蒲石河抽水蓄能電站發(fā)變組繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

楊光華，欒德艷，常 穎，彭 倞

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

蒲石河抽水蓄能電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量300 MW的水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，總裝機(jī)容量1 200 MW，出線電壓等級(jí)500 kV。發(fā)電機(jī)與主變壓器之間的連接采用發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線方式，每2組單元在變壓器的高壓側(cè)聯(lián)合，以1回500 kV出線送至丹東北變電所。電站500 kV部分共裝設(shè)3組斷路器，構(gòu)成2進(jìn)1出三角形電氣主接線形式。首臺(tái)4號(hào)機(jī)組已于2011年12月30日完成了15天試運(yùn)行。

1 發(fā)變組保護(hù)配置

1.1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置

發(fā)電電動(dòng)機(jī)共配置A、B 2套保護(hù)，A套保護(hù)配置有：縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、軸電流保護(hù)、橫差保護(hù)、95%定子接地保護(hù)、過激勵(lì)保護(hù)、低電壓過流保護(hù)、失磁保護(hù)、失步保護(hù)、逆功率保護(hù)、過電壓保護(hù)、發(fā)電工況相序保護(hù)、發(fā)電工況負(fù)序過流保護(hù)、低頻保護(hù)、水泵工況負(fù)序過流保護(hù)、水泵工況低功率保護(hù)、次同步過流保護(hù)、水泵工況相序保護(hù)。B套保護(hù)配置有：縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)、橫差保護(hù)、100%定子接地保護(hù)、過激勵(lì)保護(hù)、低電壓過流保護(hù)、失磁保護(hù)、失步保護(hù)、逆功率保護(hù)、過電壓保護(hù)、發(fā)電工況相序保護(hù)、發(fā)電工況負(fù)序過流保護(hù)、低頻保護(hù)、水泵工況負(fù)序過流保護(hù)、水泵工況低功率保護(hù)、次同步過流保護(hù)、水泵工況相序保護(hù)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口斷路器失靈保護(hù)。

1.2 勵(lì)磁變壓器保護(hù)配置

勵(lì)磁變壓器共配置A、B 2套保護(hù)，A套保護(hù)為速斷保護(hù)，B套保護(hù)為過流保護(hù)。

1.3 主變壓器保護(hù)配置

主變壓器共配置A、B 2套保護(hù)。A套保護(hù)有：縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、過激勵(lì)保護(hù)、過流保護(hù)、零序電流保護(hù)、低壓側(cè)接地保護(hù)。B套保護(hù)有：縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、過激勵(lì)保護(hù)、過流保護(hù)、零序電流保護(hù)、低壓側(cè)接地保護(hù)。

變壓器本體保護(hù)包括：重瓦斯保護(hù)、輕瓦斯保護(hù)、溫度保護(hù)、壓力釋放裝置、冷卻系統(tǒng)保護(hù)、油位保護(hù)。變壓器本體保護(hù)的功能在主變壓器B套保護(hù)屏內(nèi)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主變A或B套微機(jī)保護(hù)退出后，非電量保護(hù)仍然能跳閘、停機(jī)、報(bào)警等。

2 發(fā)變組保護(hù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

2.1 雙重化配置

蒲石河發(fā)變組繼電保護(hù)裝置采用西門子公司的數(shù)字式微機(jī)保護(hù)。包括發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器、勵(lì)磁變的保護(hù)，采用雙重化配置。發(fā)電機(jī)保護(hù)兩面屏，分別裝有發(fā)電機(jī)的A、B套保護(hù)，各自獨(dú)立。變壓器保護(hù)兩面屏，分別裝有變壓器的A、B套保護(hù)，各自獨(dú)立。當(dāng)東北電網(wǎng)急需蒲石河擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和事故備用時(shí)，如果此時(shí)發(fā)電機(jī)的A（B）套保護(hù)或變壓器的A（B）套保護(hù)其中1套或2套同時(shí)故障需要退出時(shí)，只剩下的發(fā)電機(jī)的B（A）套保護(hù)和變壓器的B（A）套保護(hù)，機(jī)組仍可以有保護(hù)允許短期繼續(xù)運(yùn)行。如果此時(shí)發(fā)電機(jī)的B（A）套保護(hù)或變壓器的B（A）套保護(hù)其中一套或兩套同時(shí)有故障需要退出時(shí)，只剩下的發(fā)電機(jī)的A（B）套保護(hù)和變壓器的A（B）套保護(hù)，機(jī)組仍然可以有保護(hù)允許短期繼續(xù)運(yùn)行。真正實(shí)現(xiàn)了雙重化。

2.2 高可靠性的軟件切換

與常規(guī)機(jī)組保護(hù)相比，抽水蓄能機(jī)組的保護(hù)要考慮換相和低頻特性。利用軟件切換方便的特點(diǎn)，按照不同工況，投入、切除、閉鎖保護(hù)。

2.3 兩套定子接地的投切情況

定子接地采用外加20 Hz電源的保護(hù)。在機(jī)組的啟動(dòng)過程中，兩套定子接地保護(hù)之間按如下順序配合：0～10 Hz時(shí)A套95%定子接地保護(hù)自動(dòng)退出，B套100%定子接地保護(hù)自動(dòng)投入；10～40 Hz時(shí)A套95%定子接地保護(hù)自動(dòng)投入，B套100%定子接地保護(hù)自動(dòng)退出；40～50 Hz時(shí)A、B兩套定子接地保護(hù)均自動(dòng)投入，保護(hù)整個(gè)定子繞組范圍。

2.4 保護(hù)不依賴監(jiān)控而獨(dú)立運(yùn)行

抽水蓄能電站運(yùn)行工況復(fù)雜，不同運(yùn)行工況需要配置不同的繼電保護(hù)、不同的定值以及不同的保護(hù)跳閘輸出。蒲石河抽水蓄能電站發(fā)變組保護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)以下2個(gè)方案進(jìn)行了研究。

（1）方案一。由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供運(yùn)行工況條件或外部搭接邏輯實(shí)現(xiàn)保護(hù)投退功能。由于繼電保護(hù)對(duì)可靠性的要求遠(yuǎn)大于監(jiān)控系統(tǒng)，在事故情況下，需要繼電保護(hù)100%可靠動(dòng)作，而計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)很難滿足這一要求。

（2）方案二。發(fā)變組保護(hù)不依賴監(jiān)控而獨(dú)立運(yùn)行。為使繼電保護(hù)不依賴監(jiān)控而獨(dú)立運(yùn)行，我們利用西門子供貨的 7UT613，7UM622，7UT635，7UM612等保護(hù)裝置本身具有的開關(guān)量輸入通道及邏輯編程功能，將發(fā)電機(jī)出口斷路器、拖動(dòng)開關(guān)、被拖動(dòng)開關(guān)、換相開關(guān)、短路開關(guān)、中性點(diǎn)接地開關(guān)、導(dǎo)葉位置開關(guān)等開關(guān)量信號(hào)，經(jīng)過邏輯組合，編制出抽水運(yùn)行工況、抽水調(diào)相工況、發(fā)電運(yùn)行工況、發(fā)電調(diào)相工況、電氣制動(dòng)工況、抽水起動(dòng)工況等，這些工況可能不完全符合機(jī)組實(shí)際工況，但能夠涵蓋機(jī)組的運(yùn)行工況，簡單、可靠、實(shí)用。當(dāng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)故障時(shí)，發(fā)變組保護(hù)仍能獨(dú)立運(yùn)行。

經(jīng)研究，設(shè)計(jì)最終采用方案二，蒲石河發(fā)變組保護(hù)能夠不依賴監(jiān)控而獨(dú)立運(yùn)行，增加了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

3 現(xiàn)場調(diào)試中遇到的問題

3.1 背靠背起動(dòng)過程事故處理

發(fā)電機(jī)在背靠背啟動(dòng)過程中發(fā)生故障時(shí)，由于處于低頻狀態(tài)，連接2臺(tái)機(jī)組的斷路器不能分閘。當(dāng)頻率低于20 Hz時(shí)，如果分開機(jī)組出口的斷路器，就會(huì)燒毀該斷路器。如果單獨(dú)分開一臺(tái)發(fā)電機(jī)的磁場斷路器，又會(huì)造成發(fā)電機(jī)失磁，為此，我們考慮同時(shí)跳開兩臺(tái)機(jī)的磁場斷路器的方法，既可以跳閘滅磁，又不會(huì)擴(kuò)大事故。要保證兩臺(tái)機(jī)的磁場斷路器同時(shí)跳開，這就需要通過硬接線下發(fā)跳閘命令。由于兩臺(tái)機(jī)組背靠背啟動(dòng)時(shí)，拖動(dòng)、被拖動(dòng)組合較多，硬接線跳閘邏輯將十分復(fù)雜。設(shè)計(jì)單位與西門子公司合作，利用保護(hù)裝置的跳閘矩陣，增加背靠背跳閘條件，由監(jiān)控預(yù)先溝通跳閘通道，一旦發(fā)生故障，可立即將拖動(dòng)、被拖動(dòng)機(jī)組同時(shí)跳閘滅磁。該方案具有接線簡單、可靠，可在其他抽水蓄能工程的發(fā)變組保護(hù)中應(yīng)用。

3.2 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)選擇

在現(xiàn)場調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)變組的供貨商西門子公司和勵(lì)磁系統(tǒng)的供貨商阿爾斯通公司分別提供了一套轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。

阿爾斯通公司成套供貨的MX3IPG2A轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，經(jīng)查該保護(hù)裝置接地電阻設(shè)置值為0.2～4 kΩ。根據(jù)DL/T 5177—2003《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)導(dǎo)則》中 “保護(hù)裝置的靈敏度不宜低于10～20 kΩ”。設(shè)計(jì)單位認(rèn)為阿爾斯通勵(lì)磁屏成套供貨的MX3IPG2A轉(zhuǎn)子接地保護(hù)定值靈敏度不能滿足我國繼電保護(hù)整定要求。

西門子公司提供的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，采用了西門子公司獨(dú)特的1～3 Hz低頻方波注入式原理，靈敏度高達(dá)80 kΩ。保護(hù)能連續(xù)不斷地監(jiān)測勵(lì)磁繞組的對(duì)地絕緣值。可有效消除大型機(jī)組轉(zhuǎn)子回路對(duì)地電容對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響；可有效消除勵(lì)磁電壓變化對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響；可有效消除勵(lì)磁回路高次諧波 (主要為300 Hz)對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響；可不受機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的影響，在停機(jī)的過程中依然有效。

因此，最終選用了西門子轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置，取消了阿爾斯通勵(lì)磁屏成套供貨的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置。

3.3 有關(guān)定子接地保護(hù)正確動(dòng)作的分析

在SFC拖動(dòng)4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)組的啟動(dòng)過程中，多次發(fā)生100%定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘、停機(jī)。經(jīng)現(xiàn)場測量，4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)組的定子阻值大于整定值，定子的絕緣情況良好。但SFC裝置回路，在啟動(dòng)初期0～5 Hz時(shí)阻值小于定子接地的整定值，因此100%定子接地保護(hù)動(dòng)作是正確的，說明SFC裝置回路的絕緣阻值不合格。

由于SFC的供貨商沒有即時(shí)查出SFC裝置接地的原因，為不影響水泵工況調(diào)試的直線工期，設(shè)計(jì)單位采用臨時(shí)措施，在0～5 Hz時(shí)閉鎖100%定子接地保護(hù)的跳閘，仍保留報(bào)警功能。確保SFC成功拖動(dòng)4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，向上庫抽水。隨后SFC供貨商查出SFC裝置接地的原因是輸入變的星形繞組的中性點(diǎn)不正確接地，因此現(xiàn)場取消當(dāng)0～5 Hz時(shí)閉鎖100%定子接地保護(hù)跳閘的臨時(shí)措施。

西門子的定子接地保護(hù)，在線監(jiān)測定子回路的阻值，在SFC拖動(dòng)4號(hào)機(jī)組的調(diào)試工程中，起到了監(jiān)測報(bào)警的作用。

3.4 增加控保屏下的銅帶接地

蒲石河的洞口中控樓、副廠房13.20 m高程、發(fā)電機(jī)層、地下GIS室、地面500 kV開關(guān)站控保屏當(dāng)初沒有設(shè)銅帶接地。在此之前，我院常規(guī)電站及蓄能電站控保屏也沒有設(shè)銅帶接地。經(jīng)調(diào)研其他工程的安全鑒定經(jīng)驗(yàn)及參考專家意見，結(jié)合蒲石河部分地方已經(jīng)施工完畢的情況，在施工過程中，將上述地點(diǎn)的控保屏增加了銅帶接地，增加了發(fā)變組繼電保護(hù)裝置和其他保護(hù)裝置的抗電磁干擾的能力。