抽水蓄能電站機(jī)組保護(hù)國產(chǎn)化改造

龔翔峰，楊海學(xué)，司紅建

(江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333)

沙河抽水蓄能電站位于江蘇溧陽天目湖旅游度假區(qū)境內(nèi)，電站于1998年9月開工興建，2002年6月第一臺機(jī)組投產(chǎn)，同年7月第二臺機(jī)組投產(chǎn)。電站裝機(jī)容量2×50 MW，電氣主接線為單元制接線，單母線單出線。電站主機(jī)設(shè)備從法國ALSTOM公司引進(jìn)，機(jī)組保護(hù)采用不同廠家的多臺保護(hù)裝置和中間繼電器組合而成，采用分列式元件配置。原有機(jī)組保護(hù)在設(shè)計(jì)、運(yùn)行方面存在較多問題，發(fā)生多次誤動作，電站于2010年和2011年對1，2號機(jī)組保護(hù)裝置先后進(jìn)行了國產(chǎn)化改造，運(yùn)行效果良好。

1 原有保護(hù)情況介紹

原有機(jī)組保護(hù)采用分列式元件配置，由多個(gè)廠家的保護(hù)繼電器組合而成，機(jī)組保護(hù)柜面布置如圖1所示。部分保護(hù)功能采用了雙重化，保護(hù)功能配置、繼電器型號和廠家如表1所示。

2 原有保護(hù)問題分析

依據(jù)國家電網(wǎng)公司反事故措施要求及國內(nèi)各相關(guān)國標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合已有運(yùn)行情況分析，原有機(jī)組保護(hù)裝置在保護(hù)配置、設(shè)計(jì)和運(yùn)行等多方面存在一定缺陷。

2.1 部分保護(hù)未雙重化配置

原有機(jī)組保護(hù)僅部分保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)雙重化，多種重要保護(hù)功能仍為單套配置，包括發(fā)變組差動保護(hù)、失步保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、相序保護(hù)、軸電流保護(hù)、勵(lì)磁變過流保護(hù)、勵(lì)磁過負(fù)荷保護(hù)等。當(dāng)單套配置的保護(hù)繼電器異常退出后，機(jī)組將失去該保護(hù)功能，影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，不符合國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)反事故措施要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

表1 保護(hù)功能配置及繼電器型號和廠家

2.2 保護(hù)功能投退依靠監(jiān)控

原保護(hù)裝置各工況下保護(hù)功能投退均由監(jiān)控系統(tǒng)完成，監(jiān)控系統(tǒng)將相應(yīng)的控制信號（閉鎖或開放）通過中間繼電器接入相應(yīng)的保護(hù)裝置。監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)大量采用中間繼電器，二次回路復(fù)雜，開停機(jī)流程復(fù)雜，增加了開機(jī)不成功率和保護(hù)誤動概率。同時(shí)保護(hù)功能的閉鎖不是由保護(hù)裝置內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)，而是閉鎖跳閘出口回路，因此機(jī)組啟停機(jī)過程中大量出現(xiàn)保護(hù)裝置動作而實(shí)際未出口的報(bào)文，嚴(yán)重干擾運(yùn)行值班人員監(jiān)盤及事故分析。

2.3 保護(hù)繼電器硬件結(jié)構(gòu)可靠性低

原有保護(hù)繼電器硬件結(jié)構(gòu)采用單CPU系統(tǒng)，低通濾波、A/D采樣、DSP任一環(huán)節(jié)損壞都將引起裝置動作停機(jī)，近幾年多次發(fā)生SR489保護(hù)繼電器A/D采樣異常引起的非計(jì)劃停運(yùn)事故，而國內(nèi)保護(hù)廠家主流設(shè)計(jì)采用雙CPU系統(tǒng)，兩個(gè)CPU系統(tǒng)之間進(jìn)行完善的自檢和互檢，任一CPU板故障，立即閉鎖保護(hù)裝置并發(fā)報(bào)警信號。

2.4 部分保護(hù)原理不符合國內(nèi)技術(shù)規(guī)范

原有機(jī)組保護(hù)部分保護(hù)原理不符合國內(nèi)技術(shù)規(guī)范，主要有以下幾個(gè)方面：（1）任一保護(hù)裝置電源丟失或電源模塊損壞，保護(hù)動作出口，改造前發(fā)生過SR489保護(hù)繼電器電源模塊損壞和定子接地保護(hù)繼電器TOV電源模塊故障引起的兩起非計(jì)劃停運(yùn)事故。（2）斷路器失靈保護(hù)所用電流錯(cuò)誤取自中性點(diǎn)側(cè)，且斷路器失靈保護(hù)的電流判據(jù)只采用相電流元件，缺少負(fù)序電流元件。（3）發(fā)電電動機(jī)差動保護(hù)和發(fā)變組差動保護(hù)沒有電流互感器（TA）斷線閉鎖功能，在機(jī)端或中性點(diǎn)TA任一相發(fā)生斷線時(shí)，裝置會出口。（4）單元件橫差保護(hù)未濾除三次諧波分量，靠抬高定值躲過三次諧波，靈敏度低。

2.5 保護(hù)元件和中間繼電器多

原有機(jī)組保護(hù)由11個(gè)保護(hù)繼電器和61個(gè)中間繼電器以及2個(gè)出口繼電器組合而成，元件眾多，二次回路復(fù)雜，不便于維護(hù)，并且保護(hù)繼電器和中間繼電器來自于多個(gè)生產(chǎn)廠商，備件采購困難，且采購周期長、費(fèi)用高。因抽水蓄能機(jī)組啟停機(jī)頻繁，工況較多，每次開停機(jī)過程中，涉及到保護(hù)功能閉鎖開放和機(jī)組工況狀態(tài)判別的23個(gè)中間繼電器頻繁動作，導(dǎo)致這部分中間繼電器故障率較高，最近幾年因中間繼電器原因引起很多次的開機(jī)不成功和非計(jì)劃停運(yùn)事故。

3 國產(chǎn)化后的技術(shù)改進(jìn)

3.1 完全雙重化保護(hù)配置

本次改造嚴(yán)格參照國內(nèi)技術(shù)規(guī)程和反措要求，按照保護(hù)功能完全雙重化配置原則，每臺發(fā)電電動機(jī)組設(shè)置2套保護(hù)裝置[2]。每套保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)一臺機(jī)組的所有電氣量保護(hù)，包括主保護(hù)、后備保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)，2套保護(hù)實(shí)現(xiàn)完全雙重化。保護(hù)配置如圖2所示。

圖2 發(fā)電電動機(jī)組屏圖

保護(hù)裝置從電源、電壓互感器（TV）和TA接入、開入量、出口繼電器和斷路器跳閘回路等均完全獨(dú)立，任一元件或回路損壞不影響另一套裝置的正常運(yùn)行。該配置原則大大提高了抽水蓄能機(jī)組保護(hù)的可靠性，降低了機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。另外完全雙重化保護(hù)配置還具有設(shè)計(jì)簡潔、二次回路清晰、運(yùn)行和維護(hù)方便等優(yōu)勢。

3.2 保護(hù)功能投退內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

沙河電站機(jī)組電動工況以SFC啟動方式為主，以背靠背同步啟動作為備用。抽水蓄能機(jī)組需要根據(jù)運(yùn)行工況的判別，進(jìn)行保護(hù)功能投退和相序轉(zhuǎn)換，工況的正確判別是保護(hù)改造成功實(shí)施的前提。本次改造將發(fā)電換相開關(guān)、抽水換相開關(guān)、啟動開關(guān)、拖動開關(guān)、并網(wǎng)開關(guān)、電制動開關(guān)和導(dǎo)水葉位置即7個(gè)輔助接點(diǎn)直接接入保護(hù)裝置，保護(hù)裝置根據(jù)各開入量實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯閉鎖，盡量避免單一條件判斷運(yùn)行工況，同時(shí)增加完善的換相開關(guān)、啟動和拖動開關(guān)、并網(wǎng)開關(guān)、電制動開關(guān)即4個(gè)開關(guān)異常判據(jù)，在開關(guān)異常時(shí)，閉鎖與運(yùn)行工況相關(guān)的保護(hù)功能，防止保護(hù)的誤動。改造后機(jī)組啟停機(jī)過程中不再出現(xiàn)原有保護(hù)裝置動作而實(shí)際未出口的大量報(bào)文，同時(shí)由于輔助接點(diǎn)直接接入，取消了原有大量中間繼電器，極大簡化了二次回路，提高了保護(hù)系統(tǒng)的安全性。

3.3 可靠的保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抽水蓄能機(jī)組對保護(hù)裝置可靠性要求很高，而硬件結(jié)構(gòu)的可靠性則是基礎(chǔ)。本次改造選用的南瑞繼保RCS-985保護(hù)裝置采用了一種新型的 “雙CPU系統(tǒng)，與門出口方式”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，較好地解決了硬件可靠性問題。該硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，分為兩個(gè)CPU系統(tǒng) （啟動CPU和保護(hù)CPU），低通濾波、AD采樣、CPU等完全獨(dú)立，各自進(jìn)行保護(hù)計(jì)算。雙CPU系統(tǒng)采用“與”門出口方式，啟動CPU作用于開放跳閘繼電器正電源，保護(hù)CPU作用于跳閘矩陣，只有兩塊CPU板同時(shí)動作，保護(hù)裝置方可出口，杜絕了任何硬件損壞導(dǎo)致的誤動。兩個(gè)CPU系統(tǒng)之間還進(jìn)行完善的自檢和互檢，任一CPU板故障，立即閉鎖保護(hù)裝置并發(fā)報(bào)警信號。

圖3 雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 先進(jìn)的保護(hù)原理應(yīng)用

3.4.1 變斜率和工頻變化量比率差動保護(hù)

由于大型機(jī)組短路電流水平相對下降，非周期電流衰減變慢，常規(guī)差動保護(hù)靈敏度降低，所以對差動保護(hù)要求在不失可靠性的前提下具有更高的靈敏度。SR489繼電器中差動保護(hù)為常規(guī)的兩折線、三折線比率差動，靈敏度較低。本次改造采用近年來在大型機(jī)組上應(yīng)用較多的變斜率穩(wěn)態(tài)比率差動和工頻變化量比率差動的新原理，更適合抽水蓄能機(jī)組差動保護(hù)的要求[3]。

3.4.2 注入式定子和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)定子單相接地和勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地是發(fā)電機(jī)較為常見的電氣故障，抽水蓄能機(jī)組造價(jià)昂貴，對定子和轉(zhuǎn)子繞組的對地絕緣檢測要求較高。原有定子接地保護(hù)采用常規(guī)“基波零序電壓＋三次諧波”原理，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用乒乓式原理，在靜止?fàn)顟B(tài)下無法檢測絕緣情況。改造后采用高性能的注入式定子、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理，可滿足無勵(lì)磁狀態(tài)下的檢測要求，且保護(hù)靈敏度高[4]。

3.4.3 高靈敏橫差保護(hù)

單元件橫差保護(hù)是發(fā)電電動機(jī)匝間短路故障的主保護(hù)，原有橫差保護(hù)僅為簡單的過流元件，未濾除三次諧波，依靠抬高定值躲過最大三次諧波不平衡分量，靈敏度很低。新型的高靈敏橫差保護(hù)采用相電流比率制動原理，只需躲過正常運(yùn)行時(shí)的不平衡橫差基波電流即可。其基本原理為發(fā)生外部短路故障時(shí)故障電流增加很大，而橫差電流增加較少，取電流增加量作為制動量，保護(hù)能可靠制動；定子繞組輕微匝間故障時(shí)橫差電流增加較大，而相電流幾乎沒有變化，有很高的動作靈敏度。

3.5 其他的改進(jìn)措施

斷路器失靈保護(hù)電流取自發(fā)電電動機(jī)機(jī)端TA，并增加負(fù)序電流元件，完善保護(hù)邏輯。原斷路器失靈保護(hù)用電流取自中性點(diǎn)，在發(fā)電電動機(jī)內(nèi)部故障保護(hù)動作后，由于勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁需一定的時(shí)間，故障電流仍將持續(xù)供給，可能導(dǎo)致斷路器失靈保護(hù)誤動，不滿足國家電網(wǎng)反事故措施要求。發(fā)電電動機(jī)差動保護(hù)和發(fā)變組差動保護(hù)設(shè)置TA斷線閉鎖功能，在機(jī)端或中性點(diǎn)TA發(fā)生斷線時(shí)，可根據(jù)需要選擇是否閉鎖差動保護(hù)，靈活性更高。

4 應(yīng)用情況

1號機(jī)組保護(hù)改造于2010年5月完成，改造后保護(hù)裝置運(yùn)行良好，未發(fā)生任何異常，并正確動作1次。2010年6月27日，1號機(jī)組處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，15時(shí)23分01秒，A套注入式定子接地保護(hù)和B套基波零序電壓保護(hù)動作并跳閘出口，其錄波圖如圖4所示。波形從左至右分為三段，第一段為保護(hù)啟動時(shí)刻波形，第二段為跳閘時(shí)刻波形，第三段為跳閘后波形，Ufa，Ufb，Ufc為機(jī)端三相電壓波形，Uf0，Un0分別為機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓，I0為中性點(diǎn)零序電流，U20，I20為中性點(diǎn)20 Hz注入低頻電壓和電流，Rs為定子接地過渡電阻值。從圖4可看出，啟動時(shí)零序電壓Uf0和零序電流I0出現(xiàn)，定子接地過渡電阻一段時(shí)間落至0 kΩ，為故障初發(fā)階段；跳閘時(shí)零序電壓和零序電流分量很大，20 Hz電壓明顯降低，20 Hz電流明顯增大，定子接地過渡電阻穩(wěn)定于0 kΩ，機(jī)端電壓C相明顯降低，故障特征明顯且穩(wěn)定，初步懷疑為機(jī)端發(fā)生定子C相接地故障。

圖4 定子接地保護(hù)動作錄波圖

經(jīng)仔細(xì)排查，找到故障點(diǎn)為發(fā)電電動機(jī)機(jī)端電制動開關(guān)C相單相接地。查明原因是由于空調(diào)冷凝水排水管堵塞，導(dǎo)致冷凝水溢出，滴落至電制動開關(guān)，造成發(fā)電電動機(jī)機(jī)端引線定子接地故障。在對故障點(diǎn)進(jìn)行緊急處理后，機(jī)組正常投入運(yùn)行，避免了可能造成的發(fā)電電動機(jī)機(jī)端相間短路的嚴(yán)重故障。

5 經(jīng)濟(jì)效益

綜合考慮設(shè)備費(fèi)、輔材費(fèi)（主要為增加的控制電纜）、安裝調(diào)試費(fèi)，每臺機(jī)組保護(hù)國產(chǎn)化改造費(fèi)用約20萬元，低于抽水蓄能行業(yè)機(jī)組保護(hù)改造百萬級別標(biāo)準(zhǔn) （據(jù)調(diào)研潘家口蓄能電廠和廣州蓄能電廠機(jī)組保護(hù)改造費(fèi)用都在百萬元以上），在保障技術(shù)的前提下建立了機(jī)組保護(hù)改造費(fèi)用的新標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組保護(hù)改造完成后，新保護(hù)裝置生命周期內(nèi)的備件費(fèi)用和廠家服務(wù)費(fèi)用為0，只需每年4萬元的常規(guī)校驗(yàn)外包費(fèi)用，克服了原有進(jìn)口保護(hù)裝置后期維護(hù)費(fèi)用高（年均超過20萬元）和售后服務(wù)不到位等缺點(diǎn)。

6 結(jié)束語

本次改造工程嚴(yán)格參照國內(nèi)技術(shù)規(guī)程和反事故措施要求，克服原有機(jī)組保護(hù)缺陷，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組保護(hù)主后備一體化、雙重配置的成套保護(hù)配置方案，成功應(yīng)用了注入式定子、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理、變斜率比率差動原理、工頻變化量差動原理、高靈敏橫差保護(hù)等先進(jìn)技術(shù)，極大地提高了機(jī)組保護(hù)性能。改造后二次回路簡潔清晰，維護(hù)方便，現(xiàn)場應(yīng)用安全可靠。

[1]GB/T 14285—2006，繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S].

[2]沈全榮，何雪峰，沈儉，等.大型發(fā)變組微機(jī)保護(hù)雙重化配置探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26(10)：69-72.

[3]嚴(yán) 偉，陳 俊，沈全榮.超超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)探討[J].江蘇電機(jī)工程，2008，27(S1)：61-63.

[4]王光，溫永平，陳 俊，等.注入方波電壓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的研制及應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程，2009，28(2)：74-77.