大型水電廠廠用電繼電保護系統(tǒng)設計研究

劉珊，桑振海，石爽，馬力

（1. 西北勘測設計研究院電氣設計分院，陜西西安 710065；2. 青海黃河上游水電開發(fā)有限責任公司

工程建設分公司，青海西寧 810016）

水電廠廠用電繼電保護系統(tǒng)是電站繼電保護的重要內(nèi)容，但常常沒有得到應有的重視，尤其對于大型水電廠廠用電系統(tǒng)，合理的配置廠用電繼電保護系統(tǒng)，對電站的安全運行具有重要意義。文章結(jié)合大型水電廠廠用電接線特點及整定計算要求，針對廠用電主、后備保護配置方案進行了闡述和探討。

1 大型發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)整定計算的運行工況分析

大型發(fā)電廠廠用電電源至少為兩個電源[1]，除廠電外，還有一個外來電源，接線通常采用兩級電壓供電，高壓廠用電壓一般采用10 kV或6 kV，通過廠高變直接與發(fā)電機出口斷路器連接，低壓廠用電壓為0.4 kV，通過設置機組自用變、全廠公用變及照明變、壩區(qū)變等與廠用10 kV或6 kV母線連接，兩級廠用電接線均采用分段環(huán)形接線，正常運行方式采用各段母線分列運行，僅當某回電源故障時采用一路電源供電、分段開關(guān)聯(lián)絡運行的方式。

結(jié)合分析了大型發(fā)電廠廠用電接線及運行方式，歸結(jié)廠用電繼電保護系統(tǒng)整定計算對應的接線方式可化簡為如圖1（a）所示，針對不同運行方式廠高變及廠低變電流速斷靈敏度校核對應用圖通常分別為如圖1（b）及圖1（c）所示[2]。

2 大型水電廠廠用電系統(tǒng)保護配置中遇到的主要問題及解決方案

2.1 廠用變壓器主保護的配置方案

圖1 各種運行方式下的廠用電繼電保護系統(tǒng)整定計算用圖Fig. 1 Setting calculation diagram for each operation modes of power plant protection system

廠高變、廠低變主保護的配置方案廣泛采用電流差動及電流速斷保護[3]。針對廠低變及容量不足6.3 MV·A的廠高變主保護配置方案的選擇，關(guān)鍵點在于電流速斷靈敏度能否滿足要求，對此文章進行了詳細論述。

2.1.1 分析計算

首先，以某電廠廠低變主保護配置為例說明廠低變速斷靈敏度不足時未設置差動保護而帶來的問題：

1）主設備參數(shù)。某電廠廠高變、廠低變及外來變參數(shù)如表1所示。

表1 某電廠廠高變、廠低變及外來變參數(shù)表Tab. 1 Parameters table of a power plant service transformer

2）阻抗標幺值計算[4]

3）繪制等值阻抗圖（圖2）[4]

圖2 某水電廠廠用低壓變壓器整定計算用等值阻抗圖Fig. 2 Equivalent impedance chart for setting calculation of hydropower plants service transformer

4）電流速斷整定計算[4]

①躲過外部短路時流過保護安裝處的最大短路電流[5]：

②躲過變壓器勵磁涌流[5]：

綜上可得，電流速斷的定值取為10 A。

③靈敏度校驗[5]

式中，Idmin為廠低變高壓側(cè)保護安裝處發(fā)生兩相最小短路電流，由圖2可得：

5）針對廠低變主保護配置并結(jié)合上述工況，解決方案為：

①當滿足條件2.7K2X3

②當不滿足上述條件而未設置電流差動時，配置時限速斷[6]，定值計算以保證靈敏度為原則加以短延時，即犧牲保護的速動性來保證保護的選擇性。此時應注意兩個方面，一是廠用電保護時限的整體配合；二是采用時限速斷后由于后備保護動作時間增長一個級差，需注意考核一次主設備的額定短時耐受電流能力[7]。通過幾個電站的實際數(shù)據(jù)，在這種工況下設置時限電流速斷時，廠高變后備保護動作時間基本在2 s以內(nèi)，且考慮后備保護動作時短路電流的衰減，一般來說主設備額定短時耐受能力能夠滿足要求。

其次，分析廠高變差動設置的必要性：

1）容量不足6.3 MV·A的廠高變電流速斷靈敏度分析。發(fā)電機機端引接的廠用電源電源側(cè)阻抗可忽略，廠用變短路阻抗按6%考慮、水電廠機組的Xd取0.2，則廠用變低壓側(cè)三相短路電流為：

最小運行方式通常按一臺機組供給短路電流考慮，廠高變高壓側(cè)保護安裝處兩相短路電流為：

此外，對于電廠采用三圈變的主變壓器時，需引起重視，防止由于系統(tǒng)運行方式變化大而使得廠高變電流速斷靈敏度無法滿足要求。

2）廠高變主保護配置的解決方案為。容量不足6.3 MV·A的廠高變，通常廠高變電流速斷保護。對于存在運行方式變化大的運行工況下的廠高變，需進行定量化計算進行保護配置方案的確定。

2.1.2 結(jié)論

廠用兩級變壓器主保護配置在考慮滿足保護四性要求時，應結(jié)合主設備自身要求進行分析，在主設備承受能力范圍內(nèi)，在確保保護的選擇性、靈敏性時保護快速性可以結(jié)合具體工程具體分析，不必一概而論均設置差動保護。

2.2 10 kV（6 kV）母線保護及廠用高壓變壓器后備保護配置方案及整定計算

2.2.1 10 kV（6 kV）母線保護及廠用高壓變壓器相間后備保護配置方案

筆者認為，廠高變高壓側(cè)設置兩段三時限過流保護作為廠高變及10 kV（6 kV）母線的后備保護，10 kV（6 kV）分段及進線開關(guān)處不設置保護裝置。主要原因分析如下：

如圖3所示，10 kV（6 kV）分段及進線開關(guān)處設置保護裝置作為母線主保護同時兼做相鄰饋線的遠后備保護，對廠用系統(tǒng)存在一定特殊性：廠用系統(tǒng)10 kV（6 kV）出線通常距離很短，如果進線、分段設置保護裝置則存在其定值與10 kV（6 kV）出線保護定值難以區(qū)分的實際問題，因此進線、分段無法設置快速主保護，而只能設置時限速斷和過流保護，可由廠高變高壓側(cè)兩段三時限過流保護兼做，同時通常廠高變保護隨發(fā)變組保護裝置構(gòu)成雙重化配置[8]，且進線、分段處保護裝置取消的同時減少了廠用繼電保護系統(tǒng)時限和動作電流配合的復雜性，可靠性得到提高。

圖3 水電廠廠用電系統(tǒng)接線圖Fig. 3 Hydropower plant service power diagram

2.2.2 廠用高壓變壓器相間后備保護整定計算

按遠后備原則[9]，廠高變過流保護應采用兩段式保護，一段為時限速斷保護，用于保證10 kV（6 kV）母線短路時能快速靈敏的切除故障，二段為過流保護，作為廠高變、10 kV（6 kV）母線及出線故障的后備保護。

廠高變過流I段與10 kV（6 kV）出線速斷保護配合，可按最小運行方式下相鄰母線發(fā)生兩相短路故障時有1.5倍靈敏度進行校驗；廠高變過流I段與10 kV（6 kV）出線過流保護配合，需對10 kV（6 kV）出線末端故障有必要靈敏度以避免故障范圍的擴大化。

廠高變過流保護動作出口采用以第一時限跳分段開關(guān)、第二時限跳低壓側(cè)開關(guān)、第三時限跳廠高變各側(cè)開關(guān)的出口方式。

保護動作時限的級差可選擇0.3 s，考慮廠用電母線經(jīng)常為分列運行，對于跳分段開關(guān)保護時限的級差可以設置為0.2 s。

2.3 0.4 kV系統(tǒng)保護及廠用低壓變壓器后備保護配置方案及整定計算

通常0.4 kV開關(guān)本體設置過流保護，其配合關(guān)系難以保證，僅對于廠低變供電給兩個分支時，為保證保護動作的選擇性，應投入各分支上開關(guān)本體的過流保護、速斷不投；對于廠低變無分支接線時，廠低變進線、分段開關(guān)本體的過流保護可不予投入，而采用廠低變速斷、過流保護，過流保護可設置一段三時限的方式，跳閘出口與廠高變描述相同。

水電廠0.4 kV系統(tǒng)，采用中性點直接接地方式，因此設置零序過流保護，保護出口方式與過流保護相同。

當廠用系統(tǒng)整體配合時限較長時，可以結(jié)合具體工程分析，采用廠用變過流保護設置兩時限的方式，即第一時限跳分段或低壓側(cè)進線開關(guān)，第二時限跳變壓器各側(cè)開關(guān)。

3 廠用電繼電保護系統(tǒng)解決方案

1）大型水電廠容量不足6.3 MV·A廠高變主保護配置，通常配置廠高變電流速斷保護，僅當存在運行方式變化大的運行工況時，需進行定量化計算進行保護配置方案的確定。

2）大型水電廠廠低變主保護配置方案可采用：當滿足條件2.7K2X3

3）廠高變相間后備設置兩段式三時限或兩段式兩時限過流保護。

4）廠低變相間后備設置一段式三時限或一段式兩時限過流保護。

5）僅當廠低變供給兩個分支時，0.4 kV開關(guān)本體的過流保護投入。

6）廠高變接地保護設置零序電壓保護，廠低變接地保護設置三時限或兩時限零序電流保護。

7）廠高變、廠低變速斷或時限速斷保護動作出口跳變壓器各側(cè)開關(guān)，過流保護采用一時限跳分段開關(guān)、二時限跳低壓側(cè)進線開關(guān)、三時限跳變壓器各側(cè)開關(guān)，同時二時限與三時限動作出口閉鎖備自投裝置；當廠用系統(tǒng)配合時限過長時，過流保護可采用兩時限方式，一時限跳分段或低壓側(cè)進線開關(guān)、二時限跳變壓器各側(cè)開關(guān)，同時一時限動作出口閉鎖備自投裝置[10]。

4 結(jié)語

在大型電廠廠用電系統(tǒng)保護設計工作中，對廠用電系統(tǒng)設備的特性、運行方式有非常細致的了解，并結(jié)合主接線形式以及機組的容量大小，同時充分考慮到電廠與電網(wǎng)的配合，針對保護裝置特點，方可提出對電廠安全生產(chǎn)更有利的廠用電系統(tǒng)保護設計方案。

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[3] 高春如. 發(fā)電廠廠用電及工業(yè)用電系統(tǒng)繼電保護整定計算[M]. 北京：中國電力出版社，2012.

[4] 崔家佩，孟慶炎，陳永芳，等.電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置整定計算[M]. 北京：水利電力出版社，2006.

[5] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. DL/T 5177-2013 水力發(fā)電廠繼電保護設計導則[S]. 北京：中國電力出版社，2013.

[6] 王明婷，鮑忠偉，賈超. 變壓器時限速斷保護的應用[J].電工技術(shù)，2011（10）: 63-64.WANG Mingting，BAO Zhongwei，JIA Chao. Application time limit relay protection of transformer[J]. Electro Technical，2011（10）: 63-64（in Chinese）.

[7] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB1094.5電力變壓器 第5部分 承受短路的能力[S]. 北京：中國標準出版社，2003.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB14285繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國標準出版社，2006.

[9] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會DL/T 584—2007 3～110 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程[S]. 北京：中國電力出版社，2008.

[10] 中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會. DL/T 5155—2002 220～500 kV變電所所用電設計技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國電力出版社，2002.