淺述水電廠發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)配置及與水機(jī)LCU的配合

摘 要：文章介紹了水電廠的一次主接線型式，發(fā)電機(jī)與變壓器的保護(hù)配置，繼電保護(hù)與水電廠現(xiàn)地控制單元的配合，最后對(duì)水電廠各種主接線優(yōu)缺點(diǎn)做了簡(jiǎn)要評(píng)介。

關(guān)健詞：水電廠；發(fā)電機(jī)；變壓器；保護(hù)配置；與LCU配合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.145

1 引言

隨著我國(guó)大力發(fā)展建設(shè)的同時(shí)，不可再生能源的消耗和短缺也逐步困擾著我國(guó)，正因?yàn)榇?，我?guó)開始加大對(duì)環(huán)境及能源的保護(hù)，電力是我國(guó)現(xiàn)代化發(fā)展的龍頭，無論工業(yè)、農(nóng)業(yè)及其它各行業(yè)對(duì)它都有很大的依賴，正因如此，發(fā)展電力也是我國(guó)中之重，電力的源頭發(fā)電行業(yè)分火力、水力、風(fēng)力、太陽能，火力電廠依賴于煤，屬于不可再生能源消耗。風(fēng)力、太陽能發(fā)電又對(duì)天氣環(huán)境有較大的依賴，而水力發(fā)電在我國(guó)西部又有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，因此，加快西部水力資源開發(fā)、實(shí)現(xiàn)西電東送，對(duì)于解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的能源短缺問題、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展，無疑具有非常重要的意義。

發(fā)展水力發(fā)電的同時(shí)又使我們看到保障好水力發(fā)電系統(tǒng)成為重要前提，本文重點(diǎn)對(duì)水電廠中發(fā)電機(jī)、變壓器的保護(hù)配置作了詳細(xì)的介紹，以四川省涼山州木里縣境內(nèi)的鴨嘴河跑馬坪水電廠為例，根據(jù)主接線圖詳述了各保護(hù)的配置及出口跳閘模式，我國(guó)只有少數(shù)的類似于三峽水電廠這樣的大型水電廠，大多數(shù)規(guī)模均較小，但又多數(shù)上電網(wǎng)，正基于此，研究配置好中小型水電廠，不僅更好的保證水電廠的安全，更為系統(tǒng)安全提供保障。以鴨嘴河跑馬坪水電廠作為典型介紹還是有一定的代表性的，該水電廠發(fā)電機(jī)采取一主一后配置，主變保護(hù)采用雙主雙后配置。在文章最后對(duì)發(fā)變組保護(hù)與水機(jī)LCU的配合作了各種分析，同時(shí)對(duì)水電廠的主要接線進(jìn)行簡(jiǎn)要的評(píng)價(jià)。

2 水電廠的分類及主接線及保護(hù)配置原則

水電廠主接線形式與火電廠主接線形式不太一樣，大多采用發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線形式，由于水電廠發(fā)電機(jī)容量大多很小，單機(jī)容量25MW以下的發(fā)電機(jī)組稱為小型，25MW～250MW為中型，250MW以上為大型。通常水電廠均為幾十兆瓦，幾臺(tái)發(fā)電機(jī)出口帶斷路器后并接至出口母線上，再經(jīng)變壓器升壓至35KV、110KV或220KV，所以對(duì)于水電廠發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)是分開配置的，不像火電廠大都采用發(fā)電機(jī)-變壓器組方式進(jìn)行按整套發(fā)變組保護(hù)模式配置，對(duì)于接入至220KV母線的主變采用雙套保護(hù)配置，對(duì)于大于100MW以上的發(fā)電機(jī)也均采用雙套保護(hù)，本文根據(jù)此著重講一下在四川涼州鴨嘴河跑馬坪水電廠的保護(hù)具體配置。

3 跑馬坪水電廠主接線

跑馬坪水電廠位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的鴨嘴河上，為鴨嘴河的第三級(jí)水電站。電站總裝機(jī)容量120MW，采用引水式開發(fā)，裝設(shè)2臺(tái)單機(jī)容量為60MW、額定水頭600m的水斗式立軸水輪發(fā)電機(jī)組。升高電壓側(cè)采用220kV一級(jí)電壓。電氣主接線采用擴(kuò)大單元+單母線接線，設(shè)置1臺(tái)額定容量為150MVA組合式三相雙卷升壓型無勵(lì)磁調(diào)壓銅芯電力變壓器，將發(fā)電機(jī)10.5kV電壓升壓至220kV電壓接入電力系統(tǒng)。

4 跑馬坪水電廠保護(hù)配置圖（見圖1）

5 跑馬坪水電廠保護(hù)配置介紹

5.1 發(fā)電機(jī)保護(hù)主要配置

電氣量主保護(hù)：發(fā)電機(jī)差動(dòng)、橫差保護(hù)、失磁保護(hù)、定子接地保護(hù)。

電氣量后備保護(hù)：復(fù)合過電流、記憶過流、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)、過電壓保護(hù)、定時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)、反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)、過激磁保護(hù)、頻率異常保護(hù)、誤上電保護(hù)

非電量保護(hù)：勵(lì)磁系統(tǒng)故障、水機(jī)保護(hù)聯(lián)跳、緊急跳閘。

發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)取3CT和14CT，作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的全線快速保護(hù)，動(dòng)作于發(fā)電機(jī)全停；

發(fā)電機(jī)復(fù)合過電流和記憶過流保護(hù)取4CT。保護(hù)延時(shí)動(dòng)作于發(fā)電機(jī)全停；

橫差保護(hù)取2CT，保護(hù)快速動(dòng)作于發(fā)電機(jī)全停；

失磁保護(hù)設(shè)計(jì)為在大負(fù)荷失磁時(shí)，取4CT，在小負(fù)荷時(shí)取9CT，失磁保護(hù)動(dòng)作于帶時(shí)限解列。

對(duì)于水輪機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地采取發(fā)信方式。

過電壓保護(hù)采用機(jī)端PT，動(dòng)作電壓取1.5倍額定電壓，保護(hù)動(dòng)作于解列滅磁；

定時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)采用4CT，保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于發(fā)信和減出力；

反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)采用4CT，反時(shí)限設(shè)下限段、反時(shí)限段、上限段，下限段為保護(hù)啟動(dòng)值，當(dāng)電流大于啟動(dòng)值時(shí)，發(fā)電機(jī)開始熱累積，當(dāng)電流小于啟動(dòng)值時(shí)，發(fā)電機(jī)開始散熱過程。反時(shí)限段則根據(jù)反時(shí)限電流的大小進(jìn)行出口動(dòng)作時(shí)間不同，反時(shí)限電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短。 上限段為速斷段，即大于此電流保護(hù)無時(shí)限動(dòng)作出口，保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于解列；

定子接地保護(hù)取機(jī)端PT開口三角電壓，保護(hù)動(dòng)作全停（停機(jī)模式，不停主變）；

過激磁保護(hù)取機(jī)端PT電壓，利用電壓與頻率的比值作判據(jù)，保護(hù)作于解列滅磁，頻率異常保護(hù)分低頻和過頻兩種方式，保護(hù)動(dòng)作于發(fā)信。

誤上電保護(hù)電流取自14CT和機(jī)端PT三相電壓，保護(hù)是為防止在發(fā)電機(jī)靜止時(shí)發(fā)生誤合閘操作，從系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)定子繞組倒送大電流，在水輪機(jī)未旋轉(zhuǎn)時(shí)可能會(huì)燒毀定子繞組。其判據(jù)為機(jī)端斷路器由開到合，且保護(hù)受機(jī)端低頻元件和低壓元件開放，此誤上電保護(hù)在發(fā)電機(jī)退出時(shí)自動(dòng)投入使用，保護(hù)本動(dòng)作于解列；

發(fā)電機(jī)保護(hù)非電量保護(hù)均作于（停機(jī)模式，不停主變）。其中一組保護(hù)重動(dòng)接點(diǎn)可接至水機(jī)緊急停機(jī)控制器用于關(guān)停水機(jī)及輔設(shè)備。

5.2 主變保護(hù)主要配置

電氣量主保護(hù)（雙套）：差動(dòng)保護(hù)、零序電流保護(hù)、零壓閉鎖零流保護(hù)、電氣量后備保護(hù)（雙套）：高壓側(cè)復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)、機(jī)端斷路器失靈保護(hù)、開入閉鎖過流保護(hù)、過激磁保護(hù)、低壓零壓保護(hù)、失靈聯(lián)跳保護(hù)；

非電量保護(hù)：重瓦斯跳閘、壓力高跳閘、油溫高跳閘、冷卻器全停跳閘、繞組溫度高跳閘、輕瓦斯發(fā)信、油溫高告警、繞組溫度高告警、油位高發(fā)信、油位低發(fā)信。

主變差動(dòng)保護(hù)作為反應(yīng)主變內(nèi)部故障的快速保護(hù)，主變差動(dòng)為三側(cè)，分別取自#2發(fā)電機(jī)機(jī)端10CT（11CT）主變高壓側(cè)18CT（19CT）和#1發(fā)電機(jī)機(jī)端10CT（11CT），由于主變低壓側(cè)廠變?nèi)萘恐挥?00KVA，而發(fā)電機(jī)的容量為60000KVA，相差較大，故廠變不再接入主變差動(dòng)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作于全停模式，即跳主變高壓側(cè)、啟動(dòng)高壓側(cè)失靈保護(hù)、跳#2發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器、#2機(jī)停機(jī)、#2水機(jī)保護(hù)出口、跳#1發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器、#1機(jī)停機(jī)、#1水機(jī)保護(hù)出口、跳主變低壓側(cè)廠變。

高壓側(cè)復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)取18CT（19CT），由于高壓側(cè)為220KV，主變保護(hù)采用雙主雙后配置，且高壓側(cè)差動(dòng)與后備共用一組CT，保護(hù)動(dòng)作同差動(dòng)保護(hù)；

主變零流保護(hù)、零壓閉鎖零流保護(hù)動(dòng)作均同于差動(dòng)保護(hù)；

機(jī)端斷路器失靈保護(hù)電流取自2#機(jī)機(jī)端10CT（11CT）和1#機(jī)機(jī)端10CT（11CT），在發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)端斷路器，由于斷路器失靈拒動(dòng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)保護(hù)在跳機(jī)端斷路器的同時(shí)向主變保護(hù)中發(fā)出發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，主變保護(hù)在判某臺(tái)發(fā)電機(jī)保護(hù)處于動(dòng)作，但機(jī)端CT仍流有電流時(shí)，啟動(dòng)機(jī)端斷路器失靈保護(hù)，動(dòng)作于全停（主變差動(dòng)模式），機(jī)端斷路器失靈保護(hù)延時(shí)應(yīng)大于發(fā)電機(jī)所有保護(hù)最長(zhǎng)的動(dòng)作時(shí)間。

開入閉鎖過流保護(hù)取主變高壓側(cè)18CT（19CT），取#1機(jī)#2機(jī)機(jī)端斷路器常閉輔助觸點(diǎn)串聯(lián)后作為開放判據(jù)，此保護(hù)只在兩臺(tái)機(jī)均退出運(yùn)行時(shí)，由主變倒送電給低壓側(cè)廠變時(shí)起作用，任一臺(tái)機(jī)運(yùn)行或兩臺(tái)機(jī)運(yùn)行，該保護(hù)自動(dòng)退出，保護(hù)動(dòng)作于跳主變高壓側(cè)，跳主變低壓側(cè)廠變。

過激磁保護(hù)按主變過激磁進(jìn)行整定，保護(hù)動(dòng)作于全停；低壓零壓保護(hù)作用于發(fā)信號(hào)；失靈保護(hù)聯(lián)跳電流取自18CT（19CT），主要功能為防止220KV母線保護(hù)動(dòng)作跳主變高壓側(cè)開關(guān)時(shí)，主變高壓側(cè)開關(guān)失靈拒動(dòng)，此時(shí)主變保護(hù)應(yīng)在接到母線保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)再檢測(cè)高壓側(cè)電流大于有流定值，延時(shí)50MS進(jìn)行全停。

主變非電量動(dòng)作于跳閘的保護(hù)均作用于全停，但不啟動(dòng)高壓側(cè)失靈保護(hù)。

5.3 發(fā)電機(jī)、變壓器等繼電保護(hù)與水機(jī)LCU的配合

水電廠發(fā)電機(jī)、變壓器等電氣保護(hù)及非電量保護(hù)等均需與水電機(jī)組LCU配合， LCU是指水電廠現(xiàn)地控制單元。LCU分為機(jī)組LCU和公共LCU，機(jī)組LCU主要功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)組開停機(jī)順序控制，機(jī)組事故停機(jī)及緊急停機(jī)控制，機(jī)端斷路器分合控制，機(jī)組有功、無功功率調(diào)節(jié)，機(jī)組并網(wǎng)及一些供水泵的控制等。其作為水輪機(jī)組與其它輔設(shè)備的中間邏輯控制環(huán)節(jié)，同時(shí)也是機(jī)組電氣保護(hù)與機(jī)組及輔設(shè)備之間邏輯控制環(huán)節(jié)，即機(jī)組電氣保護(hù)動(dòng)作時(shí)需通過LCU進(jìn)行關(guān)停水輪機(jī)組，同時(shí)也要關(guān)停其一些輔設(shè)備，反過來由于水輪機(jī)組或其輔備故障時(shí)也需要通過LCU進(jìn)行跳開機(jī)端斷路器，跳開滅磁開關(guān)等電氣設(shè)備。所以說在電量或非電量保護(hù)動(dòng)作時(shí)應(yīng)由其與斷路器、滅磁開關(guān)的同時(shí)動(dòng)作接點(diǎn)去LCU進(jìn)行機(jī)組或其輔設(shè)備的關(guān)停，部分工程是通過電量或非電量保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行關(guān)停，這是不正確的，有的工程通過機(jī)組LCU的通信控制器與繼電保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)等進(jìn)行通信，靠通信進(jìn)行邏輯關(guān)停，這種過分依賴于通信也是不可取的，兩者的聯(lián)系建議采用保護(hù)重動(dòng)硬接點(diǎn)方式和通信方式兩種或的邏輯實(shí)現(xiàn)。LCU的故障關(guān)停邏輯應(yīng)分為機(jī)組、輔機(jī)控制關(guān)停和機(jī)組、輔機(jī)、電氣關(guān)停兩大部分。根據(jù)此電量、非電量保護(hù)動(dòng)作LCU的應(yīng)只為機(jī)組、輔機(jī)控制關(guān)停邏輯；機(jī)組、輔機(jī)的故障信號(hào)動(dòng)作為機(jī)組、輔機(jī)、電氣關(guān)停。

6 結(jié)束語

跑馬坪水電廠主接線是水電廠中較為典型的，水電廠的主接線多為發(fā)電機(jī)出口帶斷路器然后上母線，幾臺(tái)機(jī)均并接在機(jī)端母線上，如果并的臺(tái)數(shù)較少，少于4臺(tái)，主變差動(dòng)保護(hù)范圍均可涵蓋在內(nèi)，如果數(shù)量較多，則可根據(jù)重要性配置機(jī)端母線保護(hù)，但多數(shù)水電廠為節(jié)省投資，不配置母線保護(hù)，這時(shí)母線故障只有靠各臺(tái)發(fā)電機(jī)后備保護(hù)、主變低壓側(cè)后備保護(hù)進(jìn)行切除故障，雖然時(shí)限較少，但由于這種水電廠一般發(fā)電機(jī)容量較小，還是能夠保證系統(tǒng)安全的。在西藏林芝八一水電廠即在這種情況下進(jìn)行工作的。在水電廠中也有兩臺(tái)主變接線形式，但主變低壓側(cè)均配置開關(guān)，這樣就形成單一的主變保護(hù)配置，出口跳閘模式同于變電站變壓器。水電廠與火電廠的最大差別在于主變，主變可能需要幾臺(tái)機(jī)或廠變幾側(cè)做差動(dòng)，但火電廠（除垃級(jí)焚燒、余熱發(fā)電等）大部分為發(fā)變組接線，機(jī)端帶廠用電，主變差動(dòng)為高壓側(cè)、機(jī)端、高廠變、大型機(jī)組還有脫硫變，保護(hù)作用于全停的同時(shí)還需切換廠用電，水電廠的廠用電多接在機(jī)端母線上，不需切換。對(duì)于兩機(jī)一變的或三機(jī)一變的水電廠，主變低壓側(cè)基本不設(shè)斷路器，均為各發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器作為斷開點(diǎn)，這種接線主要缺點(diǎn)就是主變發(fā)生故障，將造成所有發(fā)電機(jī)停機(jī)。采用兩臺(tái)及以上主變的水電廠，主變低壓側(cè)設(shè)開關(guān)，這時(shí)一臺(tái)主變故障只需斷開該主變即可，也不會(huì)造成發(fā)電機(jī)停機(jī)。這種優(yōu)勢(shì)較為明顯，但造價(jià)較高。

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[3]《四川省涼山州木里縣鴨嘴河跑馬坪水電站工程二次配置圖》水利部陜西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.

作者簡(jiǎn)介：李占波（1972-），男，天津人，本科，工程師，主要從事電網(wǎng)繼電保護(hù)、城市配網(wǎng)、風(fēng)電場(chǎng)等電氣設(shè)計(jì)工作。