蒲石河抽水蓄能電站電氣二次設(shè)計

鄭光偉，張全勝，牛聚山，楊光華，李 軍，彭 倞

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

蒲石河抽水蓄能電站機(jī)電設(shè)備采購首次打破了之前完全依賴國外廠商成套供貨的局面，主機(jī)、主變、GIS設(shè)備、GCB、500 kV高壓電纜等主要機(jī)電設(shè)備，發(fā)變組繼電保護(hù)裝置、全廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等主要二次設(shè)備，均為單獨(dú)招標(biāo)采購。分散的招標(biāo)采購方式。有利于節(jié)約設(shè)備投資，但不同廠商設(shè)備接口間的協(xié)調(diào)變得十分復(fù)雜。如何以計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為核心，將不同功能的設(shè)備連接起來，形成信息暢通、動作協(xié)調(diào)、保護(hù)完善、運(yùn)行可靠的現(xiàn)代化電站，對電氣二次設(shè)計提出了新挑戰(zhàn)，在實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)的過程中，形成了蒲石河電氣二次設(shè)計的新特點(diǎn)。

1 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)的選擇

抽水蓄能電站工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜，啟停頻繁，輸入輸出信息量大，一直以來我國大型抽水蓄能電站的監(jiān)控系統(tǒng)均由國外主機(jī)廠商成套供貨。

經(jīng)過調(diào)查研究，總結(jié)抽水蓄能電站采用國外計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，針對國外監(jiān)控系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)、備品備件、安裝調(diào)試存在的問題，結(jié)合蒲石河機(jī)電設(shè)備分散招標(biāo)采購的特點(diǎn)，提出監(jiān)控系統(tǒng)單獨(dú)招標(biāo)，并大膽采用了南瑞集團(tuán)公司研制的以MB80智能可編程控制器為核心的EC-2000監(jiān)控系統(tǒng)。采用南瑞監(jiān)控系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是接口協(xié)調(diào)比較容易，經(jīng)過精心研究監(jiān)控系統(tǒng)配置和功能，研究被控對象的監(jiān)控要求，通信接口方案。優(yōu)化輸入、輸出信息的內(nèi)容及數(shù)量，并審查了阿爾斯通主機(jī)控制流程，根據(jù)主變、GIS設(shè)備、廠用設(shè)備、公用設(shè)備的監(jiān)控要求，提出了蒲石河電站監(jiān)控策略和控制流程。如主變空載供水泵控制策略；4臺中壓空壓機(jī)隨9臺中壓儲氣罐壓力變化啟?？刂撇呗裕粩嗦菲?、隔離刀閘、接地刀閘的控制及閉鎖策略；機(jī)組測溫元件報警、跳閘判別策略等。

蒲石河電站4號機(jī)組經(jīng)過安裝調(diào)試，順利投產(chǎn)發(fā)電。國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)接口能力強(qiáng)、編程靈活、人機(jī)界面友好。降低了監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備投資和維護(hù)成本，促進(jìn)了民族工業(yè)的發(fā)展。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)測溫方案

阿爾斯通要求機(jī)組所有RTD測溫點(diǎn)都作用于跳閘、停機(jī)，總數(shù)近百點(diǎn)，超過國內(nèi)廠商數(shù)倍。擴(kuò)大參與跳閘的RTD點(diǎn)數(shù)，對于保證機(jī)組安全運(yùn)行有利，但同時也增加了誤動的幾率。為了防止RTD誤跳閘，國內(nèi)廠商曾采用過一些措施，但都存在某些不足，例如 “3取2”判斷法，不適用于測點(diǎn)少的部位； “延時濾波”法會使保護(hù)的實(shí)時性變差； “升溫速率限值”及 “合理上限值判斷”需要根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定限值。

圖1 4號機(jī)組下導(dǎo)瓦5號RTD測溫曲線

圖1為蒲石河2011年12月15日4號發(fā)電電動機(jī)下導(dǎo)軸瓦5號測溫電阻的溫度變化曲線。該RTD測溫電阻由于引線接觸不良，電阻呈脈沖變化態(tài)，既不是短路，也不是斷線，監(jiān)控檢測到的溫度值最高達(dá)252.9℃，越限時間可達(dá)數(shù)分鐘，測控裝置的RTD斷線閉鎖措施和延時濾波都毫無作用；測溫曲線有時剛好超過跳閘限值，合理上限值判斷法不起作用。為此，我們提出 “動態(tài)上升率”防止溫度躍變的判斷法，表達(dá)式為： （當(dāng)前溫度-4 s前溫度）＜（2 s前溫度-6 s前溫度）*3+0.5）。該邏輯為 “每4 s的溫度爬升率小于2 s之前的溫度爬升率的3倍”。也就是說，監(jiān)控系統(tǒng)總是不斷以當(dāng)前溫度上升率（相對前4 s）與前2 s溫度上升率 （相對前6 s）相比較，如果超過一定限值 （例如3倍），則判為錯誤信息，立即閉鎖該點(diǎn)輸出，報警。直到機(jī)組停下后退出閉鎖。如果同一點(diǎn)多次發(fā)生溫度爬升率異常升高的情況，可考慮對該點(diǎn)進(jìn)行檢修。該方案優(yōu)點(diǎn)是上升率的限值是動態(tài)的，軸瓦故障時，即使測點(diǎn)溫升很快也不會被閉鎖，直至報警、跳閘；若測點(diǎn)本體故障，即使溫度在報警線以下，只要檢測到變化率不正常，就可將測點(diǎn)退出。 “動態(tài)上升率”建模編程投入后，效果很好。

2 勵磁系統(tǒng)

2.1 勵磁整流裝置優(yōu)化

蒲石河勵磁系統(tǒng)由外商阿爾斯通供貨。勵磁裝置是保障發(fā)電電動機(jī)安全可靠運(yùn)行的重要部件之一，近年來，國外引進(jìn)的勵磁系統(tǒng)時有嚴(yán)重故障發(fā)生，造成重大損失。由于國內(nèi)與國外廠商對勵磁裝置參數(shù)設(shè)計有一定差異，為保證蒲石河電站發(fā)電電動機(jī)可靠運(yùn)行，我們按照國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和計算方法對勵磁變壓器、交直流斷路器、整流元件、滅磁電阻等關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行計算復(fù)核。發(fā)現(xiàn)勵磁整流裝置選用平均導(dǎo)通電流為1 350 A的晶閘管容量偏小，當(dāng)一橋故障退出時不能滿足勵磁系統(tǒng)強(qiáng)勵運(yùn)行的要求。經(jīng)與阿爾斯通交涉后，將晶閘管改為BISD-210H，平均導(dǎo)通電流為2 115 A，滿足運(yùn)行需要。

2.2 磁場斷路器選擇

經(jīng)計算勵磁斷路器開斷弧壓不能滿足運(yùn)行要求，原因是ALSTOM在選擇磁場斷路器常開接點(diǎn)最大斷開電壓時，沒有考慮發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵中勵磁整流裝置可能輸出的高電壓。勵磁事故分析發(fā)現(xiàn)：電機(jī)空載誤強(qiáng)勵機(jī)端電壓升到1.5倍額定值，并考慮峰值，勵磁整流裝置失控誤強(qiáng)勵輸出勵磁電壓峰值

勵磁整流裝置輸出誤強(qiáng)勵勵磁電流值是3倍額定勵磁電流值，即

滅磁初瞬向SiC滅磁電阻立即轉(zhuǎn)移上述全部勵磁電流所需要的轉(zhuǎn)子反向電壓

式中，C為系數(shù)，應(yīng)采用最大值，這里取ALSTOM計算式中的C值194.33。按“ANSI/IEEE C37.18標(biāo)準(zhǔn)”要求的磁場斷路器的最大遮斷電壓即最大斷流弧壓UbNm≥Urm＋Edmp， 即 UbNm≥1 636+1 222=2 858 V。

但實(shí)際上，阿爾斯通為蒲石河發(fā)電電動機(jī)選用的磁場斷路器CEX71-2000是2極跳閘，最大遮斷電壓UbNm為1 200/1 500 V，遠(yuǎn)小于應(yīng)有值2 858 V，安全裕度系數(shù) k2=（1 200/1 500）÷2 858=0.420/0.525。而且，最大遮斷電壓1 500 V，還小于勵磁整流裝置失控誤強(qiáng)勵時SiC滅磁電阻上通過3倍額定勵磁電流值時的電壓峰值1 636 V，也就是說發(fā)生這種嚴(yán)重事故滅磁初瞬，在較長時間內(nèi)轉(zhuǎn)子電壓不能反向使磁場斷路器觸頭中的勵磁電流快速轉(zhuǎn)移到SiC電阻中去，很可能會發(fā)生燒毀磁場斷路器甚至整套勵磁盤的可能，顯然這是十分不安全的。經(jīng)與阿爾斯通供貨商溝通，將蒲石河機(jī)組磁場斷路器改為CEX06-2000-4.2，開斷電壓為3 000 V，滿足機(jī)組各種工況安全運(yùn)行要求。

3 發(fā)電電動機(jī)繼電保護(hù)控制邏輯回路的改進(jìn)

3.1 繼電保護(hù)運(yùn)行工況邏輯的設(shè)計

抽水蓄能電站運(yùn)行工況復(fù)雜，不同運(yùn)行工況需要配置不同的繼電保護(hù)、需要不同的定值，以及不同的保護(hù)跳閘輸出。目前傳統(tǒng)的做法是由計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供運(yùn)行工況條件或外部搭接邏輯實(shí)現(xiàn)保護(hù)投入和閉鎖功能。由于繼電保護(hù)對可靠性的要求遠(yuǎn)大于監(jiān)控系統(tǒng)，在事故情況下，需要繼電保護(hù)100%可靠動作，而監(jiān)控系統(tǒng)很難滿足這一要求。為使繼電保護(hù)不依賴監(jiān)控獨(dú)立運(yùn)行，蒲石河抽水蓄能電站與西門子公司合作，利用供貨的保護(hù)裝置本身具有的開關(guān)量輸入通道及邏輯編程功能，將發(fā)電機(jī)出口斷路器Q0、被拖動開關(guān)Q91、拖動開關(guān)Q92、換相開關(guān)Q9、短路開關(guān)Q6、中性點(diǎn)接地開關(guān)QE、導(dǎo)葉位置開關(guān)等狀態(tài)信號，經(jīng)過邏輯組合，編制出抽水運(yùn)行工況、抽水調(diào)相工況、發(fā)電運(yùn)行工況、發(fā)電調(diào)相工況、電氣制動工況、抽水起動工況等。圖2是幾種工況的邏輯關(guān)系式，圖中所定義的工況可能不完全反映機(jī)組實(shí)際工況，但能夠涵蓋機(jī)組的運(yùn)行工況，裝置用于投入或閉鎖保護(hù)，運(yùn)行準(zhǔn)確無誤，簡單、可靠、實(shí)用。圖3是利用上述工況設(shè)計的保護(hù)投入或閉鎖邏輯圖。

圖2 工況條件邏輯圖

3.2 水泵啟動工況繼電保護(hù)跳閘邏輯改進(jìn)

發(fā)電機(jī)在背靠背啟動過程中發(fā)生故障時，由于處于低頻狀態(tài)，連接兩臺機(jī)組的斷路器因低頻閉鎖不能分閘，如果單獨(dú)分開一臺發(fā)電機(jī)的磁場斷路器，又會造成發(fā)電電動機(jī)失磁，為此，我們考慮用同時啟動兩臺機(jī)保護(hù)跳閘矩陣，使兩臺機(jī)磁場斷路器同時跳閘滅磁，隨即使兩臺機(jī)解列。

圖3 保護(hù)投入或閉鎖邏輯圖

要保證兩臺機(jī)的磁場斷路器同時跳開，這就需要通過硬接線下發(fā)跳閘命令。由于兩臺機(jī)組背靠背啟動時，拖動、被拖動組合較多，硬接跳閘邏輯將十分復(fù)雜。我們與西門子公司合作，利用保護(hù)裝置的跳閘矩陣及機(jī)組LCU功能，設(shè)計了一套簡易控制回路，動作邏輯接線如圖4所示：該方案的基本思路是機(jī)組繼電保護(hù)屏增加1個低頻保護(hù)出口繼電器，該繼電器4付常開接點(diǎn)分別與機(jī)組LCU的4個開出接點(diǎn)串聯(lián)。當(dāng)機(jī)組背靠背啟動時，機(jī)組LCU可通過“開出”接點(diǎn)預(yù)先將本機(jī)保護(hù)輸出繼電器與對側(cè)保護(hù)跳閘矩陣溝通。背靠背啟動過程中發(fā)生事故，保護(hù)輸出繼電器動作，可使預(yù)先溝通的兩個對象同跳閘；同樣，對側(cè)機(jī)組LCU也將保護(hù)輸出繼電器與本側(cè)保護(hù)跳閘矩陣溝通。任何一側(cè)事故或兩側(cè)事故，都能將兩側(cè)可靠跳開。該方案還可用于SFC拖動工況事故跳閘，同時解決了低頻啟動時機(jī)械保護(hù)跳閘的難題。簡化了二次接線。

圖4 4號機(jī)組低頻啟動工況下保護(hù)跳閘邏輯圖

4 四合一廠用電保護(hù)測控、可編程備自投裝置應(yīng)用

蒲石河廠用電采用10、0.4 kV兩級電壓，系統(tǒng)接線復(fù)雜。廠用電保護(hù)測控采用具有遙信、遙測、遙控及保護(hù)功能的四合一保護(hù)測控一體化裝置，分散布置在配電柜上，通過100 Mb光纖連接到保護(hù)管理機(jī)，再與全廠監(jiān)控系統(tǒng)接口。與常規(guī)硬接線連接方案相比，全廠計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)約幾十臺多功能表；節(jié)約上百個開關(guān)量輸入通道和幾十個開關(guān)量輸出通道；節(jié)約了大量保護(hù)、控制、信號電纜。

蒲石河廠用電3段10 kV廠用母線；4段0.4 kV自用電母線；4段0.4 kV公用電母線。之間的備自投關(guān)系十分復(fù)雜，運(yùn)行方式多達(dá)十幾種。用微機(jī)備自投裝置難以滿足備自投功能，因此采用法國施耐德公司可編程序控制器，實(shí)現(xiàn)可編程序備用電自動投入控制。實(shí)現(xiàn)各種工況下10 kV三段母線、0.4 kV四段母線備自投；實(shí)現(xiàn)10 kV母線、0.4 kV母線上下級之間的合理配合，正確投入；當(dāng)10 kV三個電源完全消失時，可編程序備投裝置能自動切除10 kV母線、0.4 kV母線上的次要負(fù)荷斷路器，保留全廠重要負(fù)荷及黑啟動機(jī)組負(fù)荷斷路器，然后向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)信號，自動啟動800 kW柴油發(fā)電機(jī)組，逐級恢復(fù)廠用電源，保證全廠重要負(fù)荷及黑啟動機(jī)組的供電。

5 蓄電池容量選擇

由于抽水蓄能電站控制系統(tǒng)對供電可靠性要求較高，又由于抽水蓄能電站通常具有黑啟動功能，蒲石河抽水蓄能電站主廠房蓄電池的容量最初選為4.32×106C （1 200 A·h）。 施工設(shè)計中， 遵照 DL/T 50044—2004《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，對直流設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了計算。對直流負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計分析時，我們發(fā)現(xiàn)：微機(jī)型控制保護(hù)裝置耗電量僅是電磁式的幾分之一，經(jīng)常負(fù)荷電流很小；新型斷路器采用電動機(jī)儲能，合分閘操作電流都較??；由于電氣一次增加了柴油發(fā)電機(jī)組及專用事故照明裝置，事故放電負(fù)荷主要是為控制、儀表、計算機(jī)工作站供電的逆變電源設(shè)備，事故放電容量不大。隨機(jī)放電容量主要是機(jī)組黑啟動所需直流潤滑油泵電機(jī)電源 （7.5 kW降壓啟動）、勵磁系統(tǒng)啟勵電源（100 A）。我們使用 “電壓控制法”及 “階梯計算法”對蓄電池容量進(jìn)行計算。計算出的蓄電池容量遠(yuǎn)小于4.32×106C （1 200 A·h）， 考慮必要的備用容量后， 最終確定取 2.88×106C （800 A·h）。