蒲石河抽水蓄能電站電氣二次設計

鄭光偉，張全勝，牛聚山，楊光華，李 軍，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機電設備采購首次打破了之前完全依賴國外廠商成套供貨的局面，主機、主變、GIS設備、GCB、500 kV高壓電纜等主要機電設備，發變組繼電保護裝置、全廠計算機監控系統等主要二次設備，均為單獨招標采購。分散的招標采購方式。有利于節約設備投資，但不同廠商設備接口間的協調變得十分復雜。如何以計算機監控系統為核心，將不同功能的設備連接起來，形成信息暢通、動作協調、保護完善、運行可靠的現代化電站，對電氣二次設計提出了新挑戰，在實現這個目標的過程中，形成了蒲石河電氣二次設計的新特點。

1 計算機監控系統

1.1 監控系統的選擇

抽水蓄能電站工況轉換復雜，啟停頻繁，輸入輸出信息量大，一直以來我國大型抽水蓄能電站的監控系統均由國外主機廠商成套供貨。

經過調查研究，總結抽水蓄能電站采用國外計算機監控系統的經驗和教訓，針對國外監控系統在關鍵技術、備品備件、安裝調試存在的問題，結合蒲石河機電設備分散招標采購的特點，提出監控系統單獨招標，并大膽采用了南瑞集團公司研制的以MB80智能可編程控制器為核心的EC-2000監控系統。采用南瑞監控系統最大的優勢是接口協調比較容易，經過精心研究監控系統配置和功能，研究被控對象的監控要求，通信接口方案。優化輸入、輸出信息的內容及數量，并審查了阿爾斯通主機控制流程，根據主變、GIS設備、廠用設備、公用設備的監控要求，提出了蒲石河電站監控策略和控制流程。如主變空載供水泵控制策略；4臺中壓空壓機隨9臺中壓儲氣罐壓力變化啟停控制策略；斷路器、隔離刀閘、接地刀閘的控制及閉鎖策略；機組測溫元件報警、跳閘判別策略等。

蒲石河電站4號機組經過安裝調試，順利投產發電。國產化監控系統接口能力強、編程靈活、人機界面友好。降低了監控系統設備投資和維護成本，促進了民族工業的發展。

1.2 監控系統測溫方案

阿爾斯通要求機組所有RTD測溫點都作用于跳閘、停機，總數近百點，超過國內廠商數倍。擴大參與跳閘的RTD點數，對于保證機組安全運行有利，但同時也增加了誤動的幾率。為了防止RTD誤跳閘，國內廠商曾采用過一些措施，但都存在某些不足，例如 “3取2”判斷法，不適用于測點少的部位； “延時濾波”法會使保護的實時性變差； “升溫速率限值”及 “合理上限值判斷”需要根據運行經驗確定限值。

圖1 4號機組下導瓦5號RTD測溫曲線

圖1為蒲石河2011年12月15日4號發電電動機下導軸瓦5號測溫電阻的溫度變化曲線。該RTD測溫電阻由于引線接觸不良，電阻呈脈沖變化態，既不是短路，也不是斷線，監控檢測到的溫度值最高達252.9℃，越限時間可達數分鐘，測控裝置的RTD斷線閉鎖措施和延時濾波都毫無作用；測溫曲線有時剛好超過跳閘限值，合理上限值判斷法不起作用。為此，我們提出 “動態上升率”防止溫度躍變的判斷法，表達式為： （當前溫度-4 s前溫度）＜（2 s前溫度-6 s前溫度）*3+0.5）。該邏輯為 “每4 s的溫度爬升率小于2 s之前的溫度爬升率的3倍”。也就是說，監控系統總是不斷以當前溫度上升率（相對前4 s）與前2 s溫度上升率 （相對前6 s）相比較，如果超過一定限值 （例如3倍），則判為錯誤信息，立即閉鎖該點輸出，報警。直到機組停下后退出閉鎖。如果同一點多次發生溫度爬升率異常升高的情況，可考慮對該點進行檢修。該方案優點是上升率的限值是動態的，軸瓦故障時，即使測點溫升很快也不會被閉鎖，直至報警、跳閘；若測點本體故障，即使溫度在報警線以下，只要檢測到變化率不正常，就可將測點退出。 “動態上升率”建模編程投入后，效果很好。

2 勵磁系統

2.1 勵磁整流裝置優化

蒲石河勵磁系統由外商阿爾斯通供貨。勵磁裝置是保障發電電動機安全可靠運行的重要部件之一，近年來，國外引進的勵磁系統時有嚴重故障發生，造成重大損失。由于國內與國外廠商對勵磁裝置參數設計有一定差異，為保證蒲石河電站發電電動機可靠運行，我們按照國內相關標準和計算方法對勵磁變壓器、交直流斷路器、整流元件、滅磁電阻等關鍵設備的參數進行計算復核。發現勵磁整流裝置選用平均導通電流為1 350 A的晶閘管容量偏小，當一橋故障退出時不能滿足勵磁系統強勵運行的要求。經與阿爾斯通交涉后，將晶閘管改為BISD-210H，平均導通電流為2 115 A，滿足運行需要。

2.2 磁場斷路器選擇

經計算勵磁斷路器開斷弧壓不能滿足運行要求，原因是ALSTOM在選擇磁場斷路器常開接點最大斷開電壓時，沒有考慮發電機空載誤強勵中勵磁整流裝置可能輸出的高電壓。勵磁事故分析發現：電機空載誤強勵機端電壓升到1.5倍額定值，并考慮峰值，勵磁整流裝置失控誤強勵輸出勵磁電壓峰值

勵磁整流裝置輸出誤強勵勵磁電流值是3倍額定勵磁電流值，即

滅磁初瞬向SiC滅磁電阻立即轉移上述全部勵磁電流所需要的轉子反向電壓

式中，C為系數，應采用最大值，這里取ALSTOM計算式中的C值194.33。按“ANSI/IEEE C37.18標準”要求的磁場斷路器的最大遮斷電壓即最大斷流弧壓UbNm≥Urm＋Edmp， 即 UbNm≥1 636+1 222=2 858 V。

但實際上，阿爾斯通為蒲石河發電電動機選用的磁場斷路器CEX71-2000是2極跳閘，最大遮斷電壓UbNm為1 200/1 500 V，遠小于應有值2 858 V，安全裕度系數 k2=（1 200/1 500）÷2 858=0.420/0.525。而且，最大遮斷電壓1 500 V，還小于勵磁整流裝置失控誤強勵時SiC滅磁電阻上通過3倍額定勵磁電流值時的電壓峰值1 636 V，也就是說發生這種嚴重事故滅磁初瞬，在較長時間內轉子電壓不能反向使磁場斷路器觸頭中的勵磁電流快速轉移到SiC電阻中去，很可能會發生燒毀磁場斷路器甚至整套勵磁盤的可能，顯然這是十分不安全的。經與阿爾斯通供貨商溝通，將蒲石河機組磁場斷路器改為CEX06-2000-4.2，開斷電壓為3 000 V，滿足機組各種工況安全運行要求。

3 發電電動機繼電保護控制邏輯回路的改進

3.1 繼電保護運行工況邏輯的設計

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、需要不同的定值，以及不同的保護跳閘輸出。目前傳統的做法是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入和閉鎖功能。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，而監控系統很難滿足這一要求。為使繼電保護不依賴監控獨立運行，蒲石河抽水蓄能電站與西門子公司合作，利用供貨的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Q0、被拖動開關Q91、拖動開關Q92、換相開關Q9、短路開關Q6、中性點接地開關QE、導葉位置開關等狀態信號，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。圖2是幾種工況的邏輯關系式，圖中所定義的工況可能不完全反映機組實際工況，但能夠涵蓋機組的運行工況，裝置用于投入或閉鎖保護，運行準確無誤，簡單、可靠、實用。圖3是利用上述工況設計的保護投入或閉鎖邏輯圖。

圖2 工況條件邏輯圖

3.2 水泵啟動工況繼電保護跳閘邏輯改進

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，連接兩臺機組的斷路器因低頻閉鎖不能分閘，如果單獨分開一臺發電機的磁場斷路器，又會造成發電電動機失磁，為此，我們考慮用同時啟動兩臺機保護跳閘矩陣，使兩臺機磁場斷路器同時跳閘滅磁，隨即使兩臺機解列。

圖3 保護投入或閉鎖邏輯圖

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，硬接跳閘邏輯將十分復雜。我們與西門子公司合作，利用保護裝置的跳閘矩陣及機組LCU功能，設計了一套簡易控制回路，動作邏輯接線如圖4所示：該方案的基本思路是機組繼電保護屏增加1個低頻保護出口繼電器，該繼電器4付常開接點分別與機組LCU的4個開出接點串聯。當機組背靠背啟動時，機組LCU可通過“開出”接點預先將本機保護輸出繼電器與對側保護跳閘矩陣溝通。背靠背啟動過程中發生事故，保護輸出繼電器動作，可使預先溝通的兩個對象同跳閘；同樣，對側機組LCU也將保護輸出繼電器與本側保護跳閘矩陣溝通。任何一側事故或兩側事故，都能將兩側可靠跳開。該方案還可用于SFC拖動工況事故跳閘，同時解決了低頻啟動時機械保護跳閘的難題。簡化了二次接線。

圖4 4號機組低頻啟動工況下保護跳閘邏輯圖

4 四合一廠用電保護測控、可編程備自投裝置應用

蒲石河廠用電采用10、0.4 kV兩級電壓，系統接線復雜。廠用電保護測控采用具有遙信、遙測、遙控及保護功能的四合一保護測控一體化裝置，分散布置在配電柜上，通過100 Mb光纖連接到保護管理機，再與全廠監控系統接口。與常規硬接線連接方案相比，全廠計算機監控系統節約幾十臺多功能表；節約上百個開關量輸入通道和幾十個開關量輸出通道；節約了大量保護、控制、信號電纜。

蒲石河廠用電3段10 kV廠用母線；4段0.4 kV自用電母線；4段0.4 kV公用電母線。之間的備自投關系十分復雜，運行方式多達十幾種。用微機備自投裝置難以滿足備自投功能，因此采用法國施耐德公司可編程序控制器，實現可編程序備用電自動投入控制。實現各種工況下10 kV三段母線、0.4 kV四段母線備自投；實現10 kV母線、0.4 kV母線上下級之間的合理配合，正確投入；當10 kV三個電源完全消失時，可編程序備投裝置能自動切除10 kV母線、0.4 kV母線上的次要負荷斷路器，保留全廠重要負荷及黑啟動機組負荷斷路器，然后向監控系統發信號，自動啟動800 kW柴油發電機組，逐級恢復廠用電源，保證全廠重要負荷及黑啟動機組的供電。

5 蓄電池容量選擇

由于抽水蓄能電站控制系統對供電可靠性要求較高，又由于抽水蓄能電站通常具有黑啟動功能，蒲石河抽水蓄能電站主廠房蓄電池的容量最初選為4.32×106C （1 200 A·h）。 施工設計中， 遵照 DL/T 50044—2004《電力工程直流系統設計技術規程》，對直流設備參數進行了計算。對直流負荷進行統計分析時，我們發現：微機型控制保護裝置耗電量僅是電磁式的幾分之一，經常負荷電流很小；新型斷路器采用電動機儲能，合分閘操作電流都較小；由于電氣一次增加了柴油發電機組及專用事故照明裝置，事故放電負荷主要是為控制、儀表、計算機工作站供電的逆變電源設備，事故放電容量不大。隨機放電容量主要是機組黑啟動所需直流潤滑油泵電機電源 （7.5 kW降壓啟動）、勵磁系統啟勵電源（100 A）。我們使用 “電壓控制法”及 “階梯計算法”對蓄電池容量進行計算。計算出的蓄電池容量遠小于4.32×106C （1 200 A·h）， 考慮必要的備用容量后， 最終確定取 2.88×106C （800 A·h）。