抽水蓄能機組換相隔離開關的非全相保護

司紅建，陶曉光

（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 引言

電力系統在運行中，由于各種原因，斷路器可能斷開一相或兩相，造成非全相運行[1]。抽水蓄能電站主接線中發電機與變壓器之間布置有出口斷路器GCB、換相斷路器等開關設備，如圖1所示。此類設備均為機械操作機構，由于動作頻繁，機械疲勞等原因，增大了斷路器三相不能同時合閘或跳閘概率，造成機組非全相運行。以往的非全相保護重點關注機組斷路器GCB、主變高壓斷路器、線路斷路器等高壓斷路器。對于抽水蓄能電站，換相隔離開關同樣存在非全相問題，如不及發現，將導致故障擴大。換相隔離開關是抽水蓄能機組的特有設備，因抽水蓄能機組要滿足發電方向和抽水方向運行對相序的不同要求，所以設置了換相隔離開關[2]。

圖1 抽水蓄能電站單元主接線

某日，某電站機組抽水啟動時，抽水換相開關QFV41合閘后，發變組保護動作，跳主變、機組停機。故障后檢查發現發電換相開關A相連桿斷裂，A相觸頭在上次發電工況停機時未有效分閘，A相仍處于合閘位置，抽水換相開關A相一側電壓為主變低壓側A相電壓，另一側為主變低壓側B相電壓。機組抽水啟動時，抽水換相開關先合閘，導致主變低壓側A B相短路，發變組保護動作。由于換相開關采用三相聯動操作機構，本體不設置三相輔助觸點，輔助位置觸點不能真實反映各相觸頭實際位置，此故障極具隱蔽性，容易引起故障擴大。近年來，隨著光伏、風電等新能源大規模并網，抽水蓄能對電網調峰作用被廣泛重視，機組啟停愈發頻繁，換相斷路器操作次數明顯增加，故障概率提升，需提出有效的解決方案來避免此類故障發生。

2 傳統非全相保護實現形式

2.1 開關輔助接點判據非全相保護

斷路器非全相保護實現依靠反映斷路器三相位置不一致回路，通過三相輔助觸點的組合來實現。如圖2所示。通過斷路器輔助觸點這種方式，可以實現非全相保護，但可靠性較差，可能由于輔助觸點和回路問題導致誤動。輔助觸點判斷非全相保護多用于分相操作高壓斷路器，對于三相一體操作箱，一般不配置單相輔助觸點，實現難度較大。

圖2 輔助觸點非全相保護原理圖

在斷路器本體機構箱采用斷路器輔助接點的組合就地實現非全相保護功能,稱作斷路器本體非全相保護。這種設計方式有著比較明顯的優點:①設計簡單，不需要配備專門的非全相保護裝置，所有接線在斷路器機構箱中完成；②不再需要從斷路器機構箱到非全相保護屏的電纜接線，這不僅減少了工程成本，而且可以防止這段電纜絕緣破壞產生直流接地時造成非全相保護誤動的潛在危險，有利于電氣設備的穩定運行。

2.2 電流判據非全相保護

斷路器非全相合分閘時，系統不對稱，將有負序電流流過發電機定子繞組，其中負序電流磁場與轉子磁場旋轉方向相反，強度相等，從而在轉子中產生倍頻電流。在短時間內，負序電流使轉子溫度升高的程度，與負序電流I2的大小及其持續時間t的長短有關[3]（圖3）。

圖3 反時限負序電流動作特性

式中I2為負序電流，t為負序電流持續的時間，A為轉子承受負序電流溫升常數。

3 換相開關的非全相保護措施

換相開關在回路中起切換相序的作用，機組發電態時電壓為正序，抽水態時電壓為負序，抽水蓄能機組啟動時，換相開關先合閘，出口開關GCB再同期合閘，停機時順序正好相反。換相開關分合閘時，回路中有電壓但沒有電流，電流判據非全相無法用于換相開關保護。由于換相開關多為三相一體式操作機構，不配置單相輔助觸點，輔助觸點判據非全相保護也難以實現。換相開關換相觸頭合閘時需承擔回路負荷電流，分閘時斷口需承受線電壓，觸頭兩側壓差的大小與動靜觸頭間距離有密切關系，可根據觸頭兩側電壓特征量來設計換相開關非全相保護措施。

3.1 基于支柱絕緣子的開關非全相報警

將換相開關發電機側的母線支柱絕緣子更換為帶電壓傳感器式支柱絕緣子，具備電壓檢測功能，配合高壓帶電檢測器，檢測換相開關發電機側相電壓，通過開關本體輔助觸點和高壓帶電顯示器的輔助觸點檢測開關非全相狀態，見圖4。支柱絕緣子式電壓互感器可用于3.6～40.5 kV中壓回路中，用以檢測母線電壓，配合高壓帶電顯示器，當檢測到母線電壓為15%～65%Un時輸出母線帶壓開關量接點，母線帶電時，接點11、14閉合，11、12斷開,母線失電時，接點11、14斷開，11、12閉合。

圖4 基于支柱絕緣子的非全相報警圖

機組啟動合閘時，本體輔助觸點S03常開接點接通，正常合閘帶電輔助接點11、12斷開，非全向報警信號無輸出。當某相主觸頭未閉合，接點11、12閉合，向監控系統發出換相開關非全相報警信號，啟動機組停機，防止機組啟動流程繼續執行非全相并網擴大事故范圍。機組停機分閘時，本體輔助觸點S03常閉接點9、10接通，正常分閘帶電輔助接點11、14斷開，非全相信號無輸出，當某相由于機構原因未分開時，帶電相輔助觸點11、14接通，向監控系統發出換相開關非全相報警信號，提醒運維人員檢查處理，防止機組下次啟動發生短路事故。

3.2 基于電壓判斷的非全相保護

換相開關機構故障多發生于觸頭分合閘過程中，動觸頭可停留在任何位置，停留位置不確定，發電側母線電壓大小也差異較大，基于支柱絕緣子式容性高壓互感器的非全相報警設計存在靈敏性問題，母線電壓在0～15%Un會感應不到，可能導致信號誤報，影響機組運行。2015年，電壓判據非全相保護新型判據運用后，可考慮拓展應用至換相開關非全相保護，用以提高換相開關故障檢測的靈敏性和正確性。一般換相斷路器和出口斷路器GCB之間不配置電壓互感器，實現起來較為困難，考慮對隔離母排進行改造，增加一組電壓互感器，用于監測換相開關兩側電壓。

電壓判據非全向保護采用基于相電壓相量差值和零序電壓相量差值原理，不依賴電流量大小和輔助接點。斷路器合閘時，斷路器端口兩側電壓應完全一致。當斷路器發生非全相時，斷路器端口兩側電壓相量則出現差值。

合閘情況下，以A相發生非全相（未合上）運行故障為例，動作方程如下：

分閘情況下，以A相發生非全相運行故障（未斷開）為例，動作方程如下：

ΔUa、ΔUb、ΔUc分別為換相開關兩側A、B、C相電壓相量差值，ΔUset1、ΔUset2分別為電壓相量差值定值1和定值2，UNa為換相開關主變側A相電壓，UOM.cal為換相開關發電機側和主變側自產零序電壓幅值，UOcal.set為自產零序電壓門檻值，Uph.N為二次額定相電壓。

換相開關主變側始終帶電，非全相合閘時，故障相斷口將產生電壓相量差，而非故障相斷口電壓相量差為零，判據能快速檢測出故障相，防止機組進一步啟動非全相并網引起機組振動和后備保護動作。分閘時，故障相斷口電壓差小于設定值，非故障相壓差最大，判據能靈敏檢測故障相并報警，有效避免下次啟動發生短路事故，擴大故障范圍。

采用零序電壓原理時合閘情況下，零序電壓相量差值動作方程如下：

UNφ為換相開關主變側單項電壓，ΔUo為換相開關兩側零序電壓相量差值，ΔUo.set為零序電壓相量差值定值。

換相開關正常合分閘時，開關兩側零序電壓向量差基本為零，發生非全相故障時，兩側零序電壓向量差明顯增大，快速反應故障特征，判別開關非全相合分閘，停機或報警，避免機組和變壓器故障受損。

4 結束語

抽水蓄能換相斷路器分合操作頻繁，機械等原因易導致非全相分合閘，且未采取有效的非全相檢測手段和保護措施，給生產運行帶來較大隱患。在換相斷路器機組側安裝電壓傳感器或互感器，測量斷路器斷口兩側電壓，借鑒GCB非全相電壓判據成功經驗，能夠在斷路器分合閘后靈敏識別故障，避免故障擴大影響機組運行。