小型水電站廠用變保護的分析與設計

古樹平

摘 要：小型水電站的一次系統設備一般要求簡單經濟，但給二次系統的設計帶來挑戰。小型水電站廠用變高壓側多采用限流熔斷器加負荷開關的配置模式，其繼電保護設計尤為重要，文章分析了廠用變保護的動作邏輯并提出了設計思路。

關鍵詞：廠用變；繼電保護；動作邏輯

中圖分類號： TM77 文獻標識碼： B 文章編號： 1673-1069（2016）36-169-2

0 引言

小型水電站的建設追求投資省見效快，對于電氣系統，一次設備一般選擇成熟可靠、經濟實惠的產品。但對于二次設備，其配置需根據一次設備的情況具體分析與設計，從而尋求合適的保護方案。小型水電站廠用變從發電機機端取電，其高壓側一般采用限流熔斷加負荷開關的組合，不需配置斷路器，節省了設備投資。廠用變保護是提高供電可靠性、確保電站安全運行的關鍵，其保護方案的設計需考慮諸多問題。

1 廠用電系統結構及運行方式

小型水電站機組為單元接線形式，其廠用電系統分為10kV和400V兩級，10kV為機端即廠用變高壓側電壓，400V為廠用變低壓側負荷母線電壓。廠用變高壓側通過限流熔斷器和負荷開關與發電機機端連接，低壓側通過開關與400V母線連接。廠用電系統的結構簡單明了，如圖1所示。

廠用電系統的運行方式為正常情況400V母線分兩段獨立運行，每段母線通過不同機組廠用變取電。當任一段母線失電時，400V備投裝置自動啟動，將分段開關合上，兩段母線并列運行，失電母線從另一機組的廠用變取電。

小型水電站廠用電的安全可靠運行尤為重要，廠用變保護的分析和設計需緊緊圍繞廠用電的結構和運行方式展開。

2 廠用變保護動作邏輯分析

廠用變保護的動作邏輯需根據不同部位的故障情況進行分析，應準確且完整。

①當廠用變高壓側發生短路故障時，由于配置了限流熔斷器，在短路電流過大時可自動熔斷切斷電路，由其形成保護并切除故障點。如果限流熔斷器未能熔斷并切除故障，則由發電機保護動作跳發電機，并跳開主變，此時停電范圍擴大。②當廠用變內部繞組發生短路故障時，由限流熔斷器切除故障。廠用變高壓側及內部故障時，限流熔斷器即為主保護，充當了電流速斷保護的功能。此外，即使配置了電流速斷保護，由于負荷開關不能開關大的短路電流，因此速斷保護不能跳開負荷開關。③當廠用變低壓側及400V母線發生短路故障時，廠用變保護動作，可一時限先行跳開400V分段斷路器，如果故障未能切除則二時限跳開廠用變低壓側400V斷路器。④當廠用變低壓側發生單相接地短路故障時，廠用變保護動作，與過流保護類似，一時限先行跳開400V分段斷路器，如果故障未能切除則二時限跳開廠用變低壓側400V斷路器。⑤當廠用變溫度升高時，廠用變非電量保護動作，延時發出報警信號，當溫度過高時，保護動作跳閘，跳開發電機和變壓器，同時跳開廠用變低壓側400V開關。

從以上分析可以看出，廠用變保護的動作邏輯復雜，需考慮各個可能的故障點，同時還需考慮與限流熔斷器及發電機保護的配合問題。

此外，廠用變高壓側既連接著發電機機端，也連接著主變低壓側。廠用變是否納入主變差動的保護范圍的問題需重點分析。

如果將廠用變納入主變差動保護范圍，即廠用變高壓側電流互感器不接入主變差動回路，表面上擴大了主變差動的保護范圍，但在廠用變低壓側發生短路故障而廠用變保護未能動作時，主變差動保護往往沒有靈敏性。同時，廠用變故障問題容易引起上一級主變差動保護動作，從而擴大了停電范圍，影響了保護的選擇性和可靠性。

反之，如果將廠用變排除在主變差動保護范圍外，即廠用變高壓側電流互感器接入主變差動回路，則主變差動只保護到廠用變高壓側。如此，廠用變保護與主變差動保護職責范圍清晰，廠用變故障不會輕易影響主變差動保護，為避免死區兩者在廠用變高壓側電流互感器的接入時可形成一定的交叉。

3 廠用變保護方案設計

根據上一節對廠用變保護動作邏輯的分析，進一步形成下列保護設計方案。

①廠用變不設置電流速斷保護，由限流熔斷器代替。②廠用變設置過電流保護，帶兩段時限，一時限跳開400V分斷開關，二時限跳開廠用變400V側開關。③廠用變設置低壓側零序過電流保護，帶兩段時限，一時限跳開400V分斷開關，二時限跳開廠用變400V側開關。④廠用變設置溫度保護，延時報警，必要時跳閘。⑤廠用變高壓側電流互感器接入主變差動回路。發電機保護充當廠用變遠后備保護。

上述廠用變的保護設計方案充分考慮了廠用變各個區域的故障問題，并兼顧了與發電機保護和主變差動保護的配合性，方案完整清晰。此外，利用限流熔斷器充當主保護，不需重復配置電流速斷保護，保護方案簡單可靠。

廠用變設計方案如圖2所示，零序保護需接入400V側零序互感器，圖中略。需要說明的是，圖中CT1和CT2均為裝設于廠用變高壓側電流互感器，一般裝設于開關柜內。兩者之間變比不同，接入主變差動保護回路的CT2變比更大，為保證差動保護性能，CT2應盡可能與發電機出口電流互感器同型。

對于CT2，如果選用與發電機出口同型的大變比互感器，在開關柜內有裝設困難時，則可適當降低變比，但不應使主變差動保護的平衡系數過大造成整定困難，具體變比可綜合短路電流計算結果和保護廠家整定值說明確定。CT1帶兩個繞組，一個為保護繞組用于過電流保護、過負荷保護等，另一個為測量繞組用于廠用變電流測量，其變比根據短路電流計算結果和廠用變額定電流確定。

4 廠用電設備配置建議

根據前面的論述，在廠用變高壓側采用限流熔斷器加負荷開關的配置時，可以找到合適且完整的保護方案，但一次設備的配置給保護方案的設計都帶來相當大的難度，給定值整定、時限配合也帶來一定的麻煩。此外，負荷開關無法開斷大的短路電流，因此保護無法直接跳開負荷開關，有時需要跳發電機出口斷路器來切除機組，甚至需要跳開主變高壓側斷路器，以完全切除故障，擴大了故障范圍，給電站帶來停電損失。因此，在進行廠用電設備選型配置時，除考慮設備經濟性外，也需要使保護方案盡可能簡單。在條件允許時，應選用能開斷大短路電流的斷路器。

5 結論

文章分析了小型水電站廠用電系統的結構和運行方式，在此基礎上對廠用變保護的動作邏輯和關鍵問題進行了深入分析，進而提出了完整可靠的保護設計方案，最后對廠用電系統的設備配置方案提出了建議。小型水電站廠用電的供電可靠性至關重要，繼電保護系統的合理配置和設計是確保水電站安全運行的關鍵。

參 考 文 獻

[1] 繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].中華人民共和國國家標準GB/T 14285—2006.

[2] 水力發電廠繼電保護設計規范[S].中國人民共和國能源行業標準NB/T 35010—2013.