小型水電站廠用變保護(hù)的分析與設(shè)計(jì)

古樹平

摘 要：小型水電站的一次系統(tǒng)設(shè)備一般要求簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但給二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。小型水電站廠用變高壓側(cè)多采用限流熔斷器加負(fù)荷開關(guān)的配置模式，其繼電保護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要，文章分析了廠用變保護(hù)的動(dòng)作邏輯并提出了設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：廠用變；繼電保護(hù)；動(dòng)作邏輯

中圖分類號(hào)： TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）36-169-2

0 引言

小型水電站的建設(shè)追求投資省見效快，對(duì)于電氣系統(tǒng)，一次設(shè)備一般選擇成熟可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品。但對(duì)于二次設(shè)備，其配置需根據(jù)一次設(shè)備的情況具體分析與設(shè)計(jì)，從而尋求合適的保護(hù)方案。小型水電站廠用變從發(fā)電機(jī)機(jī)端取電，其高壓側(cè)一般采用限流熔斷加負(fù)荷開關(guān)的組合，不需配置斷路器，節(jié)省了設(shè)備投資。廠用變保護(hù)是提高供電可靠性、確保電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵，其保護(hù)方案的設(shè)計(jì)需考慮諸多問題。

1 廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式

小型水電站機(jī)組為單元接線形式，其廠用電系統(tǒng)分為10kV和400V兩級(jí)，10kV為機(jī)端即廠用變高壓側(cè)電壓，400V為廠用變低壓側(cè)負(fù)荷母線電壓。廠用變高壓側(cè)通過限流熔斷器和負(fù)荷開關(guān)與發(fā)電機(jī)機(jī)端連接，低壓側(cè)通過開關(guān)與400V母線連接。廠用電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，如圖1所示。

廠用電系統(tǒng)的運(yùn)行方式為正常情況400V母線分兩段獨(dú)立運(yùn)行，每段母線通過不同機(jī)組廠用變?nèi)‰姟．?dāng)任一段母線失電時(shí)，400V備投裝置自動(dòng)啟動(dòng)，將分段開關(guān)合上，兩段母線并列運(yùn)行，失電母線從另一機(jī)組的廠用變?nèi)‰姟?/p>

小型水電站廠用電的安全可靠運(yùn)行尤為重要，廠用變保護(hù)的分析和設(shè)計(jì)需緊緊圍繞廠用電的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式展開。

2 廠用變保護(hù)動(dòng)作邏輯分析

廠用變保護(hù)的動(dòng)作邏輯需根據(jù)不同部位的故障情況進(jìn)行分析，應(yīng)準(zhǔn)確且完整。

①當(dāng)廠用變高壓側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，由于配置了限流熔斷器，在短路電流過大時(shí)可自動(dòng)熔斷切斷電路，由其形成保護(hù)并切除故障點(diǎn)。如果限流熔斷器未能熔斷并切除故障，則由發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作跳發(fā)電機(jī)，并跳開主變，此時(shí)停電范圍擴(kuò)大。②當(dāng)廠用變內(nèi)部繞組發(fā)生短路故障時(shí)，由限流熔斷器切除故障。廠用變高壓側(cè)及內(nèi)部故障時(shí)，限流熔斷器即為主保護(hù)，充當(dāng)了電流速斷保護(hù)的功能。此外，即使配置了電流速斷保護(hù)，由于負(fù)荷開關(guān)不能開關(guān)大的短路電流，因此速斷保護(hù)不能跳開負(fù)荷開關(guān)。③當(dāng)廠用變低壓側(cè)及400V母線發(fā)生短路故障時(shí)，廠用變保護(hù)動(dòng)作，可一時(shí)限先行跳開400V分段斷路器，如果故障未能切除則二時(shí)限跳開廠用變低壓側(cè)400V斷路器。④當(dāng)廠用變低壓側(cè)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，廠用變保護(hù)動(dòng)作，與過流保護(hù)類似，一時(shí)限先行跳開400V分段斷路器，如果故障未能切除則二時(shí)限跳開廠用變低壓側(cè)400V斷路器。⑤當(dāng)廠用變溫度升高時(shí)，廠用變非電量保護(hù)動(dòng)作，延時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)溫度過高時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳閘，跳開發(fā)電機(jī)和變壓器，同時(shí)跳開廠用變低壓側(cè)400V開關(guān)。

從以上分析可以看出，廠用變保護(hù)的動(dòng)作邏輯復(fù)雜，需考慮各個(gè)可能的故障點(diǎn)，同時(shí)還需考慮與限流熔斷器及發(fā)電機(jī)保護(hù)的配合問題。

此外，廠用變高壓側(cè)既連接著發(fā)電機(jī)機(jī)端，也連接著主變低壓側(cè)。廠用變是否納入主變差動(dòng)的保護(hù)范圍的問題需重點(diǎn)分析。

如果將廠用變納入主變差動(dòng)保護(hù)范圍，即廠用變高壓側(cè)電流互感器不接入主變差動(dòng)回路，表面上擴(kuò)大了主變差動(dòng)的保護(hù)范圍，但在廠用變低壓側(cè)發(fā)生短路故障而廠用變保護(hù)未能動(dòng)作時(shí)，主變差動(dòng)保護(hù)往往沒有靈敏性。同時(shí)，廠用變故障問題容易引起上一級(jí)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，從而擴(kuò)大了停電范圍，影響了保護(hù)的選擇性和可靠性。

反之，如果將廠用變排除在主變差動(dòng)保護(hù)范圍外，即廠用變高壓側(cè)電流互感器接入主變差動(dòng)回路，則主變差動(dòng)只保護(hù)到廠用變高壓側(cè)。如此，廠用變保護(hù)與主變差動(dòng)保護(hù)職責(zé)范圍清晰，廠用變故障不會(huì)輕易影響主變差動(dòng)保護(hù)，為避免死區(qū)兩者在廠用變高壓側(cè)電流互感器的接入時(shí)可形成一定的交叉。

3 廠用變保護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上一節(jié)對(duì)廠用變保護(hù)動(dòng)作邏輯的分析，進(jìn)一步形成下列保護(hù)設(shè)計(jì)方案。

①?gòu)S用變不設(shè)置電流速斷保護(hù)，由限流熔斷器代替。②廠用變?cè)O(shè)置過電流保護(hù)，帶兩段時(shí)限，一時(shí)限跳開400V分?jǐn)嚅_關(guān)，二時(shí)限跳開廠用變400V側(cè)開關(guān)。③廠用變?cè)O(shè)置低壓側(cè)零序過電流保護(hù)，帶兩段時(shí)限，一時(shí)限跳開400V分?jǐn)嚅_關(guān)，二時(shí)限跳開廠用變400V側(cè)開關(guān)。④廠用變?cè)O(shè)置溫度保護(hù)，延時(shí)報(bào)警，必要時(shí)跳閘。⑤廠用變高壓側(cè)電流互感器接入主變差動(dòng)回路。發(fā)電機(jī)保護(hù)充當(dāng)廠用變遠(yuǎn)后備保護(hù)。

上述廠用變的保護(hù)設(shè)計(jì)方案充分考慮了廠用變各個(gè)區(qū)域的故障問題，并兼顧了與發(fā)電機(jī)保護(hù)和主變差動(dòng)保護(hù)的配合性，方案完整清晰。此外，利用限流熔斷器充當(dāng)主保護(hù)，不需重復(fù)配置電流速斷保護(hù)，保護(hù)方案簡(jiǎn)單可靠。

廠用變?cè)O(shè)計(jì)方案如圖2所示，零序保護(hù)需接入400V側(cè)零序互感器，圖中略。需要說明的是，圖中CT1和CT2均為裝設(shè)于廠用變高壓側(cè)電流互感器，一般裝設(shè)于開關(guān)柜內(nèi)。兩者之間變比不同，接入主變差動(dòng)保護(hù)回路的CT2變比更大，為保證差動(dòng)保護(hù)性能，CT2應(yīng)盡可能與發(fā)電機(jī)出口電流互感器同型。

對(duì)于CT2，如果選用與發(fā)電機(jī)出口同型的大變比互感器，在開關(guān)柜內(nèi)有裝設(shè)困難時(shí)，則可適當(dāng)降低變比，但不應(yīng)使主變差動(dòng)保護(hù)的平衡系數(shù)過大造成整定困難，具體變比可綜合短路電流計(jì)算結(jié)果和保護(hù)廠家整定值說明確定。CT1帶兩個(gè)繞組，一個(gè)為保護(hù)繞組用于過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)等，另一個(gè)為測(cè)量繞組用于廠用變電流測(cè)量，其變比根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果和廠用變額定電流確定。

4 廠用電設(shè)備配置建議

根據(jù)前面的論述，在廠用變高壓側(cè)采用限流熔斷器加負(fù)荷開關(guān)的配置時(shí)，可以找到合適且完整的保護(hù)方案，但一次設(shè)備的配置給保護(hù)方案的設(shè)計(jì)都帶來相當(dāng)大的難度，給定值整定、時(shí)限配合也帶來一定的麻煩。此外，負(fù)荷開關(guān)無法開斷大的短路電流，因此保護(hù)無法直接跳開負(fù)荷開關(guān)，有時(shí)需要跳發(fā)電機(jī)出口斷路器來切除機(jī)組，甚至需要跳開主變高壓側(cè)斷路器，以完全切除故障，擴(kuò)大了故障范圍，給電站帶來停電損失。因此，在進(jìn)行廠用電設(shè)備選型配置時(shí)，除考慮設(shè)備經(jīng)濟(jì)性外，也需要使保護(hù)方案盡可能簡(jiǎn)單。在條件允許時(shí)，應(yīng)選用能開斷大短路電流的斷路器。

5 結(jié)論

文章分析了小型水電站廠用電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，在此基礎(chǔ)上對(duì)廠用變保護(hù)的動(dòng)作邏輯和關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入分析，進(jìn)而提出了完整可靠的保護(hù)設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)廠用電系統(tǒng)的設(shè)備配置方案提出了建議。小型水電站廠用電的供電可靠性至關(guān)重要，繼電保護(hù)系統(tǒng)的合理配置和設(shè)計(jì)是確保水電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14285—2006.

[2] 水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)人民共和國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 35010—2013.