抽水蓄能電站機組繼電保護配置及功能分析

沈浩琦，謝晨茜

（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

0 引言

抽水蓄能電站是一種具有啟動快、負荷跟蹤迅速和反應快速的特殊電站，可以利用其進行調頻和調峰等作業，能夠促進電網的安全穩定運行。隨著國家把碳達峰和碳中和納入生態文明建設整體布局，構建以新能源為主體的新型電力系統，抽水蓄能電站在電網中的重要性日漸凸顯。與常規水電站相比，抽水蓄能電站多了一個水泵工況，因此它除了配置一些常規水電站機組保護外，還應配置相應的其他保護。如電壓相序保護、低頻保護、低功率保護等等。如果其處于電氣制動、水泵工況啟動過程中等階段，一些保護將會失去其原本的功能，甚至還會產生誤動的問題。

1 保護裝置的要求

1.1 電壓相序保護

抽水蓄能機組會把出口開關、電網等設備聯接在一起，這時就需要通過換相開關來控制機組的狀態，當電網需要我們發電時，合發電換相開關，此時發電機組相序與電網的相序一致，則向電網輸送功率，轉子順時針方向旋轉。當電網需要我們抽水時，合抽水換相開關，此時機組的相序與電網的相序保持著相反的狀態，轉子逆時針方向轉動。保護裝置需要判斷哪個換相開關在合位，以此來判定抽水蓄能機組處于何種工況。因此電壓相序保護作為沙河抽水蓄能電站機組運行時換相開關誤動作的保護。動作后果：跳開關、滅磁、停機、關進水閥。

圖1 換相開關連接圖

1.2 低頻保護

抽水蓄能機組在抽水啟動過程中，可選擇使用SFC或背靠背來啟動機組抽水，把機組從靜止拖動同步至額定速度，在此過程中機組的頻率是由低到高變動的。當電氣制動時，機組會以低頻的狀態運轉一段時間，在常規保護下，低頻分量不能可靠動作，所以裝置必須分析實時工作的頻率，對其頻段加以適當調節，以此來保護其使用功能，并且還應當配備相對應的電壓互感器及電流互感器等，讓裝置在采樣時的精確度達標。因此低頻保護作為沙河抽水蓄能電站機組水泵工況時頻率過低的保護。動作后果：跳開關、滅磁、停機、關進水閥。

1.3 低功率保護

抽水蓄能機組在作為水泵工況運行時，若電網電源突然丟失，機組轉速降低，此時水頭的作用力與機組旋轉的方向相反，機組將會產生劇烈的水力振蕩，嚴重時可能出現軸承損壞的情況。若機組在水頭的作用力下轉速降至零后不能及時停機關主閥，機組將在水頭的作用力下朝著反方向轉動直至過速。這種情況的發生對壓力鋼管、上游水道及機組都很危險。因此低功率保護作為沙河抽水蓄能電站機組在水泵工況時失去系統電源造成機組飛逸的保護。動作后果：跳開關、滅磁、停機。

2 沙河抽水蓄能電站的保護配置

沙河抽水蓄能電站所使用的發電電動機由法國ALSTOM公司生產，機組型號為SFD50-20/630，可實現發電空載、發電空轉、發電、抽水、停機5種工況轉換操作。沙河抽水蓄能電站設2套RCS-985微機發變組成套保護裝置，A屏配置1套RCS-985GW發電電動機保護裝置、1臺CJX-12操作箱和1臺打印機；B屏配置1套RCS-985GW發電電動機保護裝置、1套RCS-985U注入式定子接地保護輔助電源裝置和1臺打印機。1套RCS-985GW裝置可完成發電電動機及勵磁變全部保護功能，2套RCS-985GW可以實現主保護、異常運行保護、后備保護的全套雙重化，操作回路和非電量保護裝置單獨配置。2套RCS-985裝置取不同組TA,主保護、后備保護共用一組TA,出口對應不同的跳閘線圈。

3 不同工況下的保護功能分析

3.1 抽水工況

抽水蓄能機組處于水泵工況下運轉時，其需要在電網當中吸收有功功率，此時出口側電流互感器采集的電流方向就會和中性點側電流互感器采集的電流方向相反，進而形成保護誤動的現象。沙河抽水蓄能電站保護裝置采集機組換相開關位置，以此來確認機組實際的運行工況，自動切換并選擇合適的差動數值，避免發生誤動現象。要想讓機組能夠在啟動后保持平穩的運行狀態，就要讓換相開關對某些工況進行檢查，查看其電壓相序和旋轉方向是

否一致，而且保護要在機組未并網之前就投入使用，或者利用出口開關位置接點來閉鎖某些保護。

3.2 背靠背工況

抽水蓄能機組在執行抽水命令時，一般會由SFC將機組拖動到同步轉速之后再進行并網，如果SFC一旦發生故障，則會采取背靠背的形式啟動。其中1臺機組作為拖動機去拖動另外1臺機組，拖動機出口開關和拖動開關合閘，把2臺機組連接在一起，并把拖動機作為原動機，使其能夠以同步轉速并網。當機組在背靠背啟動過程中，拖動機的中性點接地閘刀在合位，其中性點和接地保護的電源相連接，構成回路形成環流，進而引發一系列的保護誤動。所以背靠背啟動階段，必須要引入拖動開關的位置接點，對保護進行閉鎖，在構建電氣回路前，就必須先將拖動機的接地閘刀分閘，使2臺機組僅有一個接地點，擴大保護裝置的保護范圍，并在拖動機出口開關分閘之后，中性點接地閘刀又可以重新恢復合閘的狀態，避免其保護誤動。

4 保護故障分析及處理過程

4.1 故障描述

某日，2號機組水泵工況操作停機，在轉速＜50%投電氣制動過程中，2號機組保護屏SR489-2保護裝置動作，機組轉緊急停機。

4.2 動作原因分析

（1）磁場開關合后，定子電流1 100 A左右，差動保護動作，此時如果相關中間繼電器未能閉鎖出口，則磁場開關分，電氣量消失，不會再有后面的“次同步過流動作”和“低電壓動作”。

（2）磁場開關合后，經200 ms次同步過流動作，此時如果相關中間繼電器未能閉鎖出口，則磁場開關分，電氣量消失，不會再有后面的“低電壓動作”。

（3）磁場開關合后，經2 s低電壓動作，保護出口，磁場開關分，電氣量消失，機組轉緊急停機，此后保護裝置中沒有其他報文。

綜上所述，本次事件一定是低電壓功能出口。電氣制動過程中，定子電壓為0 V，定子電流在950～-1 150 A，低電壓保護邏輯中I＞0.075 CT和U＜0.75 Un這2個條件一直滿足，而在電氣制動過程中，機組出口開關已分，“機組并網”條件不滿足，低電壓保護應該不動作。“機組并網”條件由機組出口開關位置輔助觸點送至保護屏后，經編號009XL中間繼電器（型號CS-ZO6AB）擴展，該繼電器第1副接點送SR489-1，第2副接點送SR489-2，本次事件SR489-1中低電壓未動作，SR489-2中低電壓動作，說明編號009XL中間繼電器第2副接點接觸不良。低電壓功能邏輯如下：

圖2 低電壓功能邏輯圖

4.3 故障處理

用備品更換編號009XL中間繼電器后，2號機組開空轉停機，電氣制動過程中，SR489-1和SR489-2中只有“差動動作”和“次同步過流動作”報文，未有“低電壓動作”報文。

5 結語

綜上所述，抽水蓄能機組運行工況轉換頻次高、接線復雜，所提出的保護裝置要求嚴苛。在進行配置保護裝置時，需要分析各類工況對保護功能所形成的影響，同時還要確保各個保護功能之間處于完美的配合狀態，提升其機組保護的安全可靠度，避免其產生誤動或者拒動等問題。