故障分析與繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985注入式定子轉(zhuǎn)子接地保護技術(shù)使用說明書[S].2007.

[3]陳 俊，王 光，嚴 偉，等.關(guān)于發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護幾個問題的探討[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32（1）∶90-92.