烏弄龍水電站發(fā)變組繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置

何璐 劉禮華 王飛 馬力

摘要：結(jié)合烏弄龍水電站電氣主接線型式，該文對(duì)烏弄龍水電站的發(fā)電機(jī)、聯(lián)合單元接線主變及主變高壓側(cè)繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及配置方案進(jìn)行了歸納總結(jié)，對(duì)布置在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)橫差用電流互感器、主變高壓側(cè)保護(hù)用電流互感器，其參數(shù)的選擇中尤其是額定一次電流的選擇中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了介紹，為后續(xù)大型水電站的發(fā)變組繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：發(fā)變組保護(hù)額定一次電流橫差保護(hù)

中圖分類號(hào)：TV737文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract：According to the main electrical wiring of Wunonglong hydroelectric power station，protection configuration of generator-transformer unit is investigated. For the current transformers of transverse differential protection and high voltage side of main transformer，the parameters of rated primary current is discussed in the circuit.

Key Words： Generator-transformer unit; Protection; Rated primary current; Transverse differential protection

烏弄龍水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)，是瀾滄江上游河段梯級(jí)規(guī)劃的第二級(jí)水電站。烏弄龍水電站裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為247.5 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。主變高壓側(cè)采用500 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，電站500 kV出線2回，1回至里底電站500 kV開(kāi)關(guān)站，1回至托巴電站開(kāi)關(guān)站。發(fā)電機(jī)與主變壓器連接采用聯(lián)合單元接線，500 kV側(cè)采用四角形斷路器接線。發(fā)電機(jī)出口均裝設(shè)斷路器及電制動(dòng)開(kāi)關(guān)。

該文對(duì)烏弄龍水電站的發(fā)電機(jī)的主保護(hù)，聯(lián)合單元接線主變及主變高壓側(cè)主保護(hù)的配置方案進(jìn)行了介紹，并針對(duì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及到的電流互感器額定一次電流參數(shù)的選擇給出了建議。

1發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案

烏弄龍水電站發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為247.5 MW，每相有4個(gè)并聯(lián)分支。根據(jù)《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，對(duì)于定子繞組為星形接線，每相有并聯(lián)分支且中性點(diǎn)有分支引出端子的發(fā)電機(jī)，其主保護(hù)配置方案可根據(jù)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障定量化計(jì)算分析確定。

對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的短路故障是定子繞組短路和發(fā)電機(jī)端引線短路，主保護(hù)配置方案中需包含橫差保護(hù)和縱差保護(hù)，以形成“一橫一縱”的初步格局[1];主要考慮“完全裂相橫差+不完全/完全縱差保護(hù)”兩種初步格局。

運(yùn)用多回路分析法，對(duì)烏弄龍水電站發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)以及空載的運(yùn)行方式下可能發(fā)生的同槽和端部故障（共12 096種）進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到中性點(diǎn)側(cè)不同分支引出組合方式下主保護(hù)的靈敏系數(shù)，最終確定的方案如下。

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)分支組引出方式和電流互感器的具體配置為：將每相的1、3分支接在一起，形成中性點(diǎn)O1;再將每相的2、4分支接在一起，形成中性點(diǎn)O2。在O1～O2之間接一個(gè)電流互感器TA0，并在每相的1、3分支組和2、4分支組上裝設(shè)分支電流互感器TA1～TA6，且有機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，以構(gòu)成一套零序電流型橫差、一套完全裂相橫差和一套完全縱差保護(hù)（其中性點(diǎn)側(cè)相電流取自每相已有的兩個(gè)分支組TA），具體情況如圖1所示。

2 聯(lián)合單元接線主變及主變高壓側(cè)主保護(hù)配置方案

2.1 保護(hù)基本配置方案

根據(jù)烏弄龍的電氣主接線，以1#及2#機(jī)組構(gòu)成的聯(lián)合單元為例，主變及其高壓側(cè)的T區(qū)的保護(hù)配置可以采用3種方案：（1）主變單變差動(dòng)保護(hù)+四側(cè)差動(dòng)的小區(qū)保護(hù)[2];（2）主變單變差動(dòng)保護(hù)+主變雙變差動(dòng)保護(hù);（3）主變單變四側(cè)差動(dòng)保護(hù)，其中方案（1）相對(duì)其他兩種方案在保護(hù)區(qū)域劃分上最清晰，主變發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，僅主變保護(hù)出口，主變高壓引出線側(cè)發(fā)生故障，僅四側(cè)差動(dòng)的小區(qū)保護(hù)出口，有利于電站投入運(yùn)行后發(fā)生故障情況下的故障點(diǎn)定位，節(jié)省了運(yùn)行維護(hù)人員的檢修成本，且四側(cè)差動(dòng)小區(qū)保護(hù)構(gòu)成原理簡(jiǎn)單，保護(hù)范圍內(nèi)不包含復(fù)雜的電氣設(shè)備，不受變壓器空載合閘情況下勵(lì)磁涌流的影響，動(dòng)作速度更快，在保護(hù)裝置定值整定計(jì)算都有相關(guān)可遵循的規(guī)程依據(jù);在保護(hù)用互感器的配置、布置及安裝難度方面也有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此烏弄龍水電站聯(lián)合單元接線主變高壓側(cè)范圍的保護(hù)配置采用主變單變差動(dòng)保護(hù)+四側(cè)差動(dòng)的小區(qū)保護(hù)，具體如圖2所示。

2.2 主變高壓側(cè)四側(cè)差動(dòng)小區(qū)保護(hù)及其短引線保護(hù)

根據(jù)烏弄龍水電站的主接線，以1#及2#機(jī)組構(gòu)成的聯(lián)合單元為例，每臺(tái)主變高壓側(cè)均配置了隔離開(kāi)關(guān)，即機(jī)組投運(yùn)后，可能存在任何一臺(tái)或兩臺(tái)發(fā)變組退出運(yùn)行，四角形接線中的相關(guān)斷路器QF1及QF2投入運(yùn)行的工作情況。由于目前適用于四側(cè)差動(dòng)的小區(qū)保護(hù)裝置，不能根據(jù)運(yùn)行方式的改變自動(dòng)由四側(cè)差動(dòng)變?nèi)齻?cè)差動(dòng)或者變兩側(cè)差動(dòng)，因此在500 kV開(kāi)關(guān)站側(cè)四側(cè)差動(dòng)小區(qū)QF1、QF2斷路器電流回路后串接了短引線保護(hù)裝置，用于四側(cè)差動(dòng)小區(qū)保護(hù)退出運(yùn)行，500 kV斷路器仍投入運(yùn)行的主保護(hù)[3]。

3發(fā)變組單元部分互感器配置

對(duì)于保護(hù)級(jí)的電流互感器，電氣二次方面關(guān)注的重點(diǎn)主要為：（1）互感器的準(zhǔn)確級(jí)，目前國(guó)內(nèi)保護(hù)級(jí)電流互感器的類型一般選擇為P級(jí)和TP級(jí);（2）互感器的一次額定電流的選擇;（3）互感器的配置位置，避免出現(xiàn)保護(hù)死區(qū);（4）對(duì)于TP級(jí)的電流互感器，還有一些特有的參數(shù)需要提供。該文主要對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)橫差用電流互感器及主變高壓側(cè)電流互感器額定一次電流的選擇提出一些建議。

3.1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)橫差用電流互感器

圖1中的烏弄龍發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案中，零序電流型橫差保護(hù)用TA的額定一次電流，除了應(yīng)大于發(fā)電機(jī)最大負(fù)荷條件下兩中性點(diǎn)連線的最大不平衡電流外，由于烏弄龍水電站進(jìn)行了發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障定量化分析，通過(guò)仿真計(jì)算，得到了各種內(nèi)部短路故障情況下，中性點(diǎn)連線電流的大小和分布情況，發(fā)電機(jī)零序電流型橫差保護(hù)的靈敏系數(shù)，因此可以更準(zhǔn)確地確定橫差保護(hù)用電流互感器的一次額定電流。

通過(guò)分析仿真計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，烏弄龍水電站發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的12096種內(nèi)部短路中，流過(guò)中性點(diǎn)連線的短路電流在2.976倍額定電流以上（30 000 A以上，對(duì)應(yīng)的零序電流型橫差保護(hù)的靈敏系數(shù)為59.52以上）的故障所占比率不大（3.9%），絕大多數(shù)故障（91.3%）發(fā)生時(shí)流過(guò)中性點(diǎn)連線的短路電流在756.05 A～30 000 A之間，還有一部分故障（4.8%）發(fā)生時(shí)流過(guò)中性點(diǎn)連線的短路電流不足以使零序電流型橫差保護(hù)動(dòng)作。

基于上述烏弄龍發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路時(shí)中性點(diǎn)連線電流的大小及其分布特點(diǎn)，確定零序電流型橫差保護(hù)用TA0的變比為1000/1A，保證絕大多數(shù)故障情況下，互感器的測(cè)量精度滿足要求，保護(hù)正確動(dòng)作。

3.2 主變高壓側(cè)保護(hù)用電流互感器

超高壓電網(wǎng)和大型發(fā)電機(jī)組的一次時(shí)間常數(shù)都很長(zhǎng)，短路時(shí)的非周期分量容易引起TA飽和[4-6]，影響其傳變性能，保護(hù)誤動(dòng)的概率大為增加。

主變高壓側(cè)安裝的保護(hù)用電流互感器，其參數(shù)選擇應(yīng)滿足主變保護(hù)及高壓側(cè)小區(qū)保護(hù)的要求，重點(diǎn)是考察區(qū)外故障時(shí)互感器不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重飽和，不會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。由于主變高壓側(cè)為500 kV，采用的是TPY級(jí)的電流互感器，參數(shù)選擇方面需注意額定一次電流的選擇，選擇不合適的情況下可能導(dǎo)致設(shè)備體積過(guò)大，使設(shè)備難以安裝。

電流互感器的額定一次電流一般是根據(jù)其所屬一次設(shè)備額定電流或最大工作電流選擇，但在主變高壓側(cè)的保護(hù)用互感器配置中，如果按照這個(gè)原則配置，會(huì)導(dǎo)致互感器的體積過(guò)大。

烏弄龍水電站變壓器容量為285 MW，高壓側(cè)一次額定電流為329 A。如果互感器的一次額定電流按照變壓器高壓側(cè)額定電流選擇，可選擇為400 A。圖2中的d1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，流過(guò)小區(qū)保護(hù)其中一個(gè)分支互感器的電流為20 kA左右，保護(hù)校驗(yàn)系數(shù)Kpcf為50左右;在滿足C-O工作循環(huán)的條件下，暫態(tài)面積系數(shù)Ktd=19.9，能夠滿足要求的電流互感器的等效二次極限電動(dòng)勢(shì)Eal=Ktd×Kpcf（Rct+Rb）=19.9×50×（9+7）=15920V，其中，Rct為互感器二次繞組電阻，Rb為互感器二次側(cè)負(fù)荷電阻，此參數(shù)對(duì)于制造廠家來(lái)說(shuō)過(guò)大，設(shè)備安裝困難。

在以上分析的基礎(chǔ)上，烏弄龍水電站的主變高壓側(cè)互感器適當(dāng)提高了一次額定電流的參數(shù)，即選擇為1 500 A，Kpcf減小為13.3，此時(shí)的TPY互感器的等效二次極限電動(dòng)勢(shì)Eal= Ktd×Kpcf（Rct+Rb）=19.9×13.3×（9+7）=4234V，減小了互感器的制造體積，利于設(shè)備安裝及短路情況下的動(dòng)穩(wěn)定性。

主變高壓側(cè)電流互感器的一次額定電流也不可提高得過(guò)大，防止保護(hù)整定值整定困難。

4結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)烏弄龍水電站的發(fā)電機(jī)、變壓器、主變高壓側(cè)小區(qū)等與發(fā)變組相關(guān)的繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置進(jìn)行了歸納總結(jié)，并對(duì)涉及在參數(shù)選擇中有一定困難的互感器的一次額定電流選擇進(jìn)行了介紹，為后續(xù)大型水電站的發(fā)變組繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 林子陽(yáng).豐滿重建水電站發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)配置方案[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2019，42（8）：19-21，63.

[2] 李應(yīng)文，劉濤，裴東良，等.1 000 kV 特高壓主變壓器差動(dòng)保護(hù)配置分析[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（3）：106-113.

[3] 樊秦華.宕昌縣110kV變電站改造設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安科技大學(xué)，2020.

[4] 朱忠亭，高晶.電流互感器飽和后的二次側(cè)電流有效值分析[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2021（7）：16-19.

[5] 田濤，張兆君，張帆，等.CT飽和影響因素及其對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響分析[J].電工技術(shù)，2020（17）：89-92.

[6] 汪登華，任鵬.大藤峽水電廠發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)電流互感器選型分析[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2021，44（2）：22-23，39.