水電廠發(fā)變組保護(hù)雙重化改造應(yīng)用方案研究

魏 丹，余洪斌

（三峽水力發(fā)電廠電氣維修部，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某電站單機(jī)容量777.8MVA，最大出力840MVA。發(fā)電機(jī)、變壓器為發(fā)—變單元接線，每2個發(fā)—變單元在主變壓器高壓側(cè)并聯(lián)后接入500 kV系統(tǒng)。圖1為發(fā)—變單元接線圖。圖中左側(cè)的發(fā)變組為帶廠變的機(jī)組，右側(cè)為不帶廠變的機(jī)組。在建廠之初采用的是發(fā)變組保護(hù)部分雙重化配置，與其相連接的配套設(shè)備、外回路等均是根據(jù)當(dāng)時部分雙重化配置的要求設(shè)計安裝的，這就存在著不能滿足雙重化配置要求的問題。因此，除了需要對保護(hù)配置進(jìn)行研究外，還需要對與保護(hù)裝置相關(guān)聯(lián)的配套設(shè)備、外回路等進(jìn)行分析和研究，進(jìn)行合理的優(yōu)化改進(jìn)，以滿足雙重化配置的要求。

圖1 發(fā)—變單元接線圖

1 保護(hù)功能配置的分析

對發(fā)電機(jī)變壓器組可能發(fā)生的故障和異常類型進(jìn)行分析后，將故障和異常類型總結(jié)為以下幾種：定子繞組相間、匝間和接地短路，定子繞組過電壓，定子繞組過負(fù)荷，定子鐵心過勵磁，轉(zhuǎn)子表面過負(fù)荷，勵磁繞組過負(fù)荷，勵磁回路接地，勵磁回路失壓，發(fā)電機(jī)逆功率，發(fā)電機(jī)頻率異常，主變、廠變、勵磁變各繞組的相間、匝間和接地短路，主變、廠變、勵磁過負(fù)荷，主變鐵心過勵磁，各引出線的相間和接地短路，發(fā)變組系統(tǒng)失步，斷路器閃絡(luò)、誤上電、非全相和失靈、發(fā)變組啟停機(jī)短路故障，發(fā)變組系統(tǒng)低電壓，其他故障和異常運(yùn)行。

（1）發(fā)電機(jī)定子短路保護(hù)配置

完全縱差動保護(hù)對相間短路有明顯的優(yōu)勢，而裂相橫差保護(hù)和單元件橫差保護(hù)在各種匝間短路情況下均有較高的靈敏度，不完全縱差則是對相間、匝間短路及分支開焊均起作用。將這4種類型的保護(hù)進(jìn)行配合，能對發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部一切故障（相間短路、匝間短路、分支開焊）起到很好地保護(hù)作用。

另外，還應(yīng)設(shè)置以檢測發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、發(fā)電機(jī)機(jī)端電流、中性點(diǎn)分支電流的發(fā)電機(jī)過負(fù)荷保護(hù)、復(fù)壓過流保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)和發(fā)電機(jī)相間低阻抗保護(hù)作為后備保護(hù)。

（2）發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)配置

目前定子接地保護(hù)有3種類型：90%基波零序定子接地保護(hù)、三次諧波電壓型定子接地保護(hù)、外加電源型定子繞組單相接地保護(hù)。基波零序電壓型保護(hù)方案具有原理簡單，簡便易行等特點(diǎn)，但其在中性點(diǎn)附近存在5%～10%的保護(hù)死區(qū)，并且隨著定子繞組對地電容的增大和不對稱度的增加，保護(hù)的靈敏度降低，死區(qū)擴(kuò)大。二者結(jié)合起來可構(gòu)成100%定子接地保護(hù)。而外加交流電源式定子接地保護(hù)能單獨(dú)完成定子繞組的100%保護(hù)，并能在發(fā)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)及啟、停狀態(tài)下提供保護(hù)。將3種原理的保護(hù)配合起來使用，能達(dá)到較好的效果。

（3）發(fā)電機(jī)勵磁回路接地保護(hù)配置

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)有兩種：乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)通過求解兩個不同的接地回路方程，實(shí)時計算轉(zhuǎn)子接地電阻值和接地位置。注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在保護(hù)裝置內(nèi)裝有外加注入式電源，通過測量該頻率的電壓和電流，計算出轉(zhuǎn)子的對地電阻。采用一套注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置和一套乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置進(jìn)行不同原理的雙重化配置較為合適。

在實(shí)際運(yùn)行中，由于乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的測算原理，會因?yàn)椴煌幕芈樊a(chǎn)生不同的阻值，從而對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。故機(jī)組正常運(yùn)行時應(yīng)只投入一套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)正常運(yùn)行，另外一套退出運(yùn)行。

（4）發(fā)電機(jī)異常運(yùn)行保護(hù)配置

為了對發(fā)電機(jī)處于各種異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的保護(hù)，應(yīng)配置發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、發(fā)電機(jī)失步保護(hù)、發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)、發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)、發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)（定、反時限）、發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)、發(fā)電機(jī)低電壓保護(hù)、發(fā)電機(jī)對稱過負(fù)荷保護(hù)（定、反時限）、發(fā)電機(jī)不對稱過負(fù)荷保護(hù)（定、反時限）、發(fā)電機(jī)勵磁回路過負(fù)荷保護(hù)（定、反時限）、發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)、發(fā)電機(jī)啟停機(jī)保護(hù)、發(fā)電機(jī)軸電流保護(hù)、發(fā)電機(jī)TA、TV斷線判別。

（5）主變壓器保護(hù)配置

變壓器的差動保護(hù)是通過對發(fā)電機(jī)機(jī)端電流及主變高壓側(cè)電流計算比較進(jìn)行保護(hù)的。它主要用來保護(hù)雙繞組或三繞組變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護(hù)變壓器單相匝間短路故障，可作為主變壓器的主保護(hù)配置。

為了對主變壓器處于各種異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的保護(hù)，應(yīng)配置主變隔離開關(guān)缺相保護(hù)、主變非全相保護(hù)、斷路器閃絡(luò)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、主變壓器TA、TV斷線判別。

另外，為了對變壓器內(nèi)部發(fā)生的各種故障進(jìn)行有效的保護(hù)，還應(yīng)配置多種非電量保護(hù)：主變瓦斯保護(hù)、主變壓力釋放保護(hù)、主變繞組過溫保護(hù)、主變油溫高保護(hù)、主變繞組溫高保護(hù)、主變油位異常保護(hù)、中性點(diǎn)壓力釋放保護(hù)、中性點(diǎn)小電抗瓦斯保護(hù)、中性點(diǎn)電抗器油位低保護(hù)、中性點(diǎn)小電抗溫升高保護(hù)、廠變溫升保護(hù)。

（6）廠變保護(hù)配置

廠變差動保護(hù)是通過對廠用變壓器高低壓側(cè)電流計算比較進(jìn)行保護(hù)的。它主要用來保護(hù)變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障，同時也可以用來保護(hù)變壓器單相匝間短路故障，可作為廠用變壓器的主保護(hù)配置。

（7）勵磁變保護(hù)配置

同廠變保護(hù)相同，勵磁變壓器保護(hù)同樣采用的是差動保護(hù)作為主保護(hù)配置。同時，還應(yīng)配置以測量轉(zhuǎn)子側(cè)電流提供保護(hù)的勵磁變過流和勵磁變過負(fù)荷作為后備保護(hù)。另外，還應(yīng)配置勵磁變溫升和勵磁系統(tǒng)故障兩種非電量保護(hù)。

2 雙重化保護(hù)配置研究

隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的進(jìn)步，主、后備一體化保護(hù)裝置應(yīng)用廣泛。這種一體化裝置雖然二次回路簡單，但是可能存在其硬件冗余度不夠的問題。容錯式設(shè)計就是增加硬件冗余度的一種設(shè)計方式，它能有效地避免因?yàn)橛布l(fā)生故障而造成的裝置誤動。下面以南瑞公司設(shè)計制造的RCS-985裝置為例，介紹雙CPU容錯式配置的設(shè)計思路。圖2為RCS-985裝置硬件系統(tǒng)的雙CPU容錯式配置。

圖2 雙CPU容錯式配置設(shè)計

圖2中，CPU1和CPU2彼此完全相同，且具有完整的相互獨(dú)立的低通、AD采樣、保護(hù)計算、邏輯輸出系統(tǒng)。CPU1系統(tǒng)作用于跳閘矩陣，CPU2系統(tǒng)作用于啟動繼電器。這兩個CPU啟動元件完全相同，具備啟動一致性。任一CPU啟動，保護(hù)不會出口。只有當(dāng)CPU1和CPU2的啟動元件同時啟動，保護(hù)才出口。任一CPU故障，裝置會立刻閉鎖并報警。

雙重化保護(hù)配置的目的在于防止保護(hù)裝置拒動而導(dǎo)致系統(tǒng)事故，同時又可大大減少由于保護(hù)裝置異常、檢修等原因造成一次設(shè)備停運(yùn)[13]。在對發(fā)變組各種故障進(jìn)行分析后，通過對各保護(hù)原理的分析比較及故障仿真，可以得出最適合的保護(hù)功能配置。一般這種最合適的保護(hù)功能配置方案只會有一種。結(jié)合現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)裝置保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方式是各種保護(hù)功能通過軟件編程在一個裝置中實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，發(fā)變組保護(hù)雙重化配置的兩套保護(hù)選型應(yīng)一致，每套保護(hù)都獨(dú)立且完整，都能反映所有的故障和異常。若采用不同廠家不同原理配置，存在因?yàn)椴煌瑥S家的裝置盤柜布局、端子排接線、裝置操作、定值整定等方面的不同，而易發(fā)生運(yùn)行維護(hù)人員因人為原因造成的裝置誤動的問題。采用完全相同的兩套保護(hù)裝置，由于其原理、配置、接線一致，便于維護(hù)檢修，從而能有效減少此類事故的發(fā)生。

與兩套保護(hù)裝置分別相連的電源回路、電流電壓回路、信號回路、出口回路等均應(yīng)相互獨(dú)立，這樣在故障發(fā)生時，兩套保護(hù)裝置才能獨(dú)立判斷并作出反應(yīng)，從而提高了保護(hù)的橫向靈敏度，有效避免拒動的發(fā)生。

非電量保護(hù)的配置是非常有必要的，它在電量保護(hù)不能準(zhǔn)確反應(yīng)或靈敏度不夠時可以準(zhǔn)確判斷油箱內(nèi)部的故障。但是由于非電量保護(hù)的正確動作率不高，并且由于其設(shè)備在戶外，容易因環(huán)境因素發(fā)生誤動，因此應(yīng)配置單套。

3 雙重化保護(hù)改造交流回路設(shè)計研究

雙重化保護(hù)配置為了保證兩套保護(hù)的完全獨(dú)立，要求這兩套保護(hù)裝置的交流電壓分別取自電壓互感器互相獨(dú)立的兩個繞組，交流電流分別取自電流互感器互相獨(dú)立的兩個繞組。根據(jù)改造后保護(hù)的配置情況，基于原有CT的選型，對CT、PT的數(shù)量及用途做了重新的統(tǒng)計分析，在CT方面：

原保護(hù)1盤與保護(hù)2盤的交流電流分別取自不同的繞組，已經(jīng)完全分開，沒有交集。但是兩個盤的交流電流采集在種類和數(shù)量上存在差異。

（1）原來對發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器的變比選擇為500/1，改造后發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器的變比設(shè)計要求為1500/1。

（2）原來對勵磁變低壓側(cè)電流互感器的變比選擇為6000/1，改造后勵磁變低壓側(cè)電流互感器的變比設(shè)計要求為5000/1。

（3）與改造后的保護(hù)配置相比，原PR1盤因?yàn)闆]有配置發(fā)電子中性點(diǎn)不平衡保護(hù)，所以缺少對發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流的采集。

（4）與改造后的保護(hù)配置相比，原PR1盤因?yàn)闆]有配置勵磁變差動保護(hù)，所以缺少對勵磁變低壓側(cè)電流的采集。

（5）與改造后的保護(hù)配置相比，帶廠變的機(jī)組原PR1盤因?yàn)闆]有配置廠變差動保護(hù)，所以缺少對廠變低壓側(cè)電流的采集。

（6）原PR1盤、PR2盤勵磁變高壓側(cè)電流的采集均取自于一個電流互感器。

根據(jù)以上情況，對原有發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器、勵磁變低壓側(cè)電流互感器、廠變低壓側(cè)電流互感器的配置情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器只有1個，并且為單繞組電流互感器，不能滿足雙重化保護(hù)配置的需求。其變比為500/1，不滿足發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器變比為1500/1的要求。

（2）勵磁變低壓側(cè)電流互感器只有1個，有2個繞組，精度為0.5/5P。其中精度為5P的繞組已經(jīng)被保護(hù)所用；另一個精度為0.5的為備用繞組，由于它是測量繞組，不能為保護(hù)所用，所以勵磁變低壓側(cè)電流互感器不能滿足雙重化保護(hù)配置的需求。其變比為6000/1，不滿足勵磁變低壓側(cè)電流互感器比為5000/1的要求。

（3）廠變低壓側(cè)電流互感器只有1個，有2個繞組，精度為0.5/5P。其中精度為5P的繞組已經(jīng)被保護(hù)所用；另一個精度為0.5的為備用繞組，由于它是測量繞組，不能為保護(hù)所用，所以廠變低壓側(cè)電流互感器不能滿足雙重化保護(hù)配置的需求。

（4）勵磁變高壓側(cè)CT只有1個，有2個繞組，精度為5P/5P，可以滿足雙重化保護(hù)配置的需求，但是沒有可供測量所用的繞組，所以依然存在問題。

在PT方面：原有發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器有3個，一個為Y/Y/△形接線，型號為0.2/3P，一個為Y/Y/△形接線，型號為3P/3P，一個為Y/Y/Y形接線，型號為3P/3P，可以滿足兩套保護(hù)對發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的采集要求。

針對只有1個繞組可供交流電流采集的問題，無論如何對交流電流回路進(jìn)行設(shè)計都不可能設(shè)計出兩套完全獨(dú)立的交流電流回路。因此決定，對現(xiàn)有的電流互感器進(jìn)行更換：

（1）將原有5P 500/1單繞組中性點(diǎn)連線電流互感器更換為5P/5P1500/1的雙繞組電流互感器。由于中性點(diǎn)連線電流互感器沒有測量要求，不需要額外的測量繞組，所以，保護(hù)用的雙繞組可以滿足需求。

（2）將原雙繞組勵磁變高壓側(cè)電流互感器直接更換為三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P，分別為兩套保護(hù)裝置所用，另外一個繞組0.2級為測量用。

（3）將原6000/1雙繞組勵磁變低壓側(cè)電流互感器直接更換為5000/1三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P，分別為兩套保護(hù)裝置所用，另外一個繞組0.2級為測量用。

（4）將原雙繞組廠變低壓側(cè)電流互感器直接更換為三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P，分別為兩套保護(hù)裝置所用，另外一個繞組0.2級為測量用。

4 雙重化保護(hù)改造信號回路設(shè)計研究

原發(fā)變組保護(hù)信號回路分為監(jiān)控信號回路和錄波信號回路。根據(jù)統(tǒng)計，原發(fā)變組保護(hù)1盤和保護(hù)2盤的錄波信號均送至U*+PF盤，其中，保護(hù)1盤送至錄波的信號有35個，保護(hù)2盤送至錄波的信號27個，兩盤一共送62個。原發(fā)變組保護(hù)監(jiān)控信號由發(fā)變組保護(hù)1盤和保護(hù)2盤分別送至監(jiān)控系統(tǒng)的LCU*+PC1柜、LCU*+PC2柜。其中送至LCU*+PC1柜的監(jiān)控信號有37個，送至LCU*+PC2柜的監(jiān)控信號有33個，一共70個。

由于監(jiān)控裝置的信號通道是一定的，且不能滿足保護(hù)雙重化后的監(jiān)控信號數(shù)量要求，又沒有隨發(fā)變組保護(hù)改造一起進(jìn)行更新的計劃。那么只能對發(fā)變組保護(hù)裝置送出的監(jiān)控信號進(jìn)行優(yōu)化整合，找到合理的方案。

現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)裝置存儲容量大，可以存儲模擬量波形和多次的保護(hù)動作信息。因此，維護(hù)人員在監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出信號時，能在保護(hù)裝置上查看到全部的事件信息。該電廠維護(hù)人員為了滿足對電廠24 h無間斷的維護(hù)，以確保隨時有問題隨時處理，采用的是8 h工作時間外輪流在電廠值班的方式。因此，在接運(yùn)行人員電話后，維護(hù)人員能第一時間到現(xiàn)場查看。結(jié)合以上情況，對發(fā)變組保護(hù)發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)的信號采取以下方式設(shè)計優(yōu)化：

（1）使用備用的信號點(diǎn)名做為補(bǔ)充。

（2）發(fā)電機(jī)保護(hù)配置中，發(fā)電機(jī)完全縱差、不完全縱差1、不完全縱差2、裂相橫差、橫差都是主保護(hù)，保護(hù)原理相似，保護(hù)對象有交集，動作時間皆為瞬時動作，所以將這些差動保護(hù)跳閘信號接點(diǎn)并接后使用一對接點(diǎn)送出，命名發(fā)電機(jī)差動保護(hù)跳閘。

（3）將保護(hù)原理相似保護(hù)對象有交集的后備保護(hù)跳閘信號接點(diǎn)并接后用一對接點(diǎn)送出，并將信號名稱定義全面。如定子過負(fù)荷、負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)跳閘。

（4）將對異常運(yùn)行狀態(tài)的保護(hù)跳閘信號接點(diǎn)并接后使用一對接點(diǎn)送出，并將點(diǎn)名定義全面。例如發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、發(fā)電機(jī)失步保護(hù)跳閘。

（5）因?yàn)門A斷線、TV斷線不跳閘，且與保護(hù)裝置異常一樣同屬于設(shè)備問題，所以與裝置報警信號接點(diǎn)并接后使用一對接點(diǎn)送出，命名為裝置告警。

（6）保護(hù)報警信號眾多，無法一一分配通道接入監(jiān)控系統(tǒng)，并且保護(hù)報警并沒有像保護(hù)跳閘那樣造成嚴(yán)重的后果，所以將一臺裝置的保護(hù)功能告警信號整合后分別定義為保護(hù)告警I和保護(hù)告警II。但是因?yàn)榘l(fā)生報警時往往是發(fā)生事故的前兆，如果能提前將問題解決，或許就能避免一場事故，因此，要求維護(hù)人員在接到報警信號后，立即到現(xiàn)場查明具體的報警信息和報警原因，并給出恰當(dāng)?shù)奶幚磙k法。

5 結(jié)論

（1）通過對水力發(fā)電廠發(fā)變組可能發(fā)生的故障和異常狀況進(jìn)行分析，選擇出能夠?qū)Ω鞣N故障或異常狀況進(jìn)行有效保護(hù)的保護(hù)配置組合，通過研究雙重化保護(hù)配置應(yīng)遵循的原則，最終確定了適合大型水力發(fā)電廠的雙重化保護(hù)配置方案。

（2）通過對交流回路、信號回路改造前情況的分析，及改造后設(shè)計要求的研究，論證并設(shè)計出合適的改造方案使原回路通過修改及優(yōu)化后滿足改造要求。