淺述水電廠發電機、變壓器保護配置及與水機LCU的配合

摘 要：文章介紹了水電廠的一次主接線型式，發電機與變壓器的保護配置，繼電保護與水電廠現地控制單元的配合，最后對水電廠各種主接線優缺點做了簡要評介。

關健詞：水電廠；發電機；變壓器；保護配置；與LCU配合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.145

1 引言

隨著我國大力發展建設的同時，不可再生能源的消耗和短缺也逐步困擾著我國，正因為此，我國開始加大對環境及能源的保護，電力是我國現代化發展的龍頭，無論工業、農業及其它各行業對它都有很大的依賴，正因如此，發展電力也是我國中之重，電力的源頭發電行業分火力、水力、風力、太陽能，火力電廠依賴于煤，屬于不可再生能源消耗。風力、太陽能發電又對天氣環境有較大的依賴，而水力發電在我國西部又有相當大的優勢，因此，加快西部水力資源開發、實現西電東送，對于解決國民經濟發展中的能源短缺問題、改善生態環境、促進區域經濟的協調和可持續發展，無疑具有非常重要的意義。

發展水力發電的同時又使我們看到保障好水力發電系統成為重要前提，本文重點對水電廠中發電機、變壓器的保護配置作了詳細的介紹，以四川省涼山州木里縣境內的鴨嘴河跑馬坪水電廠為例，根據主接線圖詳述了各保護的配置及出口跳閘模式，我國只有少數的類似于三峽水電廠這樣的大型水電廠，大多數規模均較小，但又多數上電網，正基于此，研究配置好中小型水電廠，不僅更好的保證水電廠的安全，更為系統安全提供保障。以鴨嘴河跑馬坪水電廠作為典型介紹還是有一定的代表性的，該水電廠發電機采取一主一后配置，主變保護采用雙主雙后配置。在文章最后對發變組保護與水機LCU的配合作了各種分析，同時對水電廠的主要接線進行簡要的評價。

2 水電廠的分類及主接線及保護配置原則

水電廠主接線形式與火電廠主接線形式不太一樣，大多采用發電機-變壓器單元接線形式，由于水電廠發電機容量大多很小，單機容量25MW以下的發電機組稱為小型，25MW～250MW為中型，250MW以上為大型。通常水電廠均為幾十兆瓦，幾臺發電機出口帶斷路器后并接至出口母線上，再經變壓器升壓至35KV、110KV或220KV，所以對于水電廠發電機、變壓器保護是分開配置的，不像火電廠大都采用發電機-變壓器組方式進行按整套發變組保護模式配置，對于接入至220KV母線的主變采用雙套保護配置，對于大于100MW以上的發電機也均采用雙套保護，本文根據此著重講一下在四川涼州鴨嘴河跑馬坪水電廠的保護具體配置。

3 跑馬坪水電廠主接線

跑馬坪水電廠位于四川省涼山州木里縣境內的鴨嘴河上，為鴨嘴河的第三級水電站。電站總裝機容量120MW，采用引水式開發，裝設2臺單機容量為60MW、額定水頭600m的水斗式立軸水輪發電機組。升高電壓側采用220kV一級電壓。電氣主接線采用擴大單元+單母線接線，設置1臺額定容量為150MVA組合式三相雙卷升壓型無勵磁調壓銅芯電力變壓器，將發電機10.5kV電壓升壓至220kV電壓接入電力系統。

4 跑馬坪水電廠保護配置圖（見圖1）

5 跑馬坪水電廠保護配置介紹

5.1 發電機保護主要配置

電氣量主保護：發電機差動、橫差保護、失磁保護、定子接地保護。

電氣量后備保護：復合過電流、記憶過流、轉子一點接地保護、過電壓保護、定時限過負荷保護、反時限過負荷保護、過激磁保護、頻率異常保護、誤上電保護

非電量保護：勵磁系統故障、水機保護聯跳、緊急跳閘。

發電機差動保護取3CT和14CT，作為發電機內部故障的全線快速保護，動作于發電機全停；

發電機復合過電流和記憶過流保護取4CT。保護延時動作于發電機全停；

橫差保護取2CT，保護快速動作于發電機全停；

失磁保護設計為在大負荷失磁時，取4CT，在小負荷時取9CT，失磁保護動作于帶時限解列。

對于水輪機轉子一點接地采取發信方式。

過電壓保護采用機端PT，動作電壓取1.5倍額定電壓，保護動作于解列滅磁；

定時限過負荷保護采用4CT，保護帶時限動作于發信和減出力；

反時限過負荷保護采用4CT，反時限設下限段、反時限段、上限段，下限段為保護啟動值，當電流大于啟動值時，發電機開始熱累積，當電流小于啟動值時，發電機開始散熱過程。反時限段則根據反時限電流的大小進行出口動作時間不同，反時限電流越大，動作時間越短。 上限段為速斷段，即大于此電流保護無時限動作出口，保護帶時限動作于解列；

定子接地保護取機端PT開口三角電壓，保護動作全停（停機模式，不停主變）；

過激磁保護取機端PT電壓，利用電壓與頻率的比值作判據，保護作于解列滅磁，頻率異常保護分低頻和過頻兩種方式，保護動作于發信。

誤上電保護電流取自14CT和機端PT三相電壓，保護是為防止在發電機靜止時發生誤合閘操作，從系統向發電機定子繞組倒送大電流，在水輪機未旋轉時可能會燒毀定子繞組。其判據為機端斷路器由開到合，且保護受機端低頻元件和低壓元件開放，此誤上電保護在發電機退出時自動投入使用，保護本動作于解列；

發電機保護非電量保護均作于（停機模式，不停主變）。其中一組保護重動接點可接至水機緊急停機控制器用于關停水機及輔設備。

5.2 主變保護主要配置

電氣量主保護（雙套）：差動保護、零序電流保護、零壓閉鎖零流保護、電氣量后備保護（雙套）：高壓側復壓閉鎖過流保護、機端斷路器失靈保護、開入閉鎖過流保護、過激磁保護、低壓零壓保護、失靈聯跳保護；

非電量保護：重瓦斯跳閘、壓力高跳閘、油溫高跳閘、冷卻器全停跳閘、繞組溫度高跳閘、輕瓦斯發信、油溫高告警、繞組溫度高告警、油位高發信、油位低發信。

主變差動保護作為反應主變內部故障的快速保護，主變差動為三側，分別取自#2發電機機端10CT（11CT）主變高壓側18CT（19CT）和#1發電機機端10CT（11CT），由于主變低壓側廠變容量只有800KVA，而發電機的容量為60000KVA，相差較大，故廠變不再接入主變差動，差動保護動作于全停模式，即跳主變高壓側、啟動高壓側失靈保護、跳#2發電機機端斷路器、#2機停機、#2水機保護出口、跳#1發電機機端斷路器、#1機停機、#1水機保護出口、跳主變低壓側廠變。

高壓側復壓閉鎖過流保護取18CT（19CT），由于高壓側為220KV，主變保護采用雙主雙后配置，且高壓側差動與后備共用一組CT，保護動作同差動保護；

主變零流保護、零壓閉鎖零流保護動作均同于差動保護；

機端斷路器失靈保護電流取自2#機機端10CT（11CT）和1#機機端10CT（11CT），在發電機內部故障時，發電機保護動作跳機端斷路器，由于斷路器失靈拒動，此時發電機保護在跳機端斷路器的同時向主變保護中發出發電機保護動作信號，主變保護在判某臺發電機保護處于動作，但機端CT仍流有電流時，啟動機端斷路器失靈保護，動作于全停（主變差動模式），機端斷路器失靈保護延時應大于發電機所有保護最長的動作時間。

開入閉鎖過流保護取主變高壓側18CT（19CT），取#1機#2機機端斷路器常閉輔助觸點串聯后作為開放判據，此保護只在兩臺機均退出運行時，由主變倒送電給低壓側廠變時起作用，任一臺機運行或兩臺機運行，該保護自動退出，保護動作于跳主變高壓側，跳主變低壓側廠變。

過激磁保護按主變過激磁進行整定，保護動作于全停；低壓零壓保護作用于發信號；失靈保護聯跳電流取自18CT（19CT），主要功能為防止220KV母線保護動作跳主變高壓側開關時，主變高壓側開關失靈拒動，此時主變保護應在接到母線保護動作的同時再檢測高壓側電流大于有流定值，延時50MS進行全停。

主變非電量動作于跳閘的保護均作用于全停，但不啟動高壓側失靈保護。

5.3 發電機、變壓器等繼電保護與水機LCU的配合

水電廠發電機、變壓器等電氣保護及非電量保護等均需與水電機組LCU配合， LCU是指水電廠現地控制單元。LCU分為機組LCU和公共LCU，機組LCU主要功能是實現機組開停機順序控制，機組事故停機及緊急停機控制，機端斷路器分合控制，機組有功、無功功率調節，機組并網及一些供水泵的控制等。其作為水輪機組與其它輔設備的中間邏輯控制環節，同時也是機組電氣保護與機組及輔設備之間邏輯控制環節，即機組電氣保護動作時需通過LCU進行關停水輪機組，同時也要關停其一些輔設備，反過來由于水輪機組或其輔備故障時也需要通過LCU進行跳開機端斷路器，跳開滅磁開關等電氣設備。所以說在電量或非電量保護動作時應由其與斷路器、滅磁開關的同時動作接點去LCU進行機組或其輔設備的關停，部分工程是通過電量或非電量保護的動作信號進行關停，這是不正確的，有的工程通過機組LCU的通信控制器與繼電保護、勵磁系統等進行通信，靠通信進行邏輯關停，這種過分依賴于通信也是不可取的，兩者的聯系建議采用保護重動硬接點方式和通信方式兩種或的邏輯實現。LCU的故障關停邏輯應分為機組、輔機控制關停和機組、輔機、電氣關停兩大部分。根據此電量、非電量保護動作LCU的應只為機組、輔機控制關停邏輯；機組、輔機的故障信號動作為機組、輔機、電氣關停。

6 結束語

跑馬坪水電廠主接線是水電廠中較為典型的，水電廠的主接線多為發電機出口帶斷路器然后上母線，幾臺機均并接在機端母線上，如果并的臺數較少，少于4臺，主變差動保護范圍均可涵蓋在內，如果數量較多，則可根據重要性配置機端母線保護，但多數水電廠為節省投資，不配置母線保護，這時母線故障只有靠各臺發電機后備保護、主變低壓側后備保護進行切除故障，雖然時限較少，但由于這種水電廠一般發電機容量較小，還是能夠保證系統安全的。在西藏林芝八一水電廠即在這種情況下進行工作的。在水電廠中也有兩臺主變接線形式，但主變低壓側均配置開關，這樣就形成單一的主變保護配置，出口跳閘模式同于變電站變壓器。水電廠與火電廠的最大差別在于主變，主變可能需要幾臺機或廠變幾側做差動，但火電廠（除垃級焚燒、余熱發電等）大部分為發變組接線，機端帶廠用電，主變差動為高壓側、機端、高廠變、大型機組還有脫硫變，保護作用于全停的同時還需切換廠用電，水電廠的廠用電多接在機端母線上，不需切換。對于兩機一變的或三機一變的水電廠，主變低壓側基本不設斷路器，均為各發電機機端斷路器作為斷開點，這種接線主要缺點就是主變發生故障，將造成所有發電機停機。采用兩臺及以上主變的水電廠，主變低壓側設開關，這時一臺主變故障只需斷開該主變即可，也不會造成發電機停機。這種優勢較為明顯，但造價較高。

參考文獻：

[1]《繼電保護和安全自動裝置技術規程》GB/T 14285-2006.

[2]《水力發電廠機電設計規范》DL/T5186-200.

[3]《四川省涼山州木里縣鴨嘴河跑馬坪水電站工程二次配置圖》水利部陜西水利電力勘測設計研究院.

作者簡介：李占波（1972-），男，天津人，本科，工程師，主要從事電網繼電保護、城市配網、風電場等電氣設計工作。