大金坪水電站變壓器保護(hù)改造研究

李能文

(四川松林河流域開發(fā)有限公司，四川 雅安 625400)

0 引言

大金坪水電站位于四川省雅安市石棉縣境內(nèi)的松林河上，是一座灣壩河、洪壩河聯(lián)合引水式電站。電站裝設(shè)3臺43 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量129 MW，2007年3臺機(jī)組相繼并網(wǎng)發(fā)電。1號發(fā)電機(jī)采用發(fā)變組單元接線，2號、3號發(fā)電機(jī)采用擴(kuò)大發(fā)變組單元接線，匯流至220 kV單母線上，經(jīng)金石線送出至石棉變電站并入四川電網(wǎng)運(yùn)行。220 kV 1號變壓器容量為63 MVA，保護(hù)均采用南瑞微機(jī)保護(hù)裝置，國產(chǎn)化、雙重化配置。

1 1號變壓器保護(hù)改造的必要性

大金坪水電站1號發(fā)電機(jī)和1號變壓器為發(fā)變組單元接線，發(fā)電機(jī)出口和變壓器高壓側(cè)均有一臺斷路器。1號發(fā)電機(jī)保護(hù)為南瑞繼保RCS-985GW，RCS-985R兩套保護(hù)裝置及操作箱，安裝于1號發(fā)電機(jī)機(jī)旁屏柜處。1號變壓器保護(hù)為2套南瑞繼保RCS-985T電量保護(hù)裝置、1套RCS-974型非電量保護(hù)裝置，另外配置有分相操作箱及廠高變保護(hù)裝置，分別安裝于繼保室1號變壓器2面微機(jī)保護(hù)屏內(nèi)。發(fā)電機(jī)保護(hù)和變壓器保護(hù)二次回路完全獨(dú)立，保護(hù)裝置完全獨(dú)立，變壓器保護(hù)可單獨(dú)進(jìn)行改造。

大金坪水電站220 kV 1號變壓器保護(hù)2007年投入運(yùn)行，已運(yùn)行13年，狀態(tài)尚可，但存在以下問題：一是近段時間由于主要電子元器件逐漸老化，采樣精度超標(biāo)，故障率攀升，可靠性下降；二是雙重化配置的變壓器保護(hù)均采用南瑞保護(hù)裝置，不滿足“雙重化配置的保護(hù)裝置須采用不同廠家”[1]的要求；三是保護(hù)和安全自動裝置發(fā)生故障或異常，制造廠家不再提供技術(shù)支持及備品備件。根據(jù)《繼電保護(hù)和安全自動裝置運(yùn)行管理規(guī)程》“微機(jī)繼電保護(hù)裝置的使用年限一般不低于12年，對于運(yùn)行不穩(wěn)定、工作環(huán)境惡劣的微機(jī)保護(hù)裝置可根據(jù)運(yùn)行情況適當(dāng)縮短使用年限”的規(guī)定，因此在2021年3月大金坪水電站全停電檢修期間，對1號變壓器保護(hù)進(jìn)行了改造?？紤]到1號發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置狀態(tài)較變壓器保護(hù)裝置要好，以及資金投入、停電時間短、施工范圍大等問題，1號發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置計(jì)劃在下一年進(jìn)行改造。

在技術(shù)改造前，應(yīng)明確保護(hù)改造的目標(biāo)，充分考慮安全、生產(chǎn)、質(zhì)量、環(huán)境等的必要性，技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟(jì)上的合理性，應(yīng)進(jìn)行必要的論證，并按公司規(guī)定履行審批手續(xù)。

2 1號變壓器保護(hù)改造策略

對大金坪1號變壓器原有保護(hù)裝置存在缺陷、電網(wǎng)繼電保護(hù)的運(yùn)行條件、不可靠因素等全方位進(jìn)行分析，為制定、設(shè)計(jì)變壓器保護(hù)打下技術(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，形成可行性報(bào)告，對行業(yè)內(nèi)繼電保護(hù)設(shè)備廠家進(jìn)行調(diào)研、考察，擇優(yōu)選定設(shè)備廠家，通過技術(shù)交流、研討確定設(shè)計(jì)方案、保護(hù)裝置選型、技術(shù)參數(shù)。

電量保護(hù)需采用不同繼電保護(hù)裝置廠家、雙重化配置、主后一體化的方案。充分考慮合理的電流互感器配置和二次繞組分配，消除主保護(hù)死區(qū)[1]，兩套電量保護(hù)電流取自不同組別電流互感器，主、后備保護(hù)共用一組電流互感器。電壓回路盡量采用不同的電壓互感器或互相獨(dú)立的繞組。保護(hù)出口對應(yīng)斷路器不同的跳閘線圈。兩套保護(hù)裝置的直流電源取自不同蓄電池組連接的直流母線段。優(yōu)先通過保護(hù)裝置自身實(shí)現(xiàn)相關(guān)保護(hù)功能，盡可能減少外部輸入量，以降低對相關(guān)回路和設(shè)備的依賴。優(yōu)化回路設(shè)計(jì)，在確保可靠實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置功能的前提下，盡可能減少裝置間的連線。保護(hù)裝置應(yīng)配置與外部授時源的對時接口。

從整個系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮繼電保護(hù)的發(fā)展變化，嚴(yán)格執(zhí)行繼電保護(hù)專業(yè)管理部門制定的有關(guān)繼電保護(hù)裝置選型管理規(guī)定與配置原則，同時也要綜合考慮設(shè)備經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全、環(huán)境和質(zhì)量風(fēng)險，以繼電保護(hù)可靠性、速動性、選擇性、靈敏性為基本原則，優(yōu)先選用原理成熟、技術(shù)先進(jìn)、制造質(zhì)量可靠，并在國內(nèi)有成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的保護(hù)裝置。滿足國網(wǎng)公司《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》《發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》《繼電保護(hù)及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》及《南方電網(wǎng)大型發(fā)電機(jī)及發(fā)變組保護(hù)技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范要求。

大金坪1號變壓器保護(hù)組屏設(shè)計(jì)的最終方案是采購許繼一套變壓器電量保護(hù)裝置WFB-802A/G、南瑞一套變壓器非電量保護(hù)裝置PCS-974A/G及打印機(jī)組合為A屏；采購南瑞一套電量保護(hù)裝置PCS-985TW、一套廠高變保護(hù)裝置PCS-9642C、一臺分相操作箱CZX-12G及打印機(jī)組合為B屏。兩面屏由南瑞繼保電氣有限公司負(fù)責(zé)制造、設(shè)備安裝和屏內(nèi)配線。組屏、接線完成后對保護(hù)裝置各項(xiàng)功能進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，保證其能滿足現(xiàn)場的實(shí)際需要。操作回路和非電量保護(hù)裝置獨(dú)立組屏，同時也充分考慮了運(yùn)行和檢修時的安全性，確保能夠采取有效的防繼電保護(hù)“三誤”措施[1]。

3 改造提升保護(hù)裝置性能

技術(shù)改造后，大金坪1號變壓器保護(hù)A屏電量保護(hù)裝置WFB-802A/G采用許繼電氣新一代32位基于PowerPC的通用硬件平臺，軟、硬件模塊化，邏輯開發(fā)可視化設(shè)計(jì)，可靈活配置，滿足智能化發(fā)電廠發(fā)展的要求。1號變壓器B屏電量保護(hù)裝置PCS-985TW及非電量保護(hù)裝置PCS-974A/G，是南瑞繼保公司在積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和用戶日益復(fù)雜的應(yīng)用需求研發(fā)的新型變壓器保護(hù)裝置。變壓器保護(hù)裝置具有以下特點(diǎn)。

(1) 保護(hù)裝置采用雙CPU啟動、跳閘異步并行處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于整體背板回路的“啟動+動作”的跳閘出口方式，可靠防止因單一元器件損壞或者異常造成保護(hù)誤動的問題。

(2) 采用保護(hù)裝置雙重化、保護(hù)配置雙重化、保護(hù)原理雙重化可靠防止單一裝置異常造成保護(hù)拒動的問題。

(3) 采用具有變特性區(qū)的比率差動保護(hù)、高靈敏工頻變化量差動保護(hù)，提高了內(nèi)部故障檢測的靈敏度。

(4) 采用具有專利技術(shù)的虛擬制動TA飽和判據(jù)，可靠防止區(qū)外故障導(dǎo)致差動保護(hù)誤動作，區(qū)外故障CT飽和轉(zhuǎn)區(qū)內(nèi)故障差動保護(hù)快速可靠動作。

(5) 采用了一種新發(fā)明的斷路器非全相保護(hù)控制方法及裝置，可靠實(shí)現(xiàn)斷路器非全相保護(hù)，同時解決了當(dāng)發(fā)生電流檢測故障或斷線時非全相保護(hù)存在誤動風(fēng)險影響電網(wǎng)正常運(yùn)行的問題。

(6) 實(shí)現(xiàn)了基于差動電流和有功功率方向的變壓器保護(hù)CT極性自適應(yīng)檢測技術(shù)，防止因CT極性和保護(hù)方向錯誤導(dǎo)致的變壓器保護(hù)不正確動作。

(7) 實(shí)現(xiàn)程序模塊化、可視化設(shè)計(jì)，可靈活配置，適用于各種容量、各種電壓等級和各種類型的變壓器組。

(8) 裝置采用高性能32位微處理器加雙DSP硬件結(jié)構(gòu)，保證裝置在每一個采樣間隔對所有繼電器進(jìn)行實(shí)時計(jì)算，裝置具備高性能、高可靠性。

(9) 裝置支持?jǐn)?shù)字化接口和IEC 61850通信規(guī)約，基于GOOSE信號的變壓器保護(hù)采用光纖GOOSE信號，能夠提高開入、開出信號的抗干擾能力，特別能提高主變高壓側(cè)開關(guān)遠(yuǎn)距離跳閘的抗干擾能力，提高保護(hù)裝置的可靠性，滿足智能化發(fā)電廠發(fā)展的要求。

(10) 對裝置自身的各種元器件進(jìn)行了全方位、連續(xù)性監(jiān)視和自檢，在裝置自身元器件及軟件運(yùn)行發(fā)生異常時瞬時閉鎖保護(hù)，防止保護(hù)在裝置狀態(tài)異常時發(fā)生異常動作行為。

(11) 將大容量連續(xù)存儲技術(shù)應(yīng)用到保護(hù)裝置中，一次電網(wǎng)故障序號下能夠記錄10段錄波，每段錄波長度1 s，為保護(hù)行為分析提供了大數(shù)據(jù)背景下高度透明的“黑匣子”。

通過科技創(chuàng)新，繼電保護(hù)裝置在硬件平臺、計(jì)算能力、抗干擾能力、判據(jù)性能、實(shí)時通信、人機(jī)交互、事件記錄、調(diào)試維護(hù)等方面具備了優(yōu)越的性能，進(jìn)一步提高了保護(hù)裝置的可靠性，全力保障了電站、電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行。

4 變壓器保護(hù)改造需要重點(diǎn)解決的問題

大金坪1號變壓器保護(hù)改造工作包括立項(xiàng)、計(jì)劃審批、設(shè)備規(guī)劃、設(shè)備選型、設(shè)備招投標(biāo)、設(shè)備采購、設(shè)備的監(jiān)造、設(shè)備安裝調(diào)試與驗(yàn)收、人員培訓(xùn)、技術(shù)資料歸檔、總結(jié)與評價等各個環(huán)節(jié)[6]。變壓器保護(hù)改造時需要變壓器單元全部停電，為了使技改設(shè)備按計(jì)劃如期并網(wǎng)運(yùn)行，縮短電站變壓器停電時間，提高工作效率，保障電站經(jīng)濟(jì)效益，保護(hù)改造時需要重點(diǎn)解決以下問題。

(1) 電站應(yīng)在保護(hù)裝置改造實(shí)施前，至少提前一周向變壓器定值整定單位提供本年度四川220 kV及500 kV電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定方案中大金坪220 kV母線最新等值阻抗，一次主接線圖(帶CT變比和PT變比、保護(hù)配置)，變壓器參數(shù)，廠家提供的保護(hù)裝置技術(shù)說明書，裝置定值內(nèi)容、格式等變壓器定值計(jì)算相關(guān)資料；做好1號變壓器的繼電保護(hù)定值整定計(jì)算、校核及與系統(tǒng)保護(hù)的配合關(guān)系。整定單位出具正式定值通知單簽字蓋章件，經(jīng)電站繼電保護(hù)專業(yè)技術(shù)人員審核正確后簽字蓋公司行政章，對定值單實(shí)行雙簽字雙蓋章，確保定值正確；正式定值通知單和電站簽字蓋章后的現(xiàn)場打印裝置定值清單一并報(bào)調(diào)度電源中心處審核通過、備案；最后在網(wǎng)源管理平臺填報(bào)定值和相關(guān)資料，并完成簽字審核。另外還需向繼保處報(bào)送更新后的電站信息匯總表、二次設(shè)備信息匯總表設(shè)備臺賬管理資料。線下備案和線上備案必須全部提交完成并通過審核，才能進(jìn)入相關(guān)新設(shè)備投運(yùn)流程。

(2) 所有保護(hù)用電流回路在投入運(yùn)行前，除應(yīng)在負(fù)荷電流滿足電流互感器精度和測量表計(jì)精度的條件下測定變比、極性以及電流和電壓回路相位關(guān)系正確外，還必須測量各中性線的不平衡電流或電壓，以保證保護(hù)裝置和二次回路接線的正確性。

(3) 新保護(hù)裝置必須滿足網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)定方可接入二次設(shè)備在線監(jiān)視與分析系統(tǒng)。保護(hù)裝置通過電站保信子站與調(diào)度保信主站、四方備站、澤鑫備站聯(lián)調(diào)合格，核對上送的模擬量、開關(guān)量信號。

(4) 按定值通知單整定1號變壓器保護(hù)定值，并對所有保護(hù)進(jìn)行合格檢驗(yàn)。進(jìn)行所有保護(hù)整組試驗(yàn)時，應(yīng)按規(guī)程要求把各套保護(hù)裝置串接在一起進(jìn)行，按相關(guān)規(guī)程要求，檢驗(yàn)同一間隔內(nèi)所有保護(hù)之間的相互配合關(guān)系，并模擬故障檢查保護(hù)與硬(軟)壓板的唯一對應(yīng)關(guān)系，避免有寄生回路存在。失靈判據(jù)由兩套母線保護(hù)實(shí)現(xiàn)，整個站內(nèi)所有支路的啟失靈都應(yīng)滿足一一對應(yīng)原則。

(5) 及時通知繼電保護(hù)專項(xiàng)技術(shù)監(jiān)督單位入場，開展繼電保護(hù)入網(wǎng)投運(yùn)前的繼電保護(hù)技術(shù)監(jiān)督工作，通過檢查及時發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)方面存在的各種隱患并消除，防止繼電保護(hù)事故的發(fā)生，保證入網(wǎng)設(shè)備的安全，提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。及時提供1號變壓器繼電保護(hù)專項(xiàng)檢查報(bào)告，報(bào)調(diào)度繼保處審核、備案。

(6) 完成改造后的1號變壓器保護(hù)裝置通過公司三級驗(yàn)收合格。在保護(hù)裝置投運(yùn)時認(rèn)真編寫繼電保護(hù)啟動方案，做好事故預(yù)想，確保變壓器故障能夠可靠切除。在一次設(shè)備送電后，對保護(hù)裝置進(jìn)行相量檢查確保幅值、相位正確無誤。

為了盡量縮短停電時間，確保項(xiàng)目質(zhì)量，需要充分做好前期準(zhǔn)備工作。熟悉圖紙及廠家說明書、現(xiàn)場環(huán)境、安裝及調(diào)試工作內(nèi)容，做好危險點(diǎn)分析和預(yù)控。編制1號變壓器保護(hù)裝置改造項(xiàng)目《工作方案》《標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書》《疫情防控方案》《應(yīng)急預(yù)案》《質(zhì)檢卡》及工作票、二次工作安全措施票。人員配置合理、充足，安排2名繼電保護(hù)專業(yè)技術(shù)人員和2名二次專業(yè)配線工入場施工，加強(qiáng)現(xiàn)場人員相互溝通，保證保護(hù)裝置改造工作的順利推進(jìn)，避免多個工作面交叉作業(yè)帶來的風(fēng)險。過程管理到位，嚴(yán)格按照質(zhì)檢點(diǎn)要求進(jìn)行監(jiān)理和驗(yàn)收。

大金坪1號變壓器保護(hù)改造于2021-03-20開工，24日順利竣工，工期為5天，項(xiàng)目評價為優(yōu)秀，并按計(jì)劃如期投入運(yùn)行。

5 結(jié)論

上述改造采用了滿足國家電網(wǎng)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)、反措要求的新型變壓器保護(hù)裝置，構(gòu)建了可靠性、速動性、選擇性、靈敏性更好的變壓器保護(hù)，滿足現(xiàn)場運(yùn)行條件和電網(wǎng)安全運(yùn)行規(guī)定，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。結(jié)合上述實(shí)踐，研究了變壓器保護(hù)技術(shù)改造的必要性、改造策略、技術(shù)創(chuàng)新及保護(hù)改造需要解決的重點(diǎn)問題，以期對電力系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)改造提供借鑒。