CCS水電站繼電保護(hù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

任巖

摘 要：厄瓜多爾CCS水電站總裝機(jī)容量為1 500 MW，是厄瓜多爾國內(nèi)最大的水電站，全部采用國際規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方案結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)和設(shè)備的特點(diǎn)，主要設(shè)備的保護(hù)裝置全部采用雙重冗余配置，操作及出口回路全部采用繼電器搭接完成邏輯功能，保護(hù)專網(wǎng)通信接口采用IEC61850規(guī)約。對工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，為適應(yīng)外方業(yè)主和咨詢公司的設(shè)計(jì)和使用習(xí)慣，設(shè)備參數(shù)、CT選擇、操作回路和電源回路的設(shè)置等問題都通過設(shè)計(jì)方案的完善予以解決，對設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了總結(jié)和分析。2016年11月18日，電站機(jī)組正式投入商業(yè)運(yùn)行，通過近4 a運(yùn)行實(shí)踐，繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行完好，當(dāng)站內(nèi)設(shè)備和電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，均能可靠動(dòng)作并切除故障，保證了電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù);設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析;CCS水電站

中圖分類號：TM622;TV753 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.022

Abstract：Coca Codo Sinclair Hydropower Station （CCS）， with a total installed capacity of 1500 MW， is the largest hydropower station in Ecuador. The design scheme of relay protection combines the characteristics of local power network and equipment. The protection devices of the main equipment all adopt dual redundant configuration， and the operation and exit circuits all adopt relay overlap to complete the logic function， IEC61850 protocol is adopted for communication interface of protection network. This paper analyzed the design features of the project， in order to adapt to the design and use of foreign owners and consultants， equipment parameters， CT selection， operation loop and power loop setting were all solved through the improvement of design scheme， and the problems in the design process were summarized and analyzed. On November 18， 2016， the plant was put into commercial operation. Through 3 years operation practice， the relay protection system was running well. When the equipment and the power grid fail， it could operate reliably and remove the fault， which ensured the safety and stable operation of the power station.

Key words： relay protection; analysis of design features; CCS Hydropower Station

1 引 言

Coca Codo Sinclair水電站（簡稱CCS水電站）位于厄瓜多爾共和國北部Napo省和Sucumbios省交界處，距首都基多約140 km。CCS水電站總裝機(jī)容量1 500 MW，占該國總裝機(jī)容量的1/3左右。電站安裝8臺(tái)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭604 m，年發(fā)電量88億kW·h。該電站按“無人值班（少人值守）”原則設(shè)計(jì)，電站主接線方式為：發(fā)電機(jī)與主變壓器（以下簡稱主變）連接采用單元接線，主變升壓至500 kV。500 kV電氣系統(tǒng)采用雙母線接線方式，以2回500 kV線路接入電力系統(tǒng)的圣拉菲（San Rafael）500 kV變電站。

CCS水電站設(shè)計(jì)原則不同于國內(nèi)工程：①該工程為中外雙方簽訂的總承包合同，很多技術(shù)條款是根據(jù)外方的習(xí)慣制定的，與國內(nèi)的典型設(shè)計(jì)不同，必須嚴(yán)格執(zhí)行;②設(shè)計(jì)需采用IEC、IEEE、ITU、ISO、ANSI、NEC、NFPA等國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范（當(dāng)沒有適用的國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可使用中國國家標(biāo)準(zhǔn)，但必須有正式出版的外文版本）;③所有設(shè)計(jì)成果必須經(jīng)業(yè)主及聘請的咨詢方審查批準(zhǔn)后才能實(shí)施。

在CCS水電站的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)方多次與業(yè)主、咨詢公司針對繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行溝通和修改，最終確定的保護(hù)配置方案、采購標(biāo)書和施工設(shè)計(jì)得到了業(yè)主和咨詢公司的批準(zhǔn)。

2 繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.1 電站接線方式

電站8臺(tái)機(jī)組采用發(fā)電機(jī)變壓器組單元接線接入500 kV母線，發(fā)電機(jī)出口設(shè)置斷路器。電站500 kV系統(tǒng)采用雙母線接線方式，不是國內(nèi)比較常見的3/2接線或者角型接線方式。500 kV配電裝置采用六氟化硫封閉組合電器（簡稱GIS），電站以2回500 kV線路接入SAN RAFAEL變電站。

2.2 電站繼電保護(hù)設(shè)備組成

CCS電站繼電保護(hù)設(shè)備用來保護(hù)水電站的主要設(shè)備，其組成包括發(fā)電機(jī)、主變、廠用變壓器（以下簡稱廠變）、500 kV GIS設(shè)備、500 kV母線和500 kV輸電線路。發(fā)電機(jī)-變壓器組、500 kV母線和500 kV輸電線路均設(shè)置雙重保護(hù)裝置，采用100%冗余配置，所有保護(hù)裝置均為微機(jī)型保護(hù)裝置。本文主要介紹發(fā)電機(jī)-變壓器組保護(hù)和500 kV系統(tǒng)保護(hù)的設(shè)計(jì)。

所有保護(hù)裝置通過通信接口與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，通信規(guī)約采用IEC61850規(guī)約。

2.2.1 發(fā)電機(jī)-變壓器組保護(hù)設(shè)計(jì)

CCS水電站裝設(shè)8臺(tái)容量184.5 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓為13.8 kV，發(fā)電機(jī)出口設(shè)斷路器（GCB）。1臺(tái)發(fā)電機(jī)接1組（3臺(tái)單相）主變壓器組成發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線，主變高壓側(cè)為500 kV。電站500 kV側(cè)電氣接線采用雙母線接線形式，兩段母線設(shè)聯(lián)絡(luò)斷路器。廠用電源設(shè)2回，分別引自1#發(fā)電機(jī)機(jī)端和8#發(fā)電機(jī)機(jī)端。

根據(jù)電站裝機(jī)規(guī)模和電壓等級，每個(gè)發(fā)電機(jī)-變壓器組單元配置2套完整的主保護(hù)和后備保護(hù)，采用100%冗余配置，設(shè)1套主變非電量保護(hù)，屏柜數(shù)量3面，安裝在地下廠房發(fā)電機(jī)層機(jī)旁。發(fā)電機(jī)-變壓器組保護(hù)配置見圖1。

發(fā)電機(jī)-變壓器組主保護(hù)和后備保護(hù)采用雙重配置。發(fā)電機(jī)的主后備保護(hù)包括發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)（87G）、發(fā)電機(jī)橫差保護(hù)（87GUP）、定子接地保護(hù)（64G）、失磁保護(hù)（40G）、負(fù)序過流保護(hù)（46）、逆功率保護(hù)（32）、定子過電壓保護(hù)（59）、發(fā)電機(jī)低電壓保護(hù)（27）、發(fā)電機(jī)過負(fù)荷保護(hù)（49）、發(fā)電機(jī)失步保護(hù)（78）、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)（64R）、發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)（24）、發(fā)電機(jī)過流繼電器（51）、發(fā)電機(jī)零序過流保護(hù)（51N，50N）和斷路器失靈保護(hù)（50BF）等[1]。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變壓器為干式變壓器，容量為1.7 MVA，勵(lì)磁變壓器的保護(hù)配置包括電流速斷保護(hù)（50ET）、過電流保護(hù)（51ET）、過負(fù)荷保護(hù)（49R）、勵(lì)磁變溫度超高保護(hù)（49WT），保護(hù)功能包含在發(fā)電機(jī)后備保護(hù)內(nèi)。

主變的主后備保護(hù)包括主變差動(dòng)保護(hù)（87T）、主變高壓側(cè)復(fù)合電壓過電流保護(hù)（51TV）、主變方向過電流保護(hù)（67）、主變高壓側(cè)零序方向過電流保護(hù)（67N）、主變高壓側(cè)阻抗保護(hù)（21）、主變零序電流保護(hù)（50N，51N）、主變過激磁保護(hù)（24）、主變過負(fù)荷保護(hù)（49）、主變速斷過流保護(hù)（50）、主變低壓側(cè)零序過電壓保護(hù)（64T）、主變高壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)（50BF）等[2]。

電站廠用電源分別引自1#發(fā)電機(jī)和8#發(fā)電機(jī)機(jī)壓母線，廠變?nèi)萘繛? MVA。2套廠變保護(hù)裝置與1#和8#機(jī)組保護(hù)合并布置在機(jī)組保護(hù)柜內(nèi)。配置包括縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)（87AT）、速斷過流保護(hù)（50）、過負(fù)荷保護(hù)（49AT）、低電壓保護(hù)（27）、過電壓保護(hù)（59）、溫度保護(hù)（49WAT）等。

該工程主變?yōu)榉窒嘧儔浩?，A、B、C相分別設(shè)置非電量測量、信號裝置，在主變現(xiàn)場設(shè)1臺(tái)主變綜合端子箱，將3臺(tái)單相變非電量信號分別接至端子箱內(nèi)，并引至發(fā)電機(jī)-變壓器組保護(hù)柜。非電量保護(hù)信號均為開關(guān)量無源接點(diǎn)。非電量保護(hù)裝置具有獨(dú)立的電源回路和出口跳閘回路，與電氣量保護(hù)完全分開。保護(hù)配置包括主變瓦斯氣體保護(hù)（96）、主變油溫超高保護(hù)（49T1）、主變繞組溫度超高保護(hù)（49T2）、主變壓力釋放保護(hù)（63）、主變冷卻故障保護(hù)（CF）、主變油位異常保護(hù)（95）等。

2.2.2 500 kV系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)

CCS電站500 kV系統(tǒng)采用雙母線接線方式，不是國內(nèi)比較常見的3/2接線或者角型接線方式。500 kV配電裝置地下采用GIS，經(jīng)高壓電纜引至地面出線場，2條500 kV出線引至SAN RAFAEL 500 kV變電站。系統(tǒng)保護(hù)裝置包括500 kV線路保護(hù)、500 kV母線保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)等。

（1）500 kV線路保護(hù)。電站至SAN RAFAEL 500 kV變電站的2條線路，長度約7 km，2條線路不采用同塔并架。每回線路配置2套線路保護(hù)裝置，采用100%冗余配置。每條線路的2套線路保護(hù)裝置組2面線路保護(hù)柜（A、B柜），把光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，以三段式相間與接地距離及四段零序保護(hù)為后備。

線路保護(hù)裝置具有過電壓保護(hù)功能，在線路出現(xiàn)不正常工頻電壓時(shí)，跳開500 kV斷路器。保護(hù)動(dòng)作后首先跳開本側(cè)斷路器，經(jīng)一定延時(shí)發(fā)送遠(yuǎn)跳信號至線路對側(cè)，跳開對側(cè)斷路器。

線路保護(hù)還具有遠(yuǎn)方跳閘功能，以有功功率、電流、零序電流變化為判據(jù)，當(dāng)收到對側(cè)跳閘信號且本地判據(jù)動(dòng)作才允許跳閘[3]。

另外每條線路還配置1面斷路器操作柜（C柜），配置線路重合閘、電壓切換回路，實(shí)現(xiàn)線路重合閘功能，設(shè)置電壓切換繼電器。滿足切換3組母線電壓回路的要求。

CCS水電站至SAN RAFAEL 500 kV變電站2條500 kV線路的4套線路保護(hù)通道均采用專用光纖通道。

（2）500 kV母線及母聯(lián)保護(hù)。電站500 kV系統(tǒng)為雙母線接線，配置2套微機(jī)型母線保護(hù)裝置，采用100%冗余配置。為防止誤動(dòng)作，保護(hù)設(shè)備配有完善可靠的電壓閉鎖裝置，在倒閘操作時(shí)可快速切除母線上的故障，同時(shí)又能保證出現(xiàn)外部故障時(shí)不誤動(dòng)。500 kV母線保護(hù)系統(tǒng)的斷路器失靈保護(hù)功能包含在2套母線保護(hù)柜中，500 kV線路保護(hù)、主變保護(hù)、500 kV母聯(lián)保護(hù)的失靈啟動(dòng)接點(diǎn)啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)。2套500 kV母線保護(hù)組設(shè)置2面保護(hù)柜（A、B柜），500 kV母聯(lián)斷路器設(shè)1面母聯(lián)斷路器保護(hù)柜（配置母聯(lián)充電保護(hù)、過流保護(hù)裝置和操作回路繼電器）。

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

CCS水電站作為國外建設(shè)的大型水電站，又處于嚴(yán)格遵守歐美標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的地區(qū)，其繼電保護(hù)設(shè)計(jì)具有下面幾個(gè)主要特點(diǎn)。

（1）保護(hù)設(shè)備參數(shù)的選擇。因?yàn)槎蚬隙酄栯娋W(wǎng)頻率為60 Hz，因此繼電保護(hù)設(shè)備的參數(shù)選擇需要適應(yīng)60 Hz頻率的特點(diǎn)，如保護(hù)設(shè)備交流采樣頻率和保護(hù)動(dòng)作時(shí)間都是根據(jù)周波設(shè)定，50 Hz一個(gè)周波為20 ms，60 Hz一個(gè)周波為16.7 ms，這樣就比國內(nèi)工程的設(shè)備參數(shù)要求高。

（2）保護(hù)用電流互感器的選擇。CCS水電站采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線，經(jīng)500 kV一級電壓接入電力系統(tǒng)，系統(tǒng)的一次時(shí)間常數(shù)較大，因此短路電流非周期分量的衰減時(shí)間長，短路電流的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間長。為保證在實(shí)際短路工作循環(huán)中電流互感器不致暫態(tài)飽和，系統(tǒng)保護(hù)及主變差動(dòng)保護(hù)電流互感器均采用TPY級電流互感器。TPY級電流互感器在準(zhǔn)確限值條件下最大峰值瞬時(shí)誤差不超過10%，滿足該工程要求。

（3）500 kV斷路器操作回路。國內(nèi)項(xiàng)目220 kV及以上電壓等級繼電保護(hù)設(shè)備普遍采用分相或三相操作箱作為控制回路的標(biāo)準(zhǔn)配置。但經(jīng)過業(yè)主和咨詢公司審查，他們堅(jiān)持國外工程普遍認(rèn)可和采用的方式，即保護(hù)出口回路、切換回路和監(jiān)視回路通過繼電器的搭接完成邏輯功能并設(shè)置專用的復(fù)歸繼電器，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

（4）試驗(yàn)插拔開關(guān)的設(shè)置。國內(nèi)項(xiàng)目對于保護(hù)柜的電流和電壓輸入，經(jīng)過電流電壓試驗(yàn)型端子排后接入保護(hù)裝置的輸入端，通過功能壓板來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的投退和跳閘出口的投退。對于該工程，業(yè)主和咨詢公司堅(jiān)持使用試驗(yàn)插拔開關(guān)裝置，保護(hù)柜的電流和電壓輸入、保護(hù)跳閘出口、失靈啟動(dòng)等回路先經(jīng)過試驗(yàn)插拔開關(guān)裝置后接入保護(hù)裝置，可對回路進(jìn)行試驗(yàn)和插拔，取消了硬壓板，這也是一種可借鑒的方法。

（5）GIS氣室氣壓低的處理措施。GIS氣壓報(bào)警屬于設(shè)備故障需要檢修報(bào)警，信號發(fā)到監(jiān)控系統(tǒng)，由運(yùn)行人員根據(jù)故障情況通過監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方跳開斷路器，使故障間隔退出運(yùn)行，此為國內(nèi)工程一般做法。但業(yè)主和咨詢公司堅(jiān)持要求每個(gè)間隔斷路器氣室的Ⅱ級壓力過低信號應(yīng)引至相應(yīng)的保護(hù)柜啟動(dòng)跳閘回路跳開斷路器，并發(fā)信號到監(jiān)控系統(tǒng)，其他氣室和斷路器氣室的I級壓力低信號發(fā)到監(jiān)控系統(tǒng)。如果壓力過低信號未能被運(yùn)行人員掌握，則故障時(shí)斷路器可能出現(xiàn)拒動(dòng)等嚴(yán)重問題，這樣修改可以避免上述問題。

（6）保護(hù)柜直流電源雙回路供電。業(yè)主和咨詢公司要求每面保護(hù)柜上的保護(hù)裝置直流電源都采用雙回路供電并能自動(dòng)切換，這樣雖然可靠性提高，但相比國內(nèi)每套保護(hù)裝置專用1回直流電源的要求，直流饋線柜的饋線回路數(shù)量大大增加，對直流饋線數(shù)量配置提出了更高的要求。

4 設(shè)計(jì)問題總結(jié)和分析

CCS電站的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)工作雖然得以順利完成，但是仍存在一些問題，筆者對其進(jìn)行了總結(jié)和分析。

（1）中西方設(shè)計(jì)理念的溝通和交流。因?yàn)镃CS水電站合同要求設(shè)計(jì)規(guī)范采用美國和歐洲規(guī)范，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)引用和設(shè)計(jì)習(xí)慣問題一直是與外方業(yè)主、咨詢公司聯(lián)系最多的方面。中國水電行業(yè)發(fā)展迅速，在技術(shù)研究和工程實(shí)踐上都走在世界前端，但外方不太了解和相信我們的工程經(jīng)驗(yàn)，存在疑慮。因此，在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)技術(shù)差異時(shí)，應(yīng)舉出工程實(shí)例，引用相關(guān)的國際國內(nèi)規(guī)范作技術(shù)支撐，使業(yè)主相信我們的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)實(shí)力，這樣才能夠達(dá)到良好的效果。

（2）設(shè)計(jì)成果的形式。CCS水電站工程按照國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范完成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果的形式也滿足外方業(yè)主、咨詢公司和運(yùn)行人員的使用習(xí)慣，控制電纜表包含的內(nèi)容有電纜編號、電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng)編碼、型號、截面、耐壓等級、信號回路電壓、起點(diǎn)、終點(diǎn)、起終點(diǎn)設(shè)備位置、電纜芯數(shù)及每芯的功能、敷設(shè)路徑、長度和參考圖號?？刂齐娎|的所有信息都集中在一張圖紙上，與電纜相關(guān)的設(shè)備原理圖、電纜橋架布置圖以及外部相關(guān)的圖紙均在交叉索引信息欄內(nèi)標(biāo)識(shí)。施工技術(shù)人員能夠很快查找到電纜的各種信息，減少接線錯(cuò)誤。對于電站運(yùn)行人員遇到的設(shè)備問題查根溯源也有很大的幫助。

（3）發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的選型。該工程定子接地保護(hù)采用傳統(tǒng)配置形式：機(jī)端基波零序電壓和發(fā)電機(jī)兩側(cè)的三次諧波電壓比較法[2]，應(yīng)考慮配置1套能實(shí)現(xiàn)100%保護(hù)范圍的外加電源注入式接地保護(hù)，外加電源頻率為20 Hz。注入式定子接地保護(hù)更適用于該工程采用的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器高阻接地的方式，國內(nèi)最新的《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》也推薦采用這種保護(hù)方式，這在今后的工作中要注意改進(jìn)[4]。

（4）對發(fā)電機(jī)頻率保護(hù)的重視。由于CCS水電站裝機(jī)容量占厄瓜多爾全國總裝機(jī)容量的1/3左右，因此在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的環(huán)境中應(yīng)加強(qiáng)對機(jī)組頻率保護(hù)的重視，以保證系統(tǒng)頻率維持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)有功功率供需失去平衡后，調(diào)速器的調(diào)節(jié)能力或調(diào)節(jié)速度的限制無法滿足系統(tǒng)的需求時(shí)，發(fā)電機(jī)的雙重頻率保護(hù)會(huì)確保在電網(wǎng)事故過程中可靠地將發(fā)電機(jī)組解列。

（5）發(fā)電機(jī)出口電流互感器布置問題?，F(xiàn)場設(shè)備安裝時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)端保護(hù)用電流互感器布置的問題，變壓器差動(dòng)保護(hù)用的TPY型電流互感器布置在電氣制動(dòng)短路刀閘的下方，靠近發(fā)電機(jī)側(cè)，制動(dòng)時(shí)需要閉鎖變壓器差動(dòng)，對于帶廠變分支的1#、8#機(jī)就存在問題。但現(xiàn)場變更將涉及封閉母線廠家重新設(shè)計(jì)、重新加工制造及運(yùn)輸問題，會(huì)耽誤較長工期。采用的解決辦法是：停機(jī)時(shí)短時(shí)退出主變差動(dòng)保護(hù)，由繼電保護(hù)廠家修改其內(nèi)部程序，其他各項(xiàng)保護(hù)如非電量、后備保護(hù)等仍保持運(yùn)行。設(shè)計(jì)過程中忽視了這個(gè)問題，要引以為戒。

5 結(jié) 語

CCS水電站工程規(guī)模大、技術(shù)復(fù)雜，為保證電站的安全可靠運(yùn)行，主要設(shè)備的繼電保護(hù)均按照雙重冗余方案設(shè)計(jì)。電站于2016年11月全部8臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)發(fā)電。經(jīng)過近4 a的運(yùn)行實(shí)踐，當(dāng)電站發(fā)生內(nèi)外部故障時(shí)，保護(hù)設(shè)備都能準(zhǔn)確切除故障，保證了電站和電網(wǎng)安全運(yùn)行。

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【責(zé)任編輯 張華巖】