蒲石河抽水蓄能電站發變組繼電保護的設計及特點

楊光華，欒德艷，常 穎，彭 倞

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，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臺單機容量300 MW的水泵水輪機—發電電動機組，總裝機容量1 200 MW，出線電壓等級500 kV。發電機與主變壓器之間的連接采用發電機-變壓器單元接線方式，每2組單元在變壓器的高壓側聯合，以1回500 kV出線送至丹東北變電所。電站500 kV部分共裝設3組斷路器，構成2進1出三角形電氣主接線形式。首臺4號機組已于2011年12月30日完成了15天試運行。

1 發變組保護配置

1.1 發電電動機保護配置

發電電動機共配置A、B 2套保護，A套保護配置有：縱聯差動保護、過負荷保護、軸電流保護、橫差保護、95%定子接地保護、過激勵保護、低電壓過流保護、失磁保護、失步保護、逆功率保護、過電壓保護、發電工況相序保護、發電工況負序過流保護、低頻保護、水泵工況負序過流保護、水泵工況低功率保護、次同步過流保護、水泵工況相序保護。B套保護配置有：縱聯差動保護、過負荷保護、轉子一點接地保護、橫差保護、100%定子接地保護、過激勵保護、低電壓過流保護、失磁保護、失步保護、逆功率保護、過電壓保護、發電工況相序保護、發電工況負序過流保護、低頻保護、水泵工況負序過流保護、水泵工況低功率保護、次同步過流保護、水泵工況相序保護、發電電動機出口斷路器失靈保護。

1.2 勵磁變壓器保護配置

勵磁變壓器共配置A、B 2套保護，A套保護為速斷保護，B套保護為過流保護。

1.3 主變壓器保護配置

主變壓器共配置A、B 2套保護。A套保護有：縱聯差動保護、過激勵保護、過流保護、零序電流保護、低壓側接地保護。B套保護有：縱聯差動保護、過激勵保護、過流保護、零序電流保護、低壓側接地保護。

變壓器本體保護包括：重瓦斯保護、輕瓦斯保護、溫度保護、壓力釋放裝置、冷卻系統保護、油位保護。變壓器本體保護的功能在主變壓器B套保護屏內實現。當主變A或B套微機保護退出后，非電量保護仍然能跳閘、停機、報警等。

2 發變組保護設計的特點

2.1 雙重化配置

蒲石河發變組繼電保護裝置采用西門子公司的數字式微機保護。包括發電電動機和主變壓器、勵磁變的保護，采用雙重化配置。發電機保護兩面屏，分別裝有發電機的A、B套保護，各自獨立。變壓器保護兩面屏，分別裝有變壓器的A、B套保護，各自獨立。當東北電網急需蒲石河擔任調峰、填谷、調頻和事故備用時，如果此時發電機的A（B）套保護或變壓器的A（B）套保護其中1套或2套同時故障需要退出時，只剩下的發電機的B（A）套保護和變壓器的B（A）套保護，機組仍可以有保護允許短期繼續運行。如果此時發電機的B（A）套保護或變壓器的B（A）套保護其中一套或兩套同時有故障需要退出時，只剩下的發電機的A（B）套保護和變壓器的A（B）套保護，機組仍然可以有保護允許短期繼續運行。真正實現了雙重化。

2.2 高可靠性的軟件切換

與常規機組保護相比，抽水蓄能機組的保護要考慮換相和低頻特性。利用軟件切換方便的特點，按照不同工況，投入、切除、閉鎖保護。

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。在機組的啟動過程中，兩套定子接地保護之間按如下順序配合：0～10 Hz時A套95%定子接地保護自動退出，B套100%定子接地保護自動投入；10～40 Hz時A套95%定子接地保護自動投入，B套100%定子接地保護自動退出；40～50 Hz時A、B兩套定子接地保護均自動投入，保護整個定子繞組范圍。

2.4 保護不依賴監控而獨立運行

抽水蓄能電站運行工況復雜，不同運行工況需要配置不同的繼電保護、不同的定值以及不同的保護跳閘輸出。蒲石河抽水蓄能電站發變組保護設計對以下2個方案進行了研究。

（1）方案一。由計算機監控系統提供運行工況條件或外部搭接邏輯實現保護投退功能。由于繼電保護對可靠性的要求遠大于監控系統，在事故情況下，需要繼電保護100%可靠動作，而計算機監控系統很難滿足這一要求。

（2）方案二。發變組保護不依賴監控而獨立運行。為使繼電保護不依賴監控而獨立運行，我們利用西門子供貨的 7UT613，7UM622，7UT635，7UM612等保護裝置本身具有的開關量輸入通道及邏輯編程功能，將發電機出口斷路器、拖動開關、被拖動開關、換相開關、短路開關、中性點接地開關、導葉位置開關等開關量信號，經過邏輯組合，編制出抽水運行工況、抽水調相工況、發電運行工況、發電調相工況、電氣制動工況、抽水起動工況等，這些工況可能不完全符合機組實際工況，但能夠涵蓋機組的運行工況，簡單、可靠、實用。當計算機監控系統故障時，發變組保護仍能獨立運行。

經研究，設計最終采用方案二，蒲石河發變組保護能夠不依賴監控而獨立運行，增加了機組運行的可靠性。

3 現場調試中遇到的問題

3.1 背靠背起動過程事故處理

發電機在背靠背啟動過程中發生故障時，由于處于低頻狀態，連接2臺機組的斷路器不能分閘。當頻率低于20 Hz時，如果分開機組出口的斷路器，就會燒毀該斷路器。如果單獨分開一臺發電機的磁場斷路器，又會造成發電機失磁，為此，我們考慮同時跳開兩臺機的磁場斷路器的方法，既可以跳閘滅磁，又不會擴大事故。要保證兩臺機的磁場斷路器同時跳開，這就需要通過硬接線下發跳閘命令。由于兩臺機組背靠背啟動時，拖動、被拖動組合較多，硬接線跳閘邏輯將十分復雜。設計單位與西門子公司合作，利用保護裝置的跳閘矩陣，增加背靠背跳閘條件，由監控預先溝通跳閘通道，一旦發生故障，可立即將拖動、被拖動機組同時跳閘滅磁。該方案具有接線簡單、可靠，可在其他抽水蓄能工程的發變組保護中應用。

3.2 轉子一點接地保護選擇

在現場調試過程中，發現發變組的供貨商西門子公司和勵磁系統的供貨商阿爾斯通公司分別提供了一套轉子一點接地保護。

阿爾斯通公司成套供貨的MX3IPG2A轉子接地保護，經查該保護裝置接地電阻設置值為0.2～4 kΩ。根據DL/T 5177—2003《水力發電廠繼電保護導則》中 “保護裝置的靈敏度不宜低于10～20 kΩ”。設計單位認為阿爾斯通勵磁屏成套供貨的MX3IPG2A轉子接地保護定值靈敏度不能滿足我國繼電保護整定要求。

西門子公司提供的轉子一點接地保護，采用了西門子公司獨特的1～3 Hz低頻方波注入式原理，靈敏度高達80 kΩ。保護能連續不斷地監測勵磁繞組的對地絕緣值。可有效消除大型機組轉子回路對地電容對轉子接地保護的影響；可有效消除勵磁電壓變化對轉子接地保護的影響；可有效消除勵磁回路高次諧波 (主要為300 Hz)對轉子接地保護的影響；可不受機組運行狀態的影響，在停機的過程中依然有效。

因此，最終選用了西門子轉子一點接地保護裝置，取消了阿爾斯通勵磁屏成套供貨的轉子一點接地保護裝置。

3.3 有關定子接地保護正確動作的分析

在SFC拖動4號發電電動機組的啟動過程中，多次發生100%定子接地保護動作跳閘、停機。經現場測量，4號發電電動機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，在啟動初期0～5 Hz時阻值小于定子接地的整定值，因此100%定子接地保護動作是正確的，說明SFC裝置回路的絕緣阻值不合格。

由于SFC的供貨商沒有即時查出SFC裝置接地的原因，為不影響水泵工況調試的直線工期，設計單位采用臨時措施，在0～5 Hz時閉鎖100%定子接地保護的跳閘，仍保留報警功能。確保SFC成功拖動4號發電電動機組，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不正確接地，因此現場取消當0～5 Hz時閉鎖100%定子接地保護跳閘的臨時措施。

西門子的定子接地保護，在線監測定子回路的阻值，在SFC拖動4號機組的調試工程中，起到了監測報警的作用。

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、發電機層、地下GIS室、地面500 kV開關站控保屏當初沒有設銅帶接地。在此之前，我院常規電站及蓄能電站控保屏也沒有設銅帶接地。經調研其他工程的安全鑒定經驗及參考專家意見，結合蒲石河部分地方已經施工完畢的情況，在施工過程中，將上述地點的控保屏增加了銅帶接地，增加了發變組繼電保護裝置和其他保護裝置的抗電磁干擾的能力。