抽水蓄能電廠機(jī)組保護(hù)措施分析

潘仁秋，姬生飛，何其偉，房 康

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

抽水蓄能電廠屬于特殊的電源，具有啟動速度快、雙向負(fù)荷跟蹤速度快以及反應(yīng)迅速等優(yōu)勢。它不僅屬于電站，還是電網(wǎng)管理工具，在實際應(yīng)用過程中具有重要作用，如發(fā)電、儲能、調(diào)峰以及事故備用等，為電力企業(yè)創(chuàng)造了很多效益。在現(xiàn)代智能系統(tǒng)的快速發(fā)展過程中，很多清潔、可再生能源逐漸得到了社會各界的高度重視。合理的抽水蓄能電站配比可以確保電網(wǎng)始終處于安全的運(yùn)行狀態(tài)，在未來社會發(fā)展中將發(fā)揮更加重要的作用。

1 抽水蓄能電廠機(jī)組保護(hù)的相關(guān)內(nèi)容

1.1 含 義

抽水蓄能電站的本質(zhì)是在低谷時期充分利用富裕電力進(jìn)行抽水作業(yè)，主要是從下水庫中將水抽到上水庫，實現(xiàn)電能到勢能的轉(zhuǎn)變。尤其在用電高峰時期，可以將水從上水庫進(jìn)行下放，通過水的勢能對發(fā)電機(jī)組做功產(chǎn)生電能，從而有效改善高峰時期電力能源不足的問題[1]。抽水蓄水電廠機(jī)組的啟停反應(yīng)制度比較靈活，負(fù)荷調(diào)節(jié)水平相對較高，在科學(xué)調(diào)度的基礎(chǔ)上，滿足了調(diào)峰填谷和事故備用的預(yù)期目標(biāo)。在抽水蓄能電廠機(jī)組運(yùn)行過程中，需要不斷啟動、停止，極易出現(xiàn)作業(yè)方式轉(zhuǎn)換情況，為機(jī)組運(yùn)行帶來了風(fēng)險。為了保障抽水蓄能電廠機(jī)組始終處于安全的運(yùn)行狀態(tài)，管理人員需要明確各項運(yùn)行作業(yè)方式，以此為基礎(chǔ)制定相應(yīng)的保護(hù)措施。此外，在抽水蓄能電廠機(jī)組運(yùn)行過程中，技術(shù)人員還要注重抽水、發(fā)電等操作。一般機(jī)組的旋轉(zhuǎn)方式有兩種，需要由換向刀閘完成，具體見圖1。在機(jī)組抽水過程中，應(yīng)接通C向，閉合2、3、5級；在機(jī)組發(fā)電過程中，應(yīng)該接通A相，閉合1、3、4級。

圖1 換相刀閘結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 特 點

1.2.1 換 相

在新時期的快速發(fā)展過程中，大型抽水蓄能機(jī)組多是可逆式機(jī)組。機(jī)組在發(fā)電、抽水的情況下轉(zhuǎn)向相反。在實際運(yùn)行過程中，通過發(fā)電、發(fā)動機(jī)出口位置的換相閘刀改變一次接線相序，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向有所不同。通常情況下，機(jī)組保護(hù)的電壓、電流主要采用機(jī)端的壓變和流變。在電動機(jī)實際運(yùn)行過程中，機(jī)組采集到機(jī)端的電壓、電流相序。這一相序和發(fā)電機(jī)運(yùn)行的相序正好相反，這時機(jī)組保護(hù)的電壓、電流量也要換相，將其調(diào)整成電動機(jī)保護(hù)，確保機(jī)組的大差動保護(hù)、功率型保護(hù)、阻抗型保護(hù)以及相序檢查保護(hù)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2.2 識別運(yùn)行工況

為了確保抽水蓄能電廠機(jī)組始終處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，相關(guān)部門需要深入分析工況實際情況，合理選擇保護(hù)措施，并根據(jù)工況實際情況給予投入、切除以及閉鎖等各項保護(hù)措施。例如，在機(jī)組變頻啟動的情況下，為了避免負(fù)序過流保護(hù)和大差動保護(hù)操作失誤出現(xiàn)閉鎖問題，需要快速切除啟動回路的相間故障，并對其進(jìn)行特有的低頻過流保護(hù)。技術(shù)人員必須針對機(jī)組的實際運(yùn)行工況進(jìn)行有效識別，確保保護(hù)裝置始終處于穩(wěn)定、持續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 抽水蓄能電廠機(jī)組中存在的問題

2.1 主變縱差和機(jī)組縱差保護(hù)問題

在抽水蓄能電廠機(jī)組實際運(yùn)行過程中，技術(shù)人員在使用普通電網(wǎng)元件的情況下，相鄰保護(hù)范圍必須覆蓋、配置。這時技術(shù)人員只需明確在斷路器識別兩側(cè)交叉位置配置CT。但是，在機(jī)組保護(hù)配合過程中會遇到很多難題，因為抽水蓄能電廠機(jī)組的機(jī)端斷路器設(shè)備兩端會設(shè)置很多刀閘，處于負(fù)載的工作狀態(tài)。技術(shù)人員需要針對不同的閉鎖條件進(jìn)行保護(hù)，并進(jìn)行充分考慮，有效保護(hù)裝置配置、配合，避免出現(xiàn)防護(hù)死區(qū)。同時，變電器、發(fā)動機(jī)設(shè)備配置會有一定的差異，保護(hù)對象普遍是發(fā)動機(jī)、變電器等設(shè)備。在保護(hù)CT范圍時，它不會出現(xiàn)其他刀閘。在全工況投入時無需閉鎖，可以有效提升變壓器性能，確保發(fā)電機(jī)組設(shè)備始終處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。技術(shù)人員還需針對發(fā)動機(jī)、變壓器設(shè)備保護(hù)配置進(jìn)行深入分析。一般交叉位置會有很多選擇，技術(shù)人員應(yīng)選擇在GCB位置附近進(jìn)行交叉。但是，在分析抽水蓄能界限的情況下，GCB和啟動力之間不會預(yù)留更多的空間而影響安裝工作，需要外移CT位置。因此，技術(shù)人員需要充分考慮這種配置方式，嚴(yán)格控制閉鎖方式，避免保護(hù)功能整體處于閉鎖狀態(tài)。但是，技術(shù)人員不能只針對機(jī)組側(cè)CT采樣進(jìn)行閉鎖處理，還需要嚴(yán)格按照相關(guān)要求操作，才不會出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)。

2.2 三次諧波定子100%接地保護(hù)

抽水蓄能電廠機(jī)組普遍處于復(fù)雜的工作環(huán)境中，極易受功率等因素的影響，為定子三次諧波保護(hù)工作帶來了題。調(diào)查驗證發(fā)現(xiàn)，三次諧波保護(hù)在抽水蓄能電廠機(jī)組中得到了有效應(yīng)用，但三次諧波保護(hù)需要在機(jī)端CT配置開口三角繞組，而很多電廠不具備這種條件。新建的抽水蓄能電廠可以配置三次諧波定子接地保護(hù)裝置。另外，GCB失靈保護(hù)主要是相過流元件和負(fù)序過流元件電流整體值較高，很多保護(hù)內(nèi)容無法滿足動作值要求，如接地保護(hù)、功率保護(hù)等，很難有效啟動失靈保護(hù)。尤其在非電氣保護(hù)如監(jiān)控跳機(jī)信號等啟動失靈的情況下，無法實現(xiàn)保護(hù)[2]。因此，抽水蓄能電廠機(jī)組應(yīng)使用機(jī)端有壓與GCB合位的電壓型失靈判據(jù)，在遇到啟動失靈信號的情況下，延時檢測機(jī)組帶壓、GCB未斷開以及失靈保護(hù)動作。這時動作可靠、無誤，不與相關(guān)要求出現(xiàn)矛盾時可以使用。

3 抽水蓄能電廠機(jī)組實例及保護(hù)措施

3.1 實例分析

某抽水蓄能電廠中的機(jī)組情況是2臺35 MW的混流可逆式水輪機(jī)發(fā)電電動機(jī)組。引水系統(tǒng)主要是一洞二機(jī)形式，主要作用是調(diào)峰，可以確保系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。一般情況下，發(fā)電機(jī)和變壓器的接線方式普遍是單元接線方式，機(jī)組出口位置的電壓為10.5 kV，設(shè)置了機(jī)端斷路器，主變高壓位置的接線形式是220 kV單母線。在實際啟動過程中，普遍選擇靜止變頻方式，還可以使用備用啟動方式。除此之外，抽水蓄能電廠機(jī)組運(yùn)行方式具有多樣性特點，工況轉(zhuǎn)換頻率較快，一般在一次設(shè)備中可以增加抽水啟動裝置、換向開關(guān)和啟動母線，為機(jī)組保護(hù)工作帶來了難題。

3.2 保護(hù)措施

3.2.1 換向操作縱差保護(hù)

在換向操作縱差保護(hù)過程中，技術(shù)人員需要做好以下工作。首先，切換縱差保護(hù)二次回路，在進(jìn)行換相的過程中，技術(shù)人員需要充分利用輔助觸點，針對二次電流的切換情況予以控制，但極易出現(xiàn)換相開關(guān)輔助觸點動作、連鎖切換不穩(wěn)定的問題，會導(dǎo)致縱差保護(hù)誤動現(xiàn)象。其次，二次電流回路換相連鎖切換較快，為了降低切換頻率，縱差保護(hù)應(yīng)在A、C兩相安裝2套，主要作用是抽水、發(fā)電。跳閘出口回路需要由換相開關(guān)輔助觸點連鎖切換，需要增加保護(hù)裝置，但接觸不良的情況下會出現(xiàn)保護(hù)誤動。最后，技術(shù)人員應(yīng)注重發(fā)電機(jī)組和主變縱差保護(hù)工作，并在A、C相設(shè)置電流互感器，使縱向保護(hù)二次電流能夠從開關(guān)自動切換到另一相的CT。這時縱差保護(hù)無需各項附加條件，尤其在開關(guān)輔助觸點未換相的情況下，具有很強(qiáng)的可靠性。在該抽水蓄能電廠機(jī)組運(yùn)行過程中，發(fā)電電動機(jī)縱向保護(hù)范圍是發(fā)電機(jī)中性點到換相開關(guān)，變壓器差動保護(hù)范圍是變壓器高壓側(cè)到換相開關(guān)。兩套縱差保護(hù)都需要作為換相開關(guān)的保護(hù)范圍。

3.2.2 與相序有關(guān)的保護(hù)

與相序相關(guān)的保護(hù)具體體現(xiàn)在以下方面。第一，定子過負(fù)荷保護(hù)，針對單相電流進(jìn)行保護(hù)、檢測，在電流量取自工況變換的情況下不換相的B相。第二，轉(zhuǎn)子表層過負(fù)荷保護(hù)，如負(fù)序過負(fù)荷應(yīng)接入三相電流。在工況轉(zhuǎn)換過程中，保護(hù)換相一般需要借助微機(jī)保護(hù)裝置軟件才能夠?qū)崿F(xiàn)。第三，返工率保護(hù)需要根據(jù)發(fā)電工況進(jìn)行接線，一般應(yīng)用到發(fā)電運(yùn)行、點制動以及背靠背啟動作電源的情況下，其他工況由微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部軟件進(jìn)行閉鎖。第四，失磁保護(hù)的主要構(gòu)成內(nèi)容是轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)和機(jī)端測量阻抗判據(jù)，按照0°接線，避免出現(xiàn)換相問題。

3.2.3 電壓相序保護(hù)

在普通電廠運(yùn)行過程中不會遇到相序變換的問題，其中發(fā)電機(jī)會向一個方向旋轉(zhuǎn)，但抽水蓄能電廠的工況不斷變化需要倒換相序，導(dǎo)致機(jī)組翻轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)方向不一致的情況下，需要進(jìn)行電壓相序保護(hù)。這一保護(hù)裝置是抽水蓄能電廠特有的，在其他工況下能夠利用軟件進(jìn)行閉鎖。

3.3 保護(hù)成效

一般而言，抽水蓄能機(jī)組是在常規(guī)發(fā)電機(jī)組保護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)變的，并添加了很多輔助接電、工況判別以及特有保護(hù)裝置，比常規(guī)機(jī)組保護(hù)更具復(fù)雜性。通過抽水蓄能電廠試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，保護(hù)會出現(xiàn)誤發(fā)信、誤動作問題。通過分析、探索這些問題，可以通過修改保護(hù)邏輯和調(diào)整整定值給予有效解決。通常情況下，抽水蓄能電廠工況轉(zhuǎn)換相對頻繁，技術(shù)人員可以有效判別運(yùn)行狀況，并充分利用輔助接電的正確動作，提升抽水蓄能電廠機(jī)組的整體保護(hù)效果[3]。

4 結(jié) 論

綜上所述，現(xiàn)代化社會發(fā)展有效應(yīng)用了很多先進(jìn)技術(shù)，使得常規(guī)技術(shù)得到了優(yōu)化。抽水蓄能電廠是在常規(guī)電廠基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化形成的，在抽水蓄能電廠機(jī)組運(yùn)行過程中會遇到很多問題，如運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換頻率大、換相等。相關(guān)部門必須做好保護(hù)工作，充分考慮換相、運(yùn)行工況對保護(hù)帶來的影響。一般可以選擇可靠的換相方式、運(yùn)行工況識別方式，以確保保護(hù)裝置在各種運(yùn)行方式下處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，避免出現(xiàn)保護(hù)誤動等問題。