某抽蓄電站機組保護裝置國產(chǎn)化改造分析

張冰冰　周怡伶　蔣佳杰

摘要：2021年，某抽水蓄能電站4臺機組保護裝置由進口的ABB公司REG216型微機保護裝置改造為國產(chǎn)南瑞繼保RCS-985GW-JS型微機保護裝置?，F(xiàn)對這兩種保護部分功能的應用原理進行分析，以普及對國產(chǎn)化保護裝置的認識，有利于推廣應用國產(chǎn)保護裝置，降低保護裝置采購成本。

關鍵詞：機組保護裝置;功能比較;國產(chǎn)化;定子;轉子

中圖分類號：TV743? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）06-0070-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.020

0? ? 引言

某抽水蓄能電站總裝機容量1 000 MW，發(fā)電電動機與變壓器組合方式為單元接線，每兩個機組—變壓器單元在主變500 kV側組成聯(lián)合單元。機組保護由ABB公司提供，運行時間超過13年，一方面保護系統(tǒng)設備已經(jīng)達到了合理的改造年限，另一方面現(xiàn)運行的保護系統(tǒng)設計與規(guī)程規(guī)范及反措要求多有不符之處，因此，為了提高機組正常穩(wěn)定運行的可靠性，該抽水蓄能電站更換了4臺機組的保護裝置，采用南瑞繼保公司產(chǎn)品，經(jīng)過半年的運行，未發(fā)生誤動現(xiàn)象。ABB公司和南瑞繼保公司這兩種保護裝置有些功能在原理的應用上存在較大的不同，為了能夠更深刻地理解兩者在某些功能上的區(qū)別，加快國產(chǎn)化改造后保護裝置的調(diào)試以及機組保護動作后的故障分析速度，有必要針對兩者的差異進行分析比較。

本文結合ABB公司REG216機組保護系統(tǒng)和南瑞繼保公司RCS-985機組保護系統(tǒng)實際運行特點，重點分析兩者在某些保護功能原理上的差異，針對發(fā)電機處于不同工況下的閉鎖邏輯進行分析，可為其他抽水蓄能機組保護改造提供一些借鑒。

1? ? 原ABB保護存在的問題

依據(jù)國內(nèi)各規(guī)范要求及相關標準，結合ABB機組保護在實際應用中的分析，原有保護在以下幾個方面存在一定的缺陷：

（1）原有機組保護僅部分保護功能實現(xiàn)雙重化，多種保護功能為單套配置，包括機組失步保護、低功率保護、逆功率保護、過激磁保護等，原有保護未按照標準配置齊全的保護功能，如電流不平衡保護、誤上電保護。

（2）斷路器失靈保護所用電流互感器取自機端中心點側，會導致保護動作后回路中仍有電流，且斷路器失靈保護的電流判據(jù)只采用相電流元件，缺少負序電流元件，易導致失靈保護誤動。

（3）保護裝置從調(diào)試至今已運行13年，該ABB產(chǎn)品為20世紀80年代產(chǎn)品，保護裝置無人機界面僅有板卡指示燈可觀測，且該型號產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)，維護不便，尤其是最近兩年，曾發(fā)生定子注入式電源裝置故障、保護裝置輸出板卡損壞直接引起事故停機的情況。

鑒于以上問題，對該抽蓄電站進行保護改造，選用南瑞繼保公司RCS-985系列機組保護裝置。

2? ? 兩種保護裝置的應用分析

2.1? ? 發(fā)電機注入式定子接地保護

ABB定子接地保護由100%定子接地保護和95%定子接地保護構成，采用低頻信號注入的原理。100%接地保護是通過注入單元REX010和注入變壓器REX011（即中性點接地變壓器，二次側接串聯(lián)電阻REs、RPs），從變壓器二次側（電阻RPs）注入幅值為100 V的12.5 Hz低頻方波信號。發(fā)生接地故障時，裝置利用從接地變二次側電阻REs反映回來的低頻位移電壓計算接地電阻，與定值比較決定是否動作出口跳閘，保護裝置計算得到的接地電阻值就是實際的接地電阻數(shù)值。95%接地保護是通過計算定子接地時中性點出現(xiàn)的位移電壓來實現(xiàn)的，利用接地故障時從接地變二次側電阻REs反映回來的基波零序電壓與定值比較決定是否動作出口跳閘。當保護裝置計算出接地故障電流大于5 A時自動斷開注入信號，以免注入單元受到高電壓損害，全部任務交由95%定子接地保護來處理。由于注入單元REX010使用直流220 V作為工作電源，所以它在停機狀態(tài)下也能起到保護作用（圖1）。

南瑞繼保定子接地保護構成（圖2）與ABB基本相同，只是注入的是20 Hz交流電壓，當定子繞組無接地或絕緣正常時，流過定子繞組對地電流為電容電流，當定子繞組對地絕緣受到破壞，出現(xiàn)接地現(xiàn)象時，注入的電流將流過接地點，出現(xiàn)電阻性電流。南瑞保護裝置RCS-985U定子接地保護輔助電源裝置檢測注入的低頻電壓、電流，可準確計算出接地過渡電阻阻值，計算電阻阻值與定子接地故障位置無關，可以直接反映發(fā)電機100%的定子繞組單相接地故障[1]。南瑞繼保為該保護單獨配置獨立的輔助電源裝置。低頻電壓通過機組中性點接地變，注入到發(fā)電機定子上，供保護測量使用。在發(fā)電機發(fā)生定子接地故障時，負載電阻回路上可能有較大的工頻電壓，帶通濾波器可阻止該工頻電壓對方波電源形成沖擊。

裝置輸出的低頻電壓加在發(fā)電機中性點接地變壓器負載電阻兩端，通過接地變將低頻信號注入到發(fā)電機定子繞組上。通常設置接地電阻判據(jù)反映發(fā)電電動機定子繞組接地電阻的大小，實際現(xiàn)場應用中設兩段接地電阻定值，高定值段作用于報警，低定值段作用于延時跳閘，延時可分別整定[2]。原ABB保護注入式定子接地保護僅采用電阻判據(jù)作為跳閘判據(jù)，南瑞繼保裝置增加了電流判據(jù)，注入式定子接地保護中的零序電流判據(jù)采用與頻率無關的算法，在發(fā)電機低頻狀態(tài)時投入。同時，當機組處于背靠背主拖機工況時，中性點接地變隔離閘刀根據(jù)機組順控設計會被拉開，此時被拖動機組接地變隔離閘刀在合閘位置，保證背靠背運行時電氣軸有一個接地點，此時中性點零序電流約為0，可閉鎖注入式定子接地保護。

機組定子中性點接地方式及接地變壓器參數(shù)大小對于保護靈敏度具有重要影響[3]，對于保護改造，不同裝置對該參數(shù)要求也不盡相同。該抽蓄電站發(fā)電機中性點采用經(jīng)接地變壓器高阻接地的運行方式，在改造設計中發(fā)現(xiàn)原有接地變壓器二次電阻較小，只有0.232 Ω，且定子繞組對地電容較大，而接地變壓器二次電阻的大小對于保護測量精度具有明顯影響。根據(jù)南瑞繼保工程設計和經(jīng)驗，只有在接地變壓器二次電阻大于1 Ω時，其保護裝置測量精度才能滿足要求，因此該抽蓄電站采用了加裝隔離變壓器的方案，新增一個變比為150 V/300 V的隔離變壓器，提高分壓電阻，從而提高接入保護裝置的二次電阻，進而提高保護裝置檢測靈敏度。

2.2? ? 發(fā)電機注入式轉子接地保護

ABB轉子接地保護通過REX010注入單元和分別連接在轉子繞組兩極的兩個電容以及兩個串聯(lián)電阻REr、RPr注入12.5 Hz低頻方波信號。發(fā)生接地故障時，裝置利用從電阻REr反映回來的低頻位移電壓計算接地電阻，與定值比較后決定是否動作發(fā)信或跳機，保護裝置計算得到的接地電阻值就是實際的接地電阻數(shù)值。該電站轉子一點接地保護定值設置兩段，高值作用于報警，低值作用于延時程序跳閘。

南瑞繼保的轉子接地保護可根據(jù)現(xiàn)場轉子繞組的引出方式，選擇雙端注入式或單端注入式轉子接地保護原理，在轉子繞組的正負兩端（或負端）與大軸之間注入一個低頻方波電壓，實時求解轉子一點接地電阻，保護反映發(fā)電電動機轉子對大軸絕緣電阻的下降[2]。注入式轉子一點接地保護與運行工況無關，不經(jīng)任何工況閉鎖，該電站采用雙端注入，外加電源轉子接地保護原理，能夠測量一點接地位置。在發(fā)電機靜止不加勵磁電壓的情況下，保護也能檢測出接地電阻。

為使保護正常工作，南瑞繼保設有注入電源監(jiān)視功能，當注入電壓小于80%正常工作電壓時，瞬時閉鎖保護并延時告警。在實踐應用中，南瑞繼保通過加裝霍爾電流互感器，實現(xiàn)轉子斷線檢測功能，這一監(jiān)視功能是原有ABB保護不具備的。南瑞繼保注入式轉子一點接地保護分壓電阻裝設在機組保護盤柜內(nèi)，模擬量測量通過保護裝置單獨插件實現(xiàn)，無須獨立裝置，且保護校驗時模擬試驗簡單。

2.3? ? 發(fā)電機PT斷線檢測

ABB的PT斷線檢測功能只動作于告警，它的動作原理是從兩個電壓互感器采集電壓信號，并通過計算獲取線電壓，比較兩個電壓互感器各線電壓幅值的關系，判定電壓互感器是否發(fā)生斷線。

南瑞繼保PT異常判別判據(jù)如下：（1）正序電壓小于18 V，且任一相電流大于0.04In;（2）負序電壓3U2大于8 V。發(fā)電電動機機端PT滿足以上任一條件，延時10 s發(fā)相應PT斷線報警信號;異常消失，延時10 s后信號自動返回[2]。在發(fā)電電動機未并網(wǎng)前，PT斷線報警或閉鎖功能自動退出。

兩者區(qū)別：改造前ABB PT斷線需檢測兩組PT電壓值進行判斷，改造后南瑞繼保裝置僅接入一組機端PT即可。

3? ? 其他改進的保護功能分析

抽水蓄能機組處于電氣制動工況時，發(fā)電機機端三相電壓基本為0，發(fā)電機機端電流控制接近額定電流，電氣制動末期機組三相電流的不平衡分量增加。原ABB REG216機組保護系統(tǒng)未全面考慮電氣制動過程對保護的影響，未配置電流不平衡保護。為了電氣制動正常執(zhí)行，南瑞繼保配置了電流不平衡保護，主要目的是當電氣制動開關端頭接觸不良時，三相電流出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，利用最大相電流與最小相電流比值構成電流不平衡保護判斷原理，延時動作于切斷電制動勵磁電流，防止定子繞組電制動開關的短接端頭接觸不良而燒毀。

抽水蓄能機組在水泵啟動過程之始已加勵磁，且持續(xù)時間較長，需配置具有一定靈敏度的保護功能來反映機組相間故障和定子接地故障。但機組處于水泵啟動過程中，需閉鎖可能誤動的部分保護。ABB保護裝置保護功能的算法在額定頻率下進行優(yōu)化，偏離額定頻率會產(chǎn)生另外的誤差。在頻率發(fā)生嚴重的偏離時，可用頻率功能的輸出，閉鎖誤動保護功能。南瑞繼保裝置針對水泵工況啟動的過程增設低頻差動保護、低頻過流保護、低頻定子接地保護、閉鎖常規(guī)差動保護等，使水泵啟動過程的保護更加完善。

原ABB保護裝置無誤上電保護，考慮以下3種情況增設誤上電保護：（1）發(fā)電電動機盤車時，未加勵磁，斷路器誤合，造成發(fā)電電動機異步啟動;（2）發(fā)電電動機啟停過程中，已加勵磁，但頻率低于定值，斷路器誤合;（3）發(fā)電電動機啟停過程中，已加勵磁，但頻率大于定值，斷路器誤合或非同期等。誤上電保護在機組并網(wǎng)后，低頻、低壓元件和斷路器輔助接點判別條件均不滿足，自動退出，當機組處于黑啟動工況時閉鎖。

原ABB保護裝設單元件橫差保護，僅為簡單的過流元件，且未按照實際不平衡電流整定，靈敏度低。改造后的保護裝置裝設了橫差保護靈敏段保護，具有防外部短路時誤動的技術措施（電流比例制動），靈敏段的動作電流只需按躲過發(fā)電電動機正常變頻啟動過程中的最大不平衡電流整定即可，電制動工況下的匝間短路故障由高值段來應對。

ABB保護裝置對于不同的工況狀態(tài)，通過邏輯判斷，輸出相應的開入量直接閉鎖或開放相應的保護功能。南瑞繼保裝置亦是通過外部開入量直接閉鎖相應保護功能。在特定工況下，某些保護功能不適用或可能導致誤動，需依據(jù)工況判別結果閉鎖相應保護。ABB保護裝置和南瑞繼保裝置工況劃分簡潔，閉鎖邏輯均可整定。綜合實際應用發(fā)現(xiàn)，南瑞繼保裝置閉鎖邏輯考慮更加細致，原ABB小差保護在任何工況下均開放，南瑞繼保裝置單獨劃分低頻和工頻下的差動保護。南瑞繼保裝置有開關與輔助接點位置異常判別邏輯，當換相開關位置異常、被拖動開關位置異常、機端斷路器位置異常、電制動開關位置異常時均會發(fā)出報警。南瑞繼保裝置還配置了4個外部大功率重動開入信號點，解決了經(jīng)長電纜外部開入受干擾的問題。此外，南瑞繼保裝置在硬件結構設計方面采用兩個獨立的數(shù)據(jù)處理單元，分別為保護DSP板和啟動DSP板，采用與門邏輯出口方式，任一板卡出現(xiàn)故障，裝置閉鎖并發(fā)出告警信息，杜絕了因硬件故障引起的保護誤動現(xiàn)象，解決了硬件可靠性問題。

4? ? 結語

本次改造項目依據(jù)國內(nèi)規(guī)程規(guī)范和保護專業(yè)反措要求，改進原有機組保護缺陷，改造通過優(yōu)化國產(chǎn)保護裝置，新增某些保護功能，極大地提高了機組保護性能。通過分析比較進口和國產(chǎn)兩種保護應用原理和功能的差異可知，隨著國產(chǎn)抽蓄機組保護的發(fā)展，國產(chǎn)保護設備無論在保護配置、開入開出量處理，還是狀態(tài)信號處理等方面都有明顯進步，在確保抽水蓄能繼電保護可靠性、選擇性、靈敏性、速動性的前提下，國產(chǎn)機組保護各參數(shù)設置靈活性優(yōu)于進口保護裝置，同時保護裝置國產(chǎn)化以后，運維成本和后期技術服務成本也大幅降低。

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收稿日期：2021-12-15

作者簡介：張冰冰（1988—），女，河南信陽人，工程師，從事抽水蓄能電站保護與控制系統(tǒng)專業(yè)管理工作。

周怡伶（1988—），女，江蘇無錫人，工程師，從事抽水蓄能電站監(jiān)控及自動化系統(tǒng)設備管理工作。

蔣佳杰（1988—），男，江蘇無錫人，工程師，從事抽水蓄能電站電氣一次設備管理工作。