CCS水電站繼電保護設計特點分析

任巖

摘 要：厄瓜多爾CCS水電站總裝機容量為1 500 MW，是厄瓜多爾國內(nèi)最大的水電站，全部采用國際規(guī)范和標準進行設計。繼電保護設計方案結(jié)合當?shù)仉娋W(wǎng)和設備的特點，主要設備的保護裝置全部采用雙重冗余配置，操作及出口回路全部采用繼電器搭接完成邏輯功能，保護專網(wǎng)通信接口采用IEC61850規(guī)約。對工程的設計特點進行了分析，為適應外方業(yè)主和咨詢公司的設計和使用習慣，設備參數(shù)、CT選擇、操作回路和電源回路的設置等問題都通過設計方案的完善予以解決，對設計過程中出現(xiàn)的問題進行了總結(jié)和分析。2016年11月18日，電站機組正式投入商業(yè)運行，通過近4 a運行實踐，繼電保護系統(tǒng)運行完好，當站內(nèi)設備和電網(wǎng)發(fā)生故障時，均能可靠動作并切除故障，保證了電站安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：繼電保護;設計特點分析;CCS水電站

中圖分類號：TM622;TV753 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.022

Abstract：Coca Codo Sinclair Hydropower Station （CCS）， with a total installed capacity of 1500 MW， is the largest hydropower station in Ecuador. The design scheme of relay protection combines the characteristics of local power network and equipment. The protection devices of the main equipment all adopt dual redundant configuration， and the operation and exit circuits all adopt relay overlap to complete the logic function， IEC61850 protocol is adopted for communication interface of protection network. This paper analyzed the design features of the project， in order to adapt to the design and use of foreign owners and consultants， equipment parameters， CT selection， operation loop and power loop setting were all solved through the improvement of design scheme， and the problems in the design process were summarized and analyzed. On November 18， 2016， the plant was put into commercial operation. Through 3 years operation practice， the relay protection system was running well. When the equipment and the power grid fail， it could operate reliably and remove the fault， which ensured the safety and stable operation of the power station.

Key words： relay protection; analysis of design features; CCS Hydropower Station

1 引 言

Coca Codo Sinclair水電站（簡稱CCS水電站）位于厄瓜多爾共和國北部Napo省和Sucumbios省交界處，距首都基多約140 km。CCS水電站總裝機容量1 500 MW，占該國總裝機容量的1/3左右。電站安裝8臺沖擊式水輪發(fā)電機組，額定水頭604 m，年發(fā)電量88億kW·h。該電站按“無人值班（少人值守）”原則設計，電站主接線方式為：發(fā)電機與主變壓器（以下簡稱主變）連接采用單元接線，主變升壓至500 kV。500 kV電氣系統(tǒng)采用雙母線接線方式，以2回500 kV線路接入電力系統(tǒng)的圣拉菲（San Rafael）500 kV變電站。

CCS水電站設計原則不同于國內(nèi)工程：①該工程為中外雙方簽訂的總承包合同，很多技術(shù)條款是根據(jù)外方的習慣制定的，與國內(nèi)的典型設計不同，必須嚴格執(zhí)行;②設計需采用IEC、IEEE、ITU、ISO、ANSI、NEC、NFPA等國際標準和規(guī)范（當沒有適用的國際標準時可使用中國國家標準，但必須有正式出版的外文版本）;③所有設計成果必須經(jīng)業(yè)主及聘請的咨詢方審查批準后才能實施。

在CCS水電站的設計過程中，設計方多次與業(yè)主、咨詢公司針對繼電保護設計方案進行溝通和修改，最終確定的保護配置方案、采購標書和施工設計得到了業(yè)主和咨詢公司的批準。

2 繼電保護設計方案

2.1 電站接線方式

電站8臺機組采用發(fā)電機變壓器組單元接線接入500 kV母線，發(fā)電機出口設置斷路器。電站500 kV系統(tǒng)采用雙母線接線方式，不是國內(nèi)比較常見的3/2接線或者角型接線方式。500 kV配電裝置采用六氟化硫封閉組合電器（簡稱GIS），電站以2回500 kV線路接入SAN RAFAEL變電站。

2.2 電站繼電保護設備組成

CCS電站繼電保護設備用來保護水電站的主要設備，其組成包括發(fā)電機、主變、廠用變壓器（以下簡稱廠變）、500 kV GIS設備、500 kV母線和500 kV輸電線路。發(fā)電機-變壓器組、500 kV母線和500 kV輸電線路均設置雙重保護裝置，采用100%冗余配置，所有保護裝置均為微機型保護裝置。本文主要介紹發(fā)電機-變壓器組保護和500 kV系統(tǒng)保護的設計。

所有保護裝置通過通信接口與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，通信規(guī)約采用IEC61850規(guī)約。

2.2.1 發(fā)電機-變壓器組保護設計

CCS水電站裝設8臺容量184.5 MW的水輪發(fā)電機組，發(fā)電機出口電壓為13.8 kV，發(fā)電機出口設斷路器（GCB）。1臺發(fā)電機接1組（3臺單相）主變壓器組成發(fā)電機-變壓器單元接線，主變高壓側(cè)為500 kV。電站500 kV側(cè)電氣接線采用雙母線接線形式，兩段母線設聯(lián)絡斷路器。廠用電源設2回，分別引自1#發(fā)電機機端和8#發(fā)電機機端。

根據(jù)電站裝機規(guī)模和電壓等級，每個發(fā)電機-變壓器組單元配置2套完整的主保護和后備保護，采用100%冗余配置，設1套主變非電量保護，屏柜數(shù)量3面，安裝在地下廠房發(fā)電機層機旁。發(fā)電機-變壓器組保護配置見圖1。

發(fā)電機-變壓器組主保護和后備保護采用雙重配置。發(fā)電機的主后備保護包括發(fā)電機差動保護（87G）、發(fā)電機橫差保護（87GUP）、定子接地保護（64G）、失磁保護（40G）、負序過流保護（46）、逆功率保護（32）、定子過電壓保護（59）、發(fā)電機低電壓保護（27）、發(fā)電機過負荷保護（49）、發(fā)電機失步保護（78）、轉(zhuǎn)子接地保護（64R）、發(fā)電機過激磁保護（24）、發(fā)電機過流繼電器（51）、發(fā)電機零序過流保護（51N，50N）和斷路器失靈保護（50BF）等[1]。

發(fā)電機勵磁變壓器為干式變壓器，容量為1.7 MVA，勵磁變壓器的保護配置包括電流速斷保護（50ET）、過電流保護（51ET）、過負荷保護（49R）、勵磁變溫度超高保護（49WT），保護功能包含在發(fā)電機后備保護內(nèi)。

主變的主后備保護包括主變差動保護（87T）、主變高壓側(cè)復合電壓過電流保護（51TV）、主變方向過電流保護（67）、主變高壓側(cè)零序方向過電流保護（67N）、主變高壓側(cè)阻抗保護（21）、主變零序電流保護（50N，51N）、主變過激磁保護（24）、主變過負荷保護（49）、主變速斷過流保護（50）、主變低壓側(cè)零序過電壓保護（64T）、主變高壓側(cè)斷路器失靈保護（50BF）等[2]。

電站廠用電源分別引自1#發(fā)電機和8#發(fā)電機機壓母線，廠變?nèi)萘繛? MVA。2套廠變保護裝置與1#和8#機組保護合并布置在機組保護柜內(nèi)。配置包括縱聯(lián)差動保護（87AT）、速斷過流保護（50）、過負荷保護（49AT）、低電壓保護（27）、過電壓保護（59）、溫度保護（49WAT）等。

該工程主變?yōu)榉窒嘧儔浩鳎珹、B、C相分別設置非電量測量、信號裝置，在主變現(xiàn)場設1臺主變綜合端子箱，將3臺單相變非電量信號分別接至端子箱內(nèi)，并引至發(fā)電機-變壓器組保護柜。非電量保護信號均為開關量無源接點。非電量保護裝置具有獨立的電源回路和出口跳閘回路，與電氣量保護完全分開。保護配置包括主變瓦斯氣體保護（96）、主變油溫超高保護（49T1）、主變繞組溫度超高保護（49T2）、主變壓力釋放保護（63）、主變冷卻故障保護（CF）、主變油位異常保護（95）等。

2.2.2 500 kV系統(tǒng)保護設計

CCS電站500 kV系統(tǒng)采用雙母線接線方式，不是國內(nèi)比較常見的3/2接線或者角型接線方式。500 kV配電裝置地下采用GIS，經(jīng)高壓電纜引至地面出線場，2條500 kV出線引至SAN RAFAEL 500 kV變電站。系統(tǒng)保護裝置包括500 kV線路保護、500 kV母線保護、母聯(lián)保護等。

（1）500 kV線路保護。電站至SAN RAFAEL 500 kV變電站的2條線路，長度約7 km，2條線路不采用同塔并架。每回線路配置2套線路保護裝置，采用100%冗余配置。每條線路的2套線路保護裝置組2面線路保護柜（A、B柜），把光纖縱聯(lián)差動保護作為主保護，以三段式相間與接地距離及四段零序保護為后備。

線路保護裝置具有過電壓保護功能，在線路出現(xiàn)不正常工頻電壓時，跳開500 kV斷路器。保護動作后首先跳開本側(cè)斷路器，經(jīng)一定延時發(fā)送遠跳信號至線路對側(cè)，跳開對側(cè)斷路器。

線路保護還具有遠方跳閘功能，以有功功率、電流、零序電流變化為判據(jù)，當收到對側(cè)跳閘信號且本地判據(jù)動作才允許跳閘[3]。

另外每條線路還配置1面斷路器操作柜（C柜），配置線路重合閘、電壓切換回路，實現(xiàn)線路重合閘功能，設置電壓切換繼電器。滿足切換3組母線電壓回路的要求。

CCS水電站至SAN RAFAEL 500 kV變電站2條500 kV線路的4套線路保護通道均采用專用光纖通道。

（2）500 kV母線及母聯(lián)保護。電站500 kV系統(tǒng)為雙母線接線，配置2套微機型母線保護裝置，采用100%冗余配置。為防止誤動作，保護設備配有完善可靠的電壓閉鎖裝置，在倒閘操作時可快速切除母線上的故障，同時又能保證出現(xiàn)外部故障時不誤動。500 kV母線保護系統(tǒng)的斷路器失靈保護功能包含在2套母線保護柜中，500 kV線路保護、主變保護、500 kV母聯(lián)保護的失靈啟動接點啟動斷路器失靈保護。2套500 kV母線保護組設置2面保護柜（A、B柜），500 kV母聯(lián)斷路器設1面母聯(lián)斷路器保護柜（配置母聯(lián)充電保護、過流保護裝置和操作回路繼電器）。

3 設計特點分析

CCS水電站作為國外建設的大型水電站，又處于嚴格遵守歐美標準和規(guī)范的地區(qū)，其繼電保護設計具有下面幾個主要特點。

（1）保護設備參數(shù)的選擇。因為厄瓜多爾電網(wǎng)頻率為60 Hz，因此繼電保護設備的參數(shù)選擇需要適應60 Hz頻率的特點，如保護設備交流采樣頻率和保護動作時間都是根據(jù)周波設定，50 Hz一個周波為20 ms，60 Hz一個周波為16.7 ms，這樣就比國內(nèi)工程的設備參數(shù)要求高。

（2）保護用電流互感器的選擇。CCS水電站采用發(fā)電機-變壓器組單元接線，經(jīng)500 kV一級電壓接入電力系統(tǒng)，系統(tǒng)的一次時間常數(shù)較大，因此短路電流非周期分量的衰減時間長，短路電流的暫態(tài)持續(xù)時間長。為保證在實際短路工作循環(huán)中電流互感器不致暫態(tài)飽和，系統(tǒng)保護及主變差動保護電流互感器均采用TPY級電流互感器。TPY級電流互感器在準確限值條件下最大峰值瞬時誤差不超過10%，滿足該工程要求。

（3）500 kV斷路器操作回路。國內(nèi)項目220 kV及以上電壓等級繼電保護設備普遍采用分相或三相操作箱作為控制回路的標準配置。但經(jīng)過業(yè)主和咨詢公司審查，他們堅持國外工程普遍認可和采用的方式，即保護出口回路、切換回路和監(jiān)視回路通過繼電器的搭接完成邏輯功能并設置專用的復歸繼電器，實現(xiàn)相應的功能。

（4）試驗插拔開關的設置。國內(nèi)項目對于保護柜的電流和電壓輸入，經(jīng)過電流電壓試驗型端子排后接入保護裝置的輸入端，通過功能壓板來實現(xiàn)保護功能的投退和跳閘出口的投退。對于該工程，業(yè)主和咨詢公司堅持使用試驗插拔開關裝置，保護柜的電流和電壓輸入、保護跳閘出口、失靈啟動等回路先經(jīng)過試驗插拔開關裝置后接入保護裝置，可對回路進行試驗和插拔，取消了硬壓板，這也是一種可借鑒的方法。

（5）GIS氣室氣壓低的處理措施。GIS氣壓報警屬于設備故障需要檢修報警，信號發(fā)到監(jiān)控系統(tǒng)，由運行人員根據(jù)故障情況通過監(jiān)控系統(tǒng)遠方跳開斷路器，使故障間隔退出運行，此為國內(nèi)工程一般做法。但業(yè)主和咨詢公司堅持要求每個間隔斷路器氣室的Ⅱ級壓力過低信號應引至相應的保護柜啟動跳閘回路跳開斷路器，并發(fā)信號到監(jiān)控系統(tǒng)，其他氣室和斷路器氣室的I級壓力低信號發(fā)到監(jiān)控系統(tǒng)。如果壓力過低信號未能被運行人員掌握，則故障時斷路器可能出現(xiàn)拒動等嚴重問題，這樣修改可以避免上述問題。

（6）保護柜直流電源雙回路供電。業(yè)主和咨詢公司要求每面保護柜上的保護裝置直流電源都采用雙回路供電并能自動切換，這樣雖然可靠性提高，但相比國內(nèi)每套保護裝置專用1回直流電源的要求，直流饋線柜的饋線回路數(shù)量大大增加，對直流饋線數(shù)量配置提出了更高的要求。

4 設計問題總結(jié)和分析

CCS電站的繼電保護設計工作雖然得以順利完成，但是仍存在一些問題，筆者對其進行了總結(jié)和分析。

（1）中西方設計理念的溝通和交流。因為CCS水電站合同要求設計規(guī)范采用美國和歐洲規(guī)范，設計標準引用和設計習慣問題一直是與外方業(yè)主、咨詢公司聯(lián)系最多的方面。中國水電行業(yè)發(fā)展迅速，在技術(shù)研究和工程實踐上都走在世界前端，但外方不太了解和相信我們的工程經(jīng)驗，存在疑慮。因此，在設計過程中出現(xiàn)技術(shù)差異時，應舉出工程實例，引用相關的國際國內(nèi)規(guī)范作技術(shù)支撐，使業(yè)主相信我們的工程經(jīng)驗和技術(shù)實力，這樣才能夠達到良好的效果。

（2）設計成果的形式。CCS水電站工程按照國際標準和規(guī)范完成設計，設計成果的形式也滿足外方業(yè)主、咨詢公司和運行人員的使用習慣，控制電纜表包含的內(nèi)容有電纜編號、電廠標識系統(tǒng)編碼、型號、截面、耐壓等級、信號回路電壓、起點、終點、起終點設備位置、電纜芯數(shù)及每芯的功能、敷設路徑、長度和參考圖號。控制電纜的所有信息都集中在一張圖紙上，與電纜相關的設備原理圖、電纜橋架布置圖以及外部相關的圖紙均在交叉索引信息欄內(nèi)標識。施工技術(shù)人員能夠很快查找到電纜的各種信息，減少接線錯誤。對于電站運行人員遇到的設備問題查根溯源也有很大的幫助。

（3）發(fā)電機定子接地保護的選型。該工程定子接地保護采用傳統(tǒng)配置形式：機端基波零序電壓和發(fā)電機兩側(cè)的三次諧波電壓比較法[2]，應考慮配置1套能實現(xiàn)100%保護范圍的外加電源注入式接地保護，外加電源頻率為20 Hz。注入式定子接地保護更適用于該工程采用的發(fā)電機中性點經(jīng)配電變壓器高阻接地的方式，國內(nèi)最新的《水力發(fā)電廠繼電保護設計規(guī)范》也推薦采用這種保護方式，這在今后的工作中要注意改進[4]。

（4）對發(fā)電機頻率保護的重視。由于CCS水電站裝機容量占厄瓜多爾全國總裝機容量的1/3左右，因此在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的環(huán)境中應加強對機組頻率保護的重視，以保證系統(tǒng)頻率維持在一個合理的范圍內(nèi)。當系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電側(cè)與負荷側(cè)有功功率供需失去平衡后，調(diào)速器的調(diào)節(jié)能力或調(diào)節(jié)速度的限制無法滿足系統(tǒng)的需求時，發(fā)電機的雙重頻率保護會確保在電網(wǎng)事故過程中可靠地將發(fā)電機組解列。

（5）發(fā)電機出口電流互感器布置問題。現(xiàn)場設備安裝時發(fā)現(xiàn)機端保護用電流互感器布置的問題，變壓器差動保護用的TPY型電流互感器布置在電氣制動短路刀閘的下方，靠近發(fā)電機側(cè)，制動時需要閉鎖變壓器差動，對于帶廠變分支的1#、8#機就存在問題。但現(xiàn)場變更將涉及封閉母線廠家重新設計、重新加工制造及運輸問題，會耽誤較長工期。采用的解決辦法是：停機時短時退出主變差動保護，由繼電保護廠家修改其內(nèi)部程序，其他各項保護如非電量、后備保護等仍保持運行。設計過程中忽視了這個問題，要引以為戒。

5 結(jié) 語

CCS水電站工程規(guī)模大、技術(shù)復雜，為保證電站的安全可靠運行，主要設備的繼電保護均按照雙重冗余方案設計。電站于2016年11月全部8臺機組投入商業(yè)發(fā)電。經(jīng)過近4 a的運行實踐，當電站發(fā)生內(nèi)外部故障時，保護設備都能準確切除故障，保證了電站和電網(wǎng)安全運行。

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【責任編輯 張華巖】