水輪發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周云樹

【摘 要】從設(shè)備選擇、配置和滿足設(shè)備功能需求等方面詳細(xì)描述了水輪發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)字化，提高了水電站主要設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】水輪發(fā)電機(jī)組；繼電保護(hù)；水電站

0.概述

隨著國家經(jīng)濟(jì)高效快速的發(fā)展，對(duì)能源的需求也是與日俱增，特別是水力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展越來越受到人們的重視，近幾年在水資源豐富的地區(qū)興起了修建水電樞紐工程的熱潮。繼電保護(hù)系統(tǒng)是水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。繼電保護(hù)設(shè)備的可靠性直接影響系統(tǒng)的可靠性。水輪發(fā)電機(jī)組作為發(fā)電廠中最重要的設(shè)備，繼電保護(hù)的選擇關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性。在水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，相關(guān)的繼電保護(hù)設(shè)備可靠動(dòng)作，切斷故障元件或故障線路，減少故障損失，防止事故擴(kuò)大，所選擇的繼電保護(hù)設(shè)備的可靠性、靈敏性、選擇性對(duì)水電站運(yùn)行的安全穩(wěn)定起著決定性的作用。

1.設(shè)備選擇及設(shè)計(jì)原則

繼電保護(hù)設(shè)備選型上采用AREVA（阿?，m）設(shè)備作為水電站元件保護(hù)。該公司是全球發(fā)電設(shè)備及服務(wù)的三大供應(yīng)商之一，在提供全方位服務(wù)方面具有獨(dú)到的專業(yè)優(yōu)勢，所提供的設(shè)備現(xiàn)已占全球總裝機(jī)容量的20%。該公司為中國水電領(lǐng)域的重大項(xiàng)目提供設(shè)備，成為包括三峽工程（分包商）、萬家寨發(fā)電廠、以及最近的青海尼那、貴州烏江渡電廠增容改造、湖南鳳灘 （發(fā)電機(jī)）、廣西紅花（發(fā)電機(jī)）等項(xiàng)目的主要供貨商。

在保護(hù)系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)上，對(duì)于重要元件按照主保護(hù)，后備保護(hù)分開的原則進(jìn)行配置。主、后備保護(hù)分開不僅功能上分開，而且在物理上完全獨(dú)立。并有不同的供電回路實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備的供電。當(dāng)主保護(hù)由于某種原因退出運(yùn)行時(shí)，后備保護(hù)仍可作為設(shè)備的后備保護(hù)運(yùn)行。

2.微機(jī)保護(hù)配置及功能

水輪發(fā)電機(jī)組作為水電站最重要的元件，以MiCOM P343、MiCOM 127、MX3IPG2A作為保護(hù)裝置，配置發(fā)電機(jī)保護(hù)。

該配置的發(fā)電機(jī)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具有以下功能：

2.1發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置MiCOM P343來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，作為發(fā)電機(jī)定子及引出線相間短路故障的主保護(hù)。MiCOM P343全數(shù)字微機(jī)保護(hù)裝置中設(shè)計(jì)有二套不同原理的差動(dòng)保護(hù)，即雙折線的比率制動(dòng)原理和高阻抗原理（通過定值軟件選擇），高阻抗原理（在區(qū)外故障時(shí)有很高的靈敏度），二套不同原理的差動(dòng)保護(hù)在運(yùn)行時(shí)用戶可以選擇，該保護(hù)具有比率制動(dòng)特性和高阻抗特性，電流互感器飽和或斷線不會(huì)引起誤動(dòng)，保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘、停機(jī)和滅磁，發(fā)事故信號(hào)。比例差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不大于30ms，差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不大于20ms。

①具有防止區(qū)外故障誤動(dòng)的制動(dòng)特性。

②具有CT斷線判別功能，能閉鎖差動(dòng)或報(bào)警，當(dāng)電流大于額定電流1.2～1.5倍時(shí)自動(dòng)解除閉鎖，同時(shí)CT斷線時(shí)能發(fā)信號(hào)。

③在同一相上出現(xiàn)兩點(diǎn)接地故障（一點(diǎn)區(qū)內(nèi)、一點(diǎn)區(qū)外）時(shí)，保護(hù)正確動(dòng)作。

④拐點(diǎn)電流：1～1.1In。

⑤比例制動(dòng)系數(shù)：0.3～0.7可調(diào)。

⑥起動(dòng)電流：0.1～1In可調(diào)。

⑦整定值允許誤差±5%。

2.2發(fā)電機(jī)帶電流記憶的低壓過流保護(hù)

由MiCOM P127保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)。本保護(hù)用于反映發(fā)電機(jī)外部相間短路，為發(fā)電機(jī)、變壓器主保護(hù)的后備保護(hù)。保護(hù)帶有二段時(shí)限，動(dòng)作于發(fā)電機(jī)跳閘、停機(jī)和滅磁，發(fā)事故信號(hào)。

2.3定子繞組定時(shí)限和反時(shí)限的過負(fù)荷保護(hù)

該保護(hù)由發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置MiCOM P343來實(shí)現(xiàn)。作為發(fā)電機(jī)負(fù)荷過高時(shí)的保護(hù)，由定時(shí)限和反時(shí)限兩部分組成。保護(hù)元件有二段獨(dú)立的分相過流保護(hù)，每段均具有定時(shí)限和反時(shí)限延時(shí)特性，用戶可根據(jù)機(jī)組的過負(fù)荷特性選擇9種反時(shí)限特性中的任意一種。發(fā)電機(jī)定子繞組過負(fù)荷保護(hù)能反應(yīng)發(fā)電機(jī)過負(fù)荷引起的定子繞組過熱，以防止發(fā)電機(jī)定子繞組在全相運(yùn)行時(shí)受到過負(fù)荷的損害。保護(hù)由定時(shí)限和反時(shí)限兩部分組成，定時(shí)限按發(fā)電機(jī)長期允許電流下能可靠返回；反時(shí)限部分動(dòng)作特性按定子繞組過負(fù)荷能力確定。

動(dòng)作時(shí)間： Ⅰ段：0～10s可調(diào)

Ⅱ段：可延長至1000S

動(dòng)作情況： Ⅰ段動(dòng)作于發(fā)預(yù)告信號(hào)；

Ⅱ段動(dòng)作于跳發(fā)電機(jī)出口斷路器、停機(jī)、滅磁、發(fā)事故信號(hào)。

2.4 100%定子一點(diǎn)接地保護(hù)

作為發(fā)電機(jī)繞組單相接地時(shí)的保護(hù)。保護(hù)裝于中性點(diǎn)接地配電變壓器二次負(fù)載電阻側(cè)和機(jī)端電壓互感器開口三角側(cè)。

MiCOM P343保護(hù)裝置將采集機(jī)端零序電壓，其零序電壓可以根據(jù)用戶的要求由機(jī)端PT計(jì)算得出，也可直接由開口三角測量，同時(shí)還可以由中性點(diǎn)PT測量，上述零序過電壓保護(hù)可以保護(hù)機(jī)組的95%定子繞組；其余的5%定子繞組接地保護(hù)由中性點(diǎn)配電變壓器的三次諧波電壓取得，在定子單相接地時(shí)，當(dāng)接地點(diǎn)由機(jī)端向中性點(diǎn)側(cè)移動(dòng)時(shí)，在機(jī)端實(shí)測的三次諧波電壓是逐漸增加的，而中性點(diǎn)的三次諧波電壓逐漸衰減的，其整定可以選擇機(jī)端三次諧波過電壓，因?yàn)樵跈C(jī)組正常運(yùn)行時(shí)也有三次諧波電壓，其過電壓定值很難整定；采用中性點(diǎn)的三次諧波低電壓，低電壓的靈敏度當(dāng)然比過電壓的高，可以很好的保護(hù)5%定子繞組。

動(dòng)作時(shí)間：0～20s可調(diào)

動(dòng)作情況：跳發(fā)電機(jī)出口斷路器、停機(jī)、滅磁、發(fā)事故信號(hào)。

2.5轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地

作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)的保護(hù)。采用向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組回路注入低頻交流電壓的原理，LD-3保護(hù)裝置完全達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。保護(hù)裝置能有效消除勵(lì)磁回路中交、直流分量的影響，并且在同期并列、增減負(fù)荷、系統(tǒng)振蕩等暫態(tài)過程中，保護(hù)不誤動(dòng)，保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于報(bào)警。

①轉(zhuǎn)子繞組不同地點(diǎn)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，在同一整定值下，其動(dòng)作值誤差為：當(dāng)整定值為1kΩ-5kΩ時(shí)允許誤差±0.5kΩ，整定范圍為0.2kΩ-4kΩ。

②接地電阻整定值允許誤差不大于±10%。

③返回系數(shù)不大于1.3。

2.6失磁保護(hù)

作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流異常下降或完全消失的失磁故障的保護(hù)，由MiCOM P343實(shí)現(xiàn)的失磁保護(hù)包含二個(gè)動(dòng)作元件，阻抗元件和功率因數(shù)報(bào)警元件，當(dāng)然還有轉(zhuǎn)子低電壓和高壓側(cè)低電壓判據(jù)及相關(guān)的PT斷線閉鎖。在傳統(tǒng)的異步圓的基礎(chǔ)上增加快速動(dòng)作圓，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在失磁條件下能快速動(dòng)作，切斷發(fā)電機(jī)組。一般同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其滑差可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的0.1-0.2%，這時(shí)發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收無功功率，保持20-30%的額定有功功率運(yùn)行，在這種條件下發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行一段時(shí)間，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不會(huì)損壞，但長時(shí)間運(yùn)行在低功率區(qū)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將造成損壞。傳統(tǒng)的阻抗元件不會(huì)檢測到上述故障，而MiCOM P343中的失磁保護(hù)提供了一個(gè)功率因數(shù)報(bào)警元件，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在上述條件下時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保護(hù)發(fā)電機(jī)組。

保護(hù)發(fā)電機(jī)在發(fā)生失磁或部分失磁時(shí)，防止危及發(fā)電機(jī)安全及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保護(hù)裝置。其主要功能和技術(shù)要求如下：

①具有檢測機(jī)組穩(wěn)態(tài)異步邊界的功能。

②具有檢測系統(tǒng)電壓崩潰的功能及機(jī)端電壓能否維持帶廠用電的功能。

③具有檢測不同負(fù)荷下各種全失磁和部分失磁的功能。

④機(jī)組正常運(yùn)行，系統(tǒng)振蕩時(shí)不誤動(dòng)。

⑤根據(jù)不同的失磁情況發(fā)出信號(hào)、切換廠用電、解列或全停。

⑥系統(tǒng)振蕩及故障切除過程中、PT回路斷線等不誤動(dòng)。

⑦具有勵(lì)磁電壓通道檢測功能。

⑧整定范圍： 轉(zhuǎn)子低電壓：0.00～500V

系統(tǒng)及機(jī)端低電壓：50～100V

⑨阻抗整定值允許誤差±5%，其他整定值允許誤差±2.5%。

⑩固有延時(shí)不大于70ms。

2.7定子繞組過電壓保護(hù)

由發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置MiCOM P127來實(shí)現(xiàn)。本保護(hù)用于發(fā)電機(jī)定子過電壓故障的保護(hù)，保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于跳閘、滅磁，發(fā)事故信號(hào)。

2.8定子負(fù)序過電流保護(hù)

作為發(fā)電機(jī)不對(duì)稱過負(fù)荷、非全相運(yùn)行及外部不對(duì)稱短路引起的負(fù)序過電流的保護(hù)，檢測由于發(fā)電機(jī)不對(duì)稱負(fù)荷、非全相運(yùn)行及外部不對(duì)稱短路產(chǎn)生的負(fù)序電流，當(dāng)此電流超過發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)序電流值時(shí)動(dòng)作發(fā)告警信號(hào)，反時(shí)限部分按照I·t做判據(jù)。MiCOM P343保護(hù)裝置提供二段負(fù)序電流保護(hù)，一段定時(shí)限報(bào)警或跳閘，一段帶熱特性的跳閘。

動(dòng)作時(shí)間： Ⅰ段：0～5s可調(diào)

Ⅱ段：可延長至1000S

動(dòng)作情況： Ⅰ段發(fā)預(yù)告信號(hào)；

Ⅱ段動(dòng)作于跳發(fā)電機(jī)出口斷路器、停機(jī)、滅磁、發(fā)事故信號(hào)。

2.9發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)由MiCOM P343裝置來實(shí)現(xiàn)，該裝置具有兩段保護(hù)。動(dòng)作情況：解列、滅磁、發(fā)事故信號(hào)。

2.10軸電流保護(hù)

軸電流保護(hù)由主機(jī)廠家提供裝配于大軸的軸電流互感器、以及裝配于發(fā)電機(jī)保護(hù)屏的軸電流保護(hù)裝置構(gòu)成。軸電流保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，第一時(shí)限發(fā)預(yù)告信號(hào)；第二跳發(fā)電機(jī)出口斷路器、滅磁，發(fā)事故信號(hào)。同時(shí)軸電流保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)也可傳至MiCOM P343的二進(jìn)制輸入端，實(shí)現(xiàn)發(fā)信號(hào)或跳閘，并進(jìn)行事件記錄。

2.11電壓互感器斷線閉鎖

由發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置MiCOM P343來實(shí)現(xiàn)。本裝置用于檢測保護(hù)用電壓互感器的原邊或副邊斷線（包括熔斷器熔斷），其動(dòng)作于報(bào)警，并閉鎖由于失去電壓可能造成誤動(dòng)作的保護(hù)。

2.12電流互感器斷線保護(hù)

由發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置MiCOM P343來實(shí)現(xiàn)。裝置設(shè)有延時(shí)TA斷線報(bào)警及瞬時(shí)TA斷線時(shí)發(fā)預(yù)告信號(hào)報(bào)警，并閉鎖差動(dòng)保護(hù)功能。

2.13發(fā)電機(jī)頻率保護(hù)

發(fā)電機(jī)頻率保護(hù)由MiCOM P343裝置來實(shí)現(xiàn)，該裝置具有兩段過頻率保護(hù)和四段低頻率保護(hù)組成，每一段均可設(shè)置成定時(shí)限特性。動(dòng)作情況：跳發(fā)電機(jī)出口斷路器、滅磁，發(fā)事故信號(hào)。

除具上述保護(hù)功能外，該發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置還可以測量和儲(chǔ)存大量的數(shù)據(jù)。所有的事件、故障和故障錄波都帶有時(shí)間標(biāo)記，時(shí)間分辨率為l毫秒。一個(gè)可選的IRIG-B接口還可實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步。如果保護(hù)電源故障，備用鋰電池可以保證實(shí)時(shí)時(shí)鐘正常工作，并保證全部事件記錄不丟失。該電池受監(jiān)視并很容易從保護(hù)正面進(jìn)行更換。

3.結(jié)束語

總之，水輪發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)系統(tǒng)的目的在于提高運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平及供電電能質(zhì)量，能有效改善運(yùn)行人員的勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。