淺談微機綜合保護器在農(nóng)村小型水電站的應(yīng)用

蘇敬愛

（南安市水利局，福建 南安 362300）

0 前言

水電站在運行過程中，可能遇到各種類型的故障和不正常運行方式，從而在電力系統(tǒng)中引起事故，破壞電力系統(tǒng)的正常運行，降低電氣設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的將直接破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成大面積的停電事故。繼電保護裝置就是能反應(yīng)水電站和電網(wǎng)發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置，繼電保護裝置應(yīng)符合可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求。發(fā)電機是電力系統(tǒng)的主要電氣設(shè)備之一，它的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著決定性作用，但在發(fā)電機運行過程中，其定子繞組和轉(zhuǎn)子回路都有可能出現(xiàn)各種故障和異常運行狀態(tài)，所以，為了保障其正常運行，減少不必要損失，對發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)專門的繼電保護裝置。農(nóng)村小型水電站大多因開發(fā)較早，裝機容量小，水電站自動化程度低，鑒于當(dāng)時的技術(shù)條件，發(fā)電機保護裝置安裝的是電磁型繼電器，可靠性和靈敏度較低。本文主要介紹GDB-6 微機綜合保護器的低速和過速保護功能，提高保護裝置的可靠性和靈敏度，在電網(wǎng)發(fā)生事故時，發(fā)電機出口斷路器能夠快速解列，確保電網(wǎng)、電站機組及用戶電器設(shè)備安全。

1 概況

南安市位于福建省東南沿海，晉江流域中游，水電資源豐富，開發(fā)條件優(yōu)越，境內(nèi)主要有東溪、西溪、九十九溪和九溪四大流域。南安市多年平均降雨量1546 mm，因時空分布不均，降雨量由沿海地區(qū)的1000 mm～1400 mm 向山區(qū)的1500 mm～1900 mm 遞增。全市多年平均水資源量17.366 億m3，水力資源理論蘊藏量149000 kW，技術(shù)可開發(fā)量58000 kW。至2019 年底，全市已建成投產(chǎn)的水電站有105 座，機組臺數(shù)206 臺，總裝機容量5.7095 kW，多年平均年發(fā)電1.82 億kW·h。南安大部分水電站為徑流式開發(fā)，站址地處偏遠山區(qū)，10 kV 聯(lián)網(wǎng)線路長，設(shè)備老化，遇到雷雨天氣時，事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響電站和電網(wǎng)安全運行。

2 事故概述

巖內(nèi)水電站位于福建省南安市西北部蓬華鎮(zhèn)大演村境內(nèi)，為晉江西溪大演溪小支流水電梯級開發(fā)的第一級電站，1981 年5 月建成投產(chǎn)發(fā)電。巖內(nèi)水電站控制流域面積27.2 km2,設(shè)計水頭90 m，設(shè)計引用流量0.40 m3/s，總裝機容量800 kW（4×200），多年平均發(fā)電量 256 萬 kW·h。

巖內(nèi)水電站地處南安市西北部山區(qū)，自投運自今，電站聯(lián)網(wǎng)線路（10 kV 巖內(nèi)線）經(jīng)常遭受雷擊，導(dǎo)致蓬華35 kV 變電站10 kV 巖內(nèi)線饋線柜斷路器多次跳閘，因水電站發(fā)電機繼電保護裝置不靈敏、不可靠，甚至不動作，導(dǎo)致發(fā)電機出口斷路器未跳閘解列，沿途村莊多臺10 kV 變壓器低壓用戶電器設(shè)備（圖1），因電壓不穩(wěn)定，忽高忽底，電器設(shè)備故障燒毀，造成嚴(yán)重安全隱患和用戶財產(chǎn)損失。

圖1 巖內(nèi)水電站與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)示意圖

3 事故原因分析

巖內(nèi)水電站1981 年5 月建成投產(chǎn)發(fā)電，鑒于當(dāng)時的技術(shù)條件，水電站自動化程度低,水輪機未安裝自動調(diào)速器，發(fā)電機組配備一機一屏（BKSF-12），即控制、保護和測量“三合一”，發(fā)電機出口斷路器采用DW15 系列低壓空氣斷路器，帶有分勵、欠壓、過流三種類型的脫扣器。巖內(nèi)水電站發(fā)電機常規(guī)保護除斷路器自帶的過流、欠壓保護外，發(fā)電機控制屏還安裝過負(fù)荷和過電壓保護（見圖2），保護繼電器選用電磁型繼電器，過負(fù)荷保護動作電流按照發(fā)電機1.05 In 來整定，過電壓保護動作電壓按照發(fā)電機1.2 Un 整定（見如表1）。

表1 發(fā)電機過負(fù)荷流和過電壓保護整定值

巖內(nèi)水電站地處山區(qū)，10 kV 聯(lián)網(wǎng)線路長，距離蓬華鎮(zhèn)區(qū)35 kV 變電站有12 km，沿途村莊T 接多臺供電變壓器，大多用于農(nóng)村日常生活用電或微型加工廠用電。當(dāng)線路遭受雷擊或其他原因發(fā)生故障時，變電站10 kV 饋線柜斷路器跳閘，因沿途村莊帶有用電負(fù)荷，電站發(fā)電機組和沿途村莊用電負(fù)荷形成孤立運行的小電網(wǎng)，即自發(fā)自供。巖內(nèi)水電站因建成時間較早，發(fā)電機繼電保護裝置配備電磁型繼電保護，這種保護裝置的靈敏性、可靠性和速動性較差，加上電站又未按規(guī)定期限對繼電保護裝置定期檢查和定值整定，在電網(wǎng)跳閘后，發(fā)電機繼電保護裝置經(jīng)常不動作，導(dǎo)致出口斷路器無法跳閘，電站和電網(wǎng)沒有及時解列。當(dāng)電站發(fā)電功率大于自供區(qū)用電負(fù)荷時，發(fā)電機過電壓運行；當(dāng)電站發(fā)電功率小于自供區(qū)用電負(fù)荷時，發(fā)電機欠壓運行。發(fā)電機電壓的不穩(wěn)定運行，必將對機組自身和用電設(shè)備造成損傷，甚至引起燒毀用電設(shè)備的事故，給電網(wǎng)運行帶來重大安全隱患和用戶財產(chǎn)損失。

圖2 發(fā)電機控制保護圖

4 整改措施

巖內(nèi)水電站發(fā)電機繼電保護裝置配備電磁型繼電保護，針對這種保護裝置靈敏性、可靠性和速動性較差的問題，電站將在原有電磁型繼電保護裝置基礎(chǔ)上進行升級改造，即增加安裝微機綜合保護器。

GDB-6 微機綜合保護器以電腦芯片為核心，硬件簡單，精度較高，穩(wěn)定性、可靠性好，保護定值整定靈活，功能多樣，具有過壓、欠壓、過流、短路、低速和過速等保護功能：

（1）過壓保護

發(fā)電機運行中，當(dāng)電壓連續(xù)高于設(shè)定過壓保護值一定時間（此時間可設(shè)定）時，保護器判為“過壓故障”，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”，“故障”繼電器動作，同時發(fā)出常規(guī)告警信號（斷續(xù)蜂鳴告警聲，故障指示燈亮），數(shù)碼顯示自動切到電壓值顯示狀態(tài)，實時顯示此時的電壓值。延時設(shè)定的一段時間后（2 s～100 s），如電壓恢復(fù)正常，則解除告警信號，繼電器斷開，退出故障狀態(tài)。

（2）欠壓保護

發(fā)電機運行中，當(dāng)電壓連續(xù)低于設(shè)定欠壓保護值時，保護器判為“欠壓”狀態(tài)，如果參數(shù)設(shè)定01 選擇欠壓需要跳閘（LUYY）時，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”和常規(guī)告警信號，進入故障狀態(tài)。如果參數(shù)設(shè)定01 選擇欠壓不需要跳閘（LUNO）時，欠壓保護僅發(fā)出常規(guī)告警信號。另外欠壓保護可以關(guān)閉，當(dāng)欠壓設(shè)定選擇低于額定電壓的50%時，關(guān)閉此功能。

（3）過流保護

發(fā)電機運行中，三相電流中最大一相電流連續(xù)大于設(shè)定過流設(shè)定值（1.05 Ie～2.0 Ie）一定時間（此時間可設(shè)定）時，保護器判為“過流故障”，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”和常規(guī)告警信號，“故障”繼電器動作。數(shù)碼顯示自動切到電流值顯示狀態(tài)，顯示跳閘時刻的電流值。延時設(shè)定的一段時間后（2 s～100 s），自動解除告警信號，退出故障狀態(tài)，也可以人工提前退出故障狀態(tài)。過流保護反時限控制，在設(shè)定的過流延時跳閘時間的基礎(chǔ)上，保護器根據(jù)“溫升相等”原則自動修改過流動作時間，電流越大，保護動作越快。

（4）短路保護

當(dāng)三相電流中最大一相電流達到短路設(shè)定設(shè)定值（1.8 Ie～3.0 Ie）時，保護器判斷為短路故障，故障繼電器立即動作，其他處理與過流故障類似。電流顯示值為跳閘前的電流值。

（5）低速保護

并網(wǎng)前，低速保護可設(shè)定不動作。并網(wǎng)后，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于低速設(shè)定值（30.0 Hz～49.9 Hz）時，保護器判為“低速”故障，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”和常規(guī)告警信號，“故障”繼電器動作。數(shù)碼顯示自動切到頻率值顯示狀態(tài)，顯示當(dāng)時的頻率值，延時設(shè)定的一段時間后，自動退出故障狀態(tài)，同樣也可以人工提前退出故障狀態(tài)。

（6）過速保護

當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于過速設(shè)定值（50.1 Hz～75 Hz）時，保護器判為“過速”故障，發(fā)出常規(guī)“跳閘命令”和常規(guī)告警信號，“故障”繼電器動作。故障處理與“低速”故障處理一樣。

GDB-6 微機綜合保護器對比常規(guī)電磁型保護裝置，具有低速、過速保護功能，提高了保護裝置靈敏性、穩(wěn)定性和可靠性。在聯(lián)網(wǎng)線路發(fā)生事故，10 kV 饋線柜斷路器跳閘后，因水輪機未安裝自動調(diào)速器，發(fā)電機頻率發(fā)生大幅度增減，微機綜合保護器低速或過速保護動作，其靈敏度比常規(guī)電磁型過壓和欠壓保護靈敏度更高，發(fā)電機出口斷路器迅速跳閘解列，確保發(fā)電機組和電網(wǎng)運行安全，低壓用戶電器設(shè)備不受損壞。

GDB-6 微機綜合保護器可以取代傳統(tǒng)的電磁型繼電器保護裝置，保護器外形尺寸和42L6 系列儀表一致，安裝方便，接線簡單（見圖3）。另外裝置還兼有發(fā)電機電壓、電流、頻率的數(shù)顯功能，便于運行人員日常巡視和維護。

圖3 GDB-6 微機綜合保護器接線圖

安裝接線：GDB-6 保護器兼有電壓、電流、頻率的數(shù)顯功能，安裝時，可拆除配電屏上監(jiān)測電網(wǎng)的頻率表（42L6-Hz），裝入GDB-6 微機綜合保護器，兩者安裝尺寸一致（寬114 mm×高114 mm）。按照保護器安裝接線圖，接入發(fā)電機三相CT 電流、電網(wǎng)電壓和控制電源，并將保護器常開輸出接點，并聯(lián)接在過電壓繼電器常開輸出接點，動作時限和過電壓保護一致。

發(fā)電機低速和過速保護整定值：參照GDB-6 微機綜合保護器的參數(shù)設(shè)定，設(shè)置低速檢測閥值為48.5 Hz，過速檢測閥值為50.5 Hz（見表2）。在發(fā)電機頻率低于48.5 Hz 或高于50.5 Hz 時，保護器動作。

表2 發(fā)電機低速和過速保護整定值

5 改造效果

巖內(nèi)水電站繼電保護裝置改造完成后，在電網(wǎng)多次事故跳閘后，GDB-6 微機綜合保護器均能快速可靠動作，確保發(fā)電機和電網(wǎng)解列。

6 結(jié)語

GDB-6 微機綜合保護器結(jié)構(gòu)簡單，投資少，對比電磁型繼電器，微機綜合保護器保護定值設(shè)定方便準(zhǔn)確，保護器設(shè)置的發(fā)電機低速和過速保護，能夠替代傳統(tǒng)的電磁型過電壓保護。對于有多臺機組的水電站，可通過保護器常開輸出接點，啟動接通中間繼電器，利用中間繼電器的多對常開輔助接點，接通各臺機組保護跳閘回路，實現(xiàn)1 臺保護器同時解列多臺發(fā)電機組，減少改造資金投入。

南安市農(nóng)村小型水電站大多開發(fā)較早，裝機容量小，位于偏遠山區(qū)，鑒于當(dāng)時技術(shù)條件，電站的水輪機大多數(shù)未安裝自動調(diào)速器，發(fā)生故障系統(tǒng)解列后，水輪機過速（飛車）或低速運行。安裝GDB-6 微機綜合保護器，能夠快速捕捉發(fā)電機頻率變化幅度，及時、迅速地將發(fā)電機解列退出運行，避免發(fā)電機組自身和沿途用戶電器設(shè)備造成損傷,確保電網(wǎng)安全。在水電站日常運行管理中，大多電站業(yè)主疏于運行管理，特別是對發(fā)電機繼電保護裝置，未能按規(guī)定定期檢查和定值整定，導(dǎo)致在電網(wǎng)和機組發(fā)生事故和故障時，發(fā)電機出口斷路器無法及時跳閘解列，給電網(wǎng)運行帶來重大安全隱患。巖內(nèi)水電站繼電保護裝置的成功改造，給全市其他水電站提供了很好的借鑒。