變速抽水蓄能機組繼電保護方案研究

梁廷婷，王 凱，陳 俊，王 光，徐晨博

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102；3.浙江省電力公司，浙江省杭州市 310007）

0 引言

隨著電力系統的快速發展，風電、光伏發電、核電裝機容量增長迅猛，抽水蓄能電站在調峰填谷、保障電網穩定運行方面的作用日益突出。近年來，國內配套建設的抽水蓄能電站均為定速抽水蓄能機組，自響水澗抽水蓄能電站采用國產化機組保護以來，國內已掌握了定速機組繼電保護關鍵技術[1-6]。但是，世界抽水蓄能技術不斷發展，可變速抽水蓄能成為新趨勢。與定速抽水蓄能機組相比，可變速抽水蓄能機組具有有功功率調節范圍大、有功功率調節速度快（幾十毫秒級）、進相運行能力強、綜合效率高等優點，正成為世界抽水蓄能電站建設的首選機型[7]。目前，日本、歐洲、美國均已有大量在運的變速抽水蓄能電站，技術成熟，運行穩定。與此相對的是，國內首座采用變速機型的抽水蓄能電站——河北豐寧抽水蓄能電站處于建設期，距投運尚需時日。

變速抽水蓄能機組結構復雜，造價昂貴，配置完善可靠的繼電保護裝置對機組的安全運行至關重要，當機組內部故障或運行異常時，保護裝置自動、迅速地將機組跳閘或發出信號，避免機組進一步損壞。國內針對變速抽水蓄能機組繼電保護技術的研究尚處于起步階段，再加上現有文獻數據庫中涉及此技術內容的資料極為有限，保護技術研究存在較大困難。

本文基于國內變速機組繼電保護技術發展的需要，針對變速抽水蓄能機組的電氣主回路、交流勵磁控制和水泵自啟動方式等特點，分析其繼電保護特殊之處，給出了應對策略和保護方案，并通過動模試驗驗證其有效性。

1 變速抽水蓄能機組介紹

1.1 變速抽水蓄能機組

變速抽水蓄能機組是一種隱極電機，定子側接電網，三相分布式轉子繞組鑲嵌在圓筒轉子鐵心線槽內，在轉子磁極繞組中通入交流勵磁電流，產生相對于轉子旋轉的磁場，進而在電機氣隙中形成同步旋轉磁場。可變速機組轉子磁場轉速N0與轉子機械轉速Nm的關系如式（1）所示。

式中：N0——轉子磁場轉速；

Nm——轉子機械轉速；

Ne——交流勵磁電流產生的磁場相對于轉子的轉速，可以與轉子轉向相同，也可以相反，分別對應于交流勵磁發電機低于同步轉速或者高于同步轉速運行。

交流勵磁系統通過控制勵磁電壓的頻率、幅值及相位，可以控制勵磁磁場的大小、相對轉子的位置和旋轉勵磁磁場的轉速，這極大增加了變速機組勵磁控制的自由度，從而較常規同步電機有了更加優越的運行性能。

1.2 變速抽水蓄能機組運行特點及對保護的要求

變速抽水蓄能機組在運行控制、抽水啟動方式等方面與定速抽水蓄能機組有所不同，具體包括：

（1）特殊的機組單元主接線形式，影響主設備差動范圍選擇和保護配置。典型的變速抽水蓄能機組單元接線如圖1所示，與定速機組差異較大，主要表現在以下幾個方面：機組主接線回路取消拖動開關和被拖動開關；主變壓器低壓側無靜止變頻器（statistic frequency converter，SFC）拖動支路；勵磁變壓器容量顯著增加等。

圖1 典型的變速抽水蓄能機組單元接線Figure 1 Main wiring of typical variable speed pumped storage unit

（2）轉子繞組為三相交流勵磁繞組，可能發生相間、匝間和單相接地故障，而轉子繞組處于旋轉狀態，電氣量頻率很低且難以測量，以往成熟的交流繞組故障保護方法難以適用。

（3）特殊的水泵自啟動方式對保護提出新要求。定速機組需借助于外部設備，采用SFC啟動或背靠背啟動方式[8]。而變速機組可自主啟動，在短接定子三相短路開關后，由交流勵磁系統輸出頻率逐漸增加的勵磁電流，利用電磁反作用力矩拖動機組。這一啟動過程的控制流程和電氣量特征均較特殊，需研究相應的保護方案。

2 變壓器組內部故障主保護

2.1 主變壓器差動保護

大型定速抽水蓄能機組抽水啟動方式，一般以SFC啟動方式為主，背靠背啟動方式為輔。受拖動和被拖動電氣回路的影響，常配置兩種主變壓器差動保護，保護范圍僅包含主變壓器的小差保護（圖2中的“主變壓器差動1”）和保護范圍包含主變壓器、換相開關或發電電動機斷路器的大差保護（圖2中的“主變壓器差動2”）。計入差動保護的電流，除了主變壓器高壓側電流、發電機電流和高壓廠用變壓器高壓側電流外，還包括SFC支路電流。由于勵磁變壓器容量很小，其高壓側電流無須計入主變壓器差動保護[9]，如圖2所示。對于大差保護，啟動過程中差動保護應采取不計入機端電流或暫時閉鎖的防誤動措施。

圖2 定速抽水蓄能機組主變壓器差動保護Figure 2 Differential protection for main transformer of constant speed pumped-storage unit

變速機組的發電電動機與主變壓器之間僅設置斷路器和換相開關，無拖動開關、被拖動開關等與外部設備連接的電流支路，主變壓器無須分設大、小差動保護，僅配置一套差動保護即可，如圖3所示。由于變速機組勵磁變壓器容量較大，勵磁變壓器高壓側電流應計入主變壓器差動保護。而取消SFC后，主變壓器差動保護就少了SFC電流支路。

圖3 變速抽水蓄能機組主變壓器差動保護Figure 3 Differential protection for main transformer of variable speed pumped-storage unit

2.2 勵磁變壓器差動保護

相比定速抽水蓄能機組，變速機組勵磁變壓器容量要大得多，可達機組額定容量的20%。常規保護方案采用電流速斷保護作為主保護，其定值按躲過勵磁變壓器低壓側最大三相短路電流整定，對一些低壓側繞組或端部相間短路故障存在靈敏度不足的問題。若改為差動主保護方案，對勵磁變壓器低壓側非嚴重短路故障也能靈敏反應，且保護動作速度更快。

3 變速抽蓄機組轉子繞組內部故障保護

3.1 轉子繞組內部故障型式

正常運行時，變速抽水蓄能機組勵磁電壓和電流更高，達數千伏和數千安培，且作為旋轉部件，轉子繞組內部故障概率高于定子繞組。其故障型式包括相間短路、匝間短路和單相接地短路[10]。

3.2 轉子繞組相間短路和匝間短路保護

300MW級變速抽水蓄能機組正常運行時，轉子側交流勵磁頻率在±10%fn（-5～5Hz）范圍內變化，額定勵磁電壓達3～4kV，額定勵磁電流達6～8kA。在保護設計上，常規思路是采集勵磁電流和勵磁電壓，通過識別轉子繞組內部故障時的過電流、低電壓等特征來反應故障。該思路在實現上存在以下困難：勵磁電壓和勵磁電流的測量設備選型困難；頻率極低且連續變化電氣量的保護算法設計困難；由于勵磁頻率低導致的過電流動作速度較慢，與快速切除內部故障要求之間存在矛盾。

另一種保護的實現思路是，利用轉子繞組內部故障時定子側呈現出的電氣量特征來設計保護。轉子繞組發生相間短路和匝間短路時，內部產生不對稱電流分量，通過氣隙磁場的電樞反應作用，在定子側感應出特定頻率的間諧波分量。諧波電流的大小與轉子繞組短路故障嚴重程度和機組結構有關。動模試驗中變速抽蓄機組轉子繞組匝間短路時定子側電流及其頻譜分析結果如圖4所示。

圖4 轉子繞組匝間短路時定子側電流及其頻譜分析Figure 4 Frequency analysis of stator current when rotor winding inter-turn short circuit

從圖4可以看出，其諧波頻譜非常豐富，各個頻率段均有分布。經研究發現，諧波電流的頻率與轉速和極對數有關，且很多頻率分量偏離工頻，而定子繞組內部短路時定子電流主要為基波成分，據此可以區分定子繞組內部短路和轉子繞組內部短路。

3.3 轉子繞組單相接地故障保護

變速抽水蓄能機組轉子側為不接地系統，單相接地故障時短路電流很小，可借鑒傳統的零序過電壓保護來反應此故障，動作判據如下：

在轉子三相繞組端部安裝霍爾式電壓互感器，霍爾式電壓互感器體積小，安裝方便，成本低，可作為勵磁電壓測量設備。相應的，保護應采用適應低頻且持續變化電氣量的相量算法。

4 抽水啟動過程保護

抽水蓄能機組主要用于調峰填谷，一般每天均有啟停操作。抽水啟動過程為：在機組靜止狀態短接定子三相短路開關，交流勵磁系統向轉子繞組中輸出頻率逐漸增加的負序電流，在電磁反作用力矩作用下，發電機轉子正向旋轉，且轉速逐步升高至額定轉速，啟動并網流程。抽水啟動過程時間較長，在數百秒左右，且啟動之初即已加勵磁[11]。因此，應重視抽水啟動過程的保護配置。

4.1 低頻過流保護

變速抽水蓄能機組抽水啟動過程中，定子三相短路開關合上，等同于三相定子繞組被短路，發電機電壓極低，使得發電機內部很難再出現短路故障。盡管如此，發電機勵磁系統異常可能引起誤強勵，仍可能導致發電機的過電流。此時，由于發電機內部無故障，常規發電機差動保護不能反應，而相間后備保護在低頻啟動過程靈敏度降低，且頻率越低，靈敏系數越低，因此增設專門針對抽水啟動過程的低頻過流保護。低頻過流保護作為相間故障的后備保護，過電流定值應躲過啟動過程中的最大定子電流。

4.2 定子繞組單相接地保護

不同于定速抽水蓄能機組，變速抽水蓄能機組中性點接地變壓器隔離開關在啟動過程中為合位狀態，基于中性點零序過電壓的保護原理仍然適用，只是過電壓定值應根據啟動過程中最大不平衡零序電壓進行整定。三次諧波電壓原理的定子接地保護則不再適用，其原因是此過程中定子電壓頻率低且不穩定，難以準確分離計算出三次諧波電壓分量。

注入式定子接地保護的電阻判據在啟動過程中同樣需要退出運行，當注入信號頻率為12.5Hz時，與運行頻率過于接近，而注入信號為20Hz時，與三次諧波分量頻率過于接近，同樣難以準確分離計算注入頻率的特征分量。盡管如此，注入式定子接地保護的電流判據由于不涉及不同頻率分量的分離計算，仍然可正常投入。

4.3 抽水啟動期間需閉鎖的保護功能

抽水啟動過程中，定子側電氣量頻率等于滑差頻率，即交流勵磁頻率與轉子轉速對應頻率之差，該頻率遠低于工頻，且機端電壓很低，功率主要是無功分量，一些針對工頻運行工況設計的保護功能在此過程中可能誤動，應暫時閉鎖，并網后再投入運行。例如，低頻保護、低電壓保護和低功率保護應閉鎖[12]。

抽水啟動時定子三相短路，無須投入失磁保護，常規的定子阻抗圓失磁保護原理反而有可能因電氣量頻率過低而誤入動作阻抗圓內，因此應閉鎖失磁保護，待發電機并網后再投入運行。

5 變速抽水蓄能機組保護典型配置方案

除非電量保護外，變速抽水蓄能電站發電電動機變壓器組的保護應按雙重化配置。發電電動機保護和主變壓器保護分開配置，勵磁變壓器的保護功能集成于主變壓器保護裝置中。由于兩臺機組配置一臺高壓廠用變壓器，考慮設備停運及檢修方便，高壓廠用變壓器保護裝置獨立配置。整套保護按5面屏設計：主變壓器和勵磁變壓器保護組3面屏，其中，電氣量保護A、B套各1面屏，非電量保護和其他輔助裝置1面屏；發電電動機保護A、B套各一面屏；高壓廠用變壓器保護獨立配置。

300MW級大型變速抽水蓄能機組典型的繼電保護配置見表1和表2。

表1 發電電動機保護功能配置Table 1 Protection configuration of generator-motor

續表

表2 主變壓器和勵磁變壓器保護功能配置Table 2 Protection configuration of main transformer and excitation transformer

6 動模試驗驗證

為驗證本文所提出的變速抽水蓄能機組保護方案的有效性，搭建如圖5所示的動模試驗系統進行驗證。采用雙饋發電機組模擬發電電動機，由交流勵磁系統進行控制，同軸的直流電動機模擬水泵水輪機，發變組單元經過并網斷路器和換相隔離開關與試驗室電網（電力系統）相連。

圖5 試驗系統圖Figure 5 Experimental wring diagram

雙饋機組為3對極交流勵磁電機，額定功率12kW，定子額定電壓380V，額定電流18.23A，雙分支的系數分別為33.33%和66.67%。轉子采用單分支繞組，額定電壓380V，額定電流5.66A。交流勵磁系統采用三電平背靠背I型功率分支。主變壓器容量15kVA，Yd11接線，變比為380V/380V。

主變壓器差動、勵磁變壓器差動的保護原理和動作特性與常規機組近似，抽水啟動過程的低頻過流保護邏輯簡單，均無須進行試驗。本試驗重點驗證雙饋機組轉子繞組內部故障保護。動模機組并網后，勵磁頻率4Hz，機組功率逐步升高至30%額定功率，然后模擬轉子繞組A相匝間短路（短路匝比1/3）和A、B相間短路故障（A相繞組中間位置與機端B相繞組位置短路），故障過渡電阻6Ω。獲取定子繞組兩個分支的三相電流，計算裂相橫差電流，濾出其中的特定諧波分量構成過電流保護，過流門檻定值設置為0.15A，延時定值0.1s。兩次試驗的波形分別如圖6和圖7所示。圖中，通道ia1和ia2分別為機組兩分支a相電流，ida通道為裂相差動電流。

圖6 轉子繞組匝間故障波形Figure 6 Inter-turn fault of rotor winding

從以上兩個試驗波形可以看出，轉子繞組匝間和相間故障時，定子側裂相差流包含明顯的諧波分量，基于諧波的保護原理能夠可靠動作。以圖7的相間故障為例，裂相差流的頻譜分析結果如圖8所示，諧波頻率分量很豐富，主要集中于0～100Hz范圍內。

圖7 轉子繞組相間故障波形Figure 7 Phase to phase fault of rotor winding

圖8 轉子繞組相間故障時定子裂相差流頻譜分析Figure 8 Frequency spectrum analysis of stator split phase current with phase to phase fault of rotor winding

轉子繞組A相中間位置單相接地短路的電壓波形如圖9所示，故障過渡電阻為3Ω，零序電壓定值20V。圖中，Ua、Ub、Uc分別為轉子繞組端部三相電壓，U0為自產零序電壓。

從圖9可以看出，轉子繞組單相接地時，接地相（A相）電壓降低，其余兩相電壓升高，故障期間工作頻率（4Hz）的零序電壓很大，區別于非故障情況下的零序電壓高頻諧波特征。

圖9 轉子繞組單相接地故障波形Figure 9 Phase ground fault of rotor winding

7 結束語

本文針對變速抽水蓄能機組保護的特點，在主變壓器差動保護、勵磁變壓器差動保護、轉子繞組內部故障保護和抽水啟動過程保護等方面對變速抽水蓄能機組保護的特殊之處進行探討，提出了300MW級抽水蓄能機組保護的典型配置方案，并進行了動模試驗驗證。概括來說，主要有以下幾點：

（1）主變壓器差動保護無須區分大、小差，僅配置一套即可，且需計入勵磁變壓器高壓側電流。

（2）勵磁變壓器宜采用差動保護作為主保護，以提高保護靈敏度和動作速度。

（3）應重視轉子側短路保護配置，可采用定子側諧波特征構成轉子繞組相間和匝間短路保護。

（4）抽水啟動過程中，應配置單獨的低頻差動保護和低頻過流保護反應定子繞組相間故障，并閉鎖可能因低頻、低電壓特征導致誤動的保護功能。

基于本文方案研制的變速抽蓄機組保護裝置即將在國內某變速抽蓄工程中試點運行。