抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)配置及換相方法研究

樊瑩　陳海龍　姜東東

摘 要：抽水蓄能電站一般采用可逆式機(jī)組，由可逆水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)二者組成。為了實(shí)現(xiàn)水泵和發(fā)電兩種工況的切換，一般在主變低壓側(cè)與發(fā)電電動(dòng)機(jī)間裝設(shè)換相開關(guān)。本文主要分析抽水蓄能電站主接線方式、發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)配置及換相開關(guān)換相對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)的影響。本文提出了一種抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)軟件通道數(shù)據(jù)換相方法，該方法不改變?cè)斜Ｗo(hù)的核心算法及判據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;可逆式機(jī)組;換相開關(guān);軟件通道數(shù)據(jù)換相

中圖分類號(hào)：TV734.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）25-0048-04

Research on Protection Configuration and Commutation Method of

Power Generation Motor Transformer Set in Pumped Storage Power Station

FAN Ying CHEN Hailong JIANG Dongdong

（XJ Electric Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： Pumped storage power plants generally use reversible units， which are composed of reversible pump turbine and generator motor. In order to realize the switching of pumping and generating conditions， a commutation switch is usually installed between the low-voltage side of the main transformer and the generator motor. This paper mainly analysed the main wiring mode of pumped storage power station， the protection configuration of transformer group of generator motor and the influence of commutation switch on the protection of transformer group of generator motor. In this paper， a data commutation method for the protection software channel of the transformer group of the pumped storage power station was proposed， which did not change the core algorithm and criterion of the original protection， and was easy to implement.

Keywords： pumped storage power station;reversible unit;commutation switch;software channel data commutati

抽水蓄能電站一般采用可逆式機(jī)組，其機(jī)組由可逆水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)二者組成。其運(yùn)行工況主要包括抽水、抽水調(diào)相、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、拖動(dòng)和被拖動(dòng)等。其中，抽水、抽水調(diào)相、被拖動(dòng)為電動(dòng)工況，機(jī)組反向旋轉(zhuǎn);發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、拖動(dòng)為發(fā)電工況，機(jī)組正向旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)水泵和發(fā)電兩種工況的切換，一般在發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變低壓側(cè)間裝設(shè)換相開關(guān)，最終將機(jī)端電壓切換為反相序，機(jī)組反向旋轉(zhuǎn)。抽水蓄能機(jī)組電氣一次接線復(fù)雜，運(yùn)行工況多。因此，抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組的各種運(yùn)行工況應(yīng)配置完善的保護(hù)，且水泵電動(dòng)機(jī)狀態(tài)必須考慮換相開關(guān)對(duì)保護(hù)的影響。本文提出了一種抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)軟件通道數(shù)據(jù)換相方法，以適應(yīng)各種工況的轉(zhuǎn)換，該方法不改變?cè)斜Ｗo(hù)的核心算法及判據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)。

1 抽水蓄能電站電氣主接線

抽水蓄能機(jī)組為了實(shí)現(xiàn)抽水工況啟動(dòng)[1]，增加了啟動(dòng)設(shè)備及回路，主要包括靜止變頻啟動(dòng)設(shè)備（SFC）、拖動(dòng)刀閘、被拖動(dòng)刀閘、啟動(dòng)母線和背靠背啟動(dòng)（BTB）等;為了實(shí)現(xiàn)抽水和發(fā)電兩種工況的轉(zhuǎn)換，一般在發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變低壓側(cè)間裝設(shè)換相開關(guān);為確保軸承的安全停機(jī)速度，采用電氣制動(dòng)方式，增加了電氣制動(dòng)開關(guān);抽水蓄能機(jī)組電氣一次接線復(fù)雜，運(yùn)行工況多。

抽水蓄能機(jī)組啟、停頻繁，發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)端與主變低壓側(cè)間裝設(shè)有機(jī)端斷路器（GCB），且引水管道為一管雙機(jī)布置方式。為了節(jié)省投資，抽水蓄能機(jī)組一般采用單元聯(lián)合接線方式。抽水蓄能電站主變與開關(guān)站分開布置，相距1km左右，且開關(guān)站出線相對(duì)較少，開關(guān)站的電氣主接線多采用角形接線或單母分段接線。抽水蓄能機(jī)組常用主接線如圖1所示。

圖1（a）為單元聯(lián)合四角形接線方式，其優(yōu)點(diǎn)為運(yùn)行方式靈活，可靠性高，任一臺(tái)斷路器檢修或因故退出運(yùn)行，不影響抽水蓄能電站的正常運(yùn)行;缺點(diǎn)是投資較大，二次接線復(fù)雜。圖1（b）為單元聯(lián)合單母分段接線方式，其優(yōu)點(diǎn)為可靠性高，一次和二次接線相對(duì)簡單;缺點(diǎn)是運(yùn)行方式簡單，任一臺(tái)斷路器檢修或因故退出運(yùn)行，都會(huì)影響對(duì)應(yīng)機(jī)組的正常運(yùn)行。

2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)配置

抽水蓄能電站電氣部分的保護(hù)主要包括發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)、主變高壓側(cè)至開關(guān)站的電纜引線保護(hù)、開關(guān)站母線保護(hù)及出線線路保護(hù)。發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)的范圍包括發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器部分。抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變壓器組之間設(shè)置有斷路器，一般采用面向被保護(hù)對(duì)象的系統(tǒng)模式，設(shè)置發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置和主變壓器保護(hù)裝置。發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)配置如圖2所示。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置和主變壓器保護(hù)裝置采用雙套配置，且雙套保護(hù)裝置間無任何電氣聯(lián)系，相互對(duì)立。由于勵(lì)磁變壓器接在主變低壓側(cè)，在發(fā)電電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中可以提供勵(lì)磁電壓，所以勵(lì)磁變壓器的保護(hù)集成于主變壓器保護(hù)裝置。廠用變壓器高壓側(cè)設(shè)置有斷路器，廠用變壓器保護(hù)單獨(dú)配置。

抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組的各種運(yùn)行工況應(yīng)配置完善的保護(hù)[2]，且至少有一套縱差保護(hù)在各種運(yùn)行工況全程投入，以確保機(jī)組的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行以及系統(tǒng)的穩(wěn)定。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置如表1所示。

如表1所示，低電壓保護(hù)主要反映抽水工況、發(fā)電調(diào)相工況和抽水調(diào)相工況運(yùn)行時(shí)失電故障或低電壓;發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)主要反映發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行異常工況的保護(hù);電動(dòng)機(jī)低功率保護(hù)主要反映電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的突然失電或入力過低;低頻過流保護(hù)、低頻差動(dòng)保護(hù)主要反映靜止變頻啟動(dòng)、背靠背啟動(dòng)和電氣制動(dòng)時(shí)定子繞組及其引出線的相間短路故障;低頻零序電壓保護(hù)主要反映靜止變頻啟動(dòng)、背靠背啟動(dòng)和電氣制動(dòng)時(shí)定子繞組及其引出線的單相接地故障;電壓相序保護(hù)主要用于判斷機(jī)組電壓相序與旋轉(zhuǎn)方向是否一致;電流不平衡保護(hù)主要用于防止電氣制動(dòng)時(shí)定子繞組端頭短接（電氣制動(dòng)短路開關(guān)）接觸不良故障。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)縱差保護(hù)（小差）的保護(hù)范圍僅包含發(fā)電電動(dòng)機(jī)，可以不受運(yùn)行工況影響，全程投入。發(fā)電電動(dòng)機(jī)縱差保護(hù)（大差）的保護(hù)范圍包含發(fā)電電動(dòng)機(jī)和機(jī)端斷路器等，該保護(hù)受運(yùn)行工況影響，在部分工況閉鎖。

變壓器保護(hù)裝置包含主變壓器和勵(lì)磁變壓器保護(hù)功能，變壓器保護(hù)配置如表2所示。

表2中，勵(lì)磁變壓器采用勵(lì)磁變差動(dòng)和過流作為勵(lì)磁變故障的主保護(hù)。變壓器縱差保護(hù)（小差）的保護(hù)范圍僅包含主變壓器，可以不受運(yùn)行工況影響，可以全程投入。變壓器縱差保護(hù)（大差）的范圍包含主變壓器、機(jī)端斷路器和換相開關(guān)等，該保護(hù)受運(yùn)行工況影響，在部分工況閉鎖。

考慮到微機(jī)保護(hù)的靈活性、可靠性，差動(dòng)保護(hù)的可靠性、靈敏性一般高于過流保護(hù)，人們可以設(shè)置一套不受工況轉(zhuǎn)換和換相影響的發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變差動(dòng)保護(hù)（小差），以提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性，差動(dòng)保護(hù)（小差）可在任何工況下投入運(yùn)行。另外，可以配置一套發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變差動(dòng)保護(hù)（大差），其保護(hù)范圍可在機(jī)端斷路器交叉重疊，以對(duì)整個(gè)發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組100%區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，做到保護(hù)設(shè)備無死區(qū)[3]。

3 換相對(duì)保護(hù)的影響

為了實(shí)現(xiàn)水泵和發(fā)電兩種工況的切換，一般在發(fā)電電動(dòng)機(jī)與主變低壓側(cè)間裝設(shè)換相開關(guān)，如圖2所示。發(fā)電時(shí)G刀閘極接通，抽水時(shí)M刀閘極接通，一般通過交換A、C相來實(shí)現(xiàn)電氣旋轉(zhuǎn)的換向。換相的出現(xiàn)必然對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)帶來影響。發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的電壓、電流相序?yàn)槟鏁r(shí)針方向，與電網(wǎng)相反，此時(shí)發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)應(yīng)調(diào)整為同步電動(dòng)機(jī)保護(hù)，其相序應(yīng)與機(jī)組在抽水工況運(yùn)行的一次相序一致，否則保護(hù)的序分量計(jì)算將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，保護(hù)將不能正常工作[4]。

主變差動(dòng)（大差）保護(hù)的低壓側(cè)電流互感器一般設(shè)置在換相刀閘靠機(jī)組側(cè)，如圖2中的7CT，機(jī)組相序更換后需要將7CT的電流相序切換到與換相刀閘一致。發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)范圍不包括換相開關(guān)，所以換相對(duì)發(fā)電機(jī)差動(dòng)沒有影響。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)失磁保護(hù)、失步保護(hù)、阻抗保護(hù)、功率保護(hù)、負(fù)序電流和電壓相序保護(hù)等保護(hù)需要用到發(fā)電機(jī)機(jī)端電流、機(jī)端電壓，因此也需要將機(jī)端電流、機(jī)端電壓相序切換到與換相刀閘一致。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)換相目前常用的方法主要有二次回路換相、采樣通道設(shè)置換相和保護(hù)相序設(shè)置換相等[5]。本文提出了一種抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)軟件通道數(shù)據(jù)換相方法，該方法數(shù)據(jù)換相流程如圖3所示。

該方法的具體實(shí)施方式如下。一是保護(hù)裝置根據(jù)換相開關(guān)輔助接點(diǎn)的狀態(tài)，確定當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行工況;二是換相開關(guān)處于“電動(dòng)機(jī)”位置時(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)保護(hù)通過軟件換相的方法，將換相開關(guān)位置下面的機(jī)端電流、機(jī)端電壓、中性點(diǎn)電流計(jì)算的通道數(shù)據(jù)按換相開關(guān)的相序進(jìn)行換相，使各保護(hù)數(shù)據(jù)的相序與換相開關(guān)保持一致。三是通道數(shù)據(jù)按下面的方法進(jìn)行換相。假設(shè)換相開關(guān)按A、C相換相。通道數(shù)據(jù)計(jì)算一般采用傅里葉算法實(shí)時(shí)計(jì)算各通道數(shù)據(jù)實(shí)、虛部，并按數(shù)組存儲(chǔ)，以發(fā)電機(jī)機(jī)端電流為例，機(jī)端電流通道數(shù)據(jù)實(shí)、虛部數(shù)組為It[3][2]，機(jī)端電流A、B、C三相實(shí)、虛部數(shù)據(jù)分別為It[0][0]、It[0][1]、It[1][0]、It[1][1]、It[2][0]、It[2][1];Ita_r、Ita_i、Itb_r、Itb_i、Itc_r、Itc_i分別為機(jī)端三相電流保護(hù)數(shù)據(jù)實(shí)、虛部。Ita_r=It[0][0]、Ita_i=It[0][1]、Itb_r=It[1][0]、Itb_i=It[1][1]、Itc_r=It[2][0]、Itc_i=It[2][1]。如果換相開關(guān)為“電動(dòng)機(jī)”位置，則將通道數(shù)據(jù)A、C相進(jìn)行換相，Ita_r=It[2][0]、Ita_i=It[2][1]、Itb_r=It[1][0]、Itb_i=It[1][1]、Itc_r=It[0][0]、Itc_i=It[0][1]。

機(jī)端電壓、中性點(diǎn)電流的保護(hù)數(shù)據(jù)換相同機(jī)端電流。

換相開關(guān)處于電動(dòng)機(jī)位置時(shí)，將換相開關(guān)位置下面的機(jī)端電流、機(jī)端電壓、中性點(diǎn)電流計(jì)算的通道數(shù)據(jù)按換相開關(guān)的相序進(jìn)行換相，使各保護(hù)數(shù)據(jù)的相序與換相開關(guān)保持一致，該方法不改變?cè)斜Ｗo(hù)的核心算法及判據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)，保障了抽水蓄能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文主要分析了抽水蓄能電站的電氣主接線方式，發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)配置及換相開關(guān)換相對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)的影響。其間提出了一種抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)變壓器組保護(hù)軟件通道數(shù)據(jù)換相方法，該方法不改變?cè)斜Ｗo(hù)的核心算法及判據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)。

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