瀑布溝水電站500 kV高壓電纜保護(hù)國產(chǎn)化改造

魏玉芳，劉 灝

（國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304）

0 引言

國能大渡河瀑布溝水電站位于四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣境內(nèi)，裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量600 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)及6臺(tái)500 kV升壓變壓器，布置在地下洞室主廠房內(nèi)，發(fā)變組采用單元連接方式，6臺(tái)升壓變壓器高壓側(cè)接六回500 kV交聯(lián)聚乙烯高壓擠包電纜（簡稱高壓電纜），長度300～600 m不等，通過2個(gè)電梯電纜豎井引上到地面500 kV開關(guān)站GIS設(shè)備，開關(guān)站采用4/3接線方式，電量經(jīng)4條500 kV線路輸送至四川電網(wǎng)。

500 kV高壓電纜作為瀑布溝水電站重要輸電設(shè)備之一，連接地下洞室廠房發(fā)電、變電設(shè)備與地面廠房輸配電設(shè)備，為確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行，采取的繼電保護(hù)方案應(yīng)能快速反應(yīng)各種故障及異常運(yùn)行，微機(jī)繼電保護(hù)裝置必須滿足“可靠性、快速性、靈敏性、速動(dòng)性”及各項(xiàng)規(guī)程規(guī)范要求。該電站原高壓電纜保護(hù)裝置由國外阿?，m電氣公司提供，保護(hù)裝置及附屬二次回路多處不滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范、反事故措施要求，且運(yùn)行可靠性低，曾發(fā)生一起因500 kV線路雷擊導(dǎo)致的高壓電纜保護(hù)誤動(dòng)事件。自2015年至今，瀑布溝水電站啟動(dòng)了500 kV高壓電纜繼電保護(hù)設(shè)備國產(chǎn)化改造工作，于2020年全部完成。

1 原保護(hù)配置情況

瀑布溝水電站采取高壓電纜分相電流差動(dòng)保護(hù)及接地保護(hù)的雙重化保護(hù)配置方案，差動(dòng)保護(hù)裝置采用阿?，m公司提供的P541型微機(jī)繼電保護(hù)裝置，在高壓電纜靠主變側(cè)布置雙重化配置的兩面保護(hù)屏，主變側(cè)P541裝置采集主變高壓側(cè)電流，在高壓電纜靠500 kV母線側(cè)布置雙重化配置的兩面保護(hù)屏，母線側(cè)P541裝置分別采集500 kV中斷路器與邊斷路器電流，三者之間通過光纖傳遞電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三側(cè)差動(dòng)保護(hù)功能。當(dāng)高壓電纜停運(yùn)、斷路器合環(huán)運(yùn)行時(shí)，通過修改P541控制字，將三側(cè)差動(dòng)保護(hù)轉(zhuǎn)為兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)，作為短引線保護(hù)使用。在母線側(cè)布置了一套P122型電流保護(hù)裝置，采集500 kV高壓電纜回流線電流，實(shí)現(xiàn)高壓電纜接地保護(hù)。

同時(shí)利用P541裝置遠(yuǎn)傳功能傳遞高壓電纜兩側(cè)隔離刀閘、接地刀閘等位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)隔刀、地刀操作時(shí)電氣閉鎖，以及安全穩(wěn)定控制裝置、頻率電壓緊急控制裝置動(dòng)作后跳發(fā)電機(jī)出口斷路器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)切機(jī)功能。另利用P541裝置遠(yuǎn)跳功能實(shí)現(xiàn)發(fā)變組保護(hù)遠(yuǎn)跳500 kV斷路器、500 kV斷路器失靈動(dòng)作聯(lián)跳發(fā)變組，保護(hù)配置（單套）示意圖如圖1所示（以3號(hào)高壓電纜為例）。

圖1 500 kV高壓電纜保護(hù)配置示意圖（單套）

2 存在的問題

自2010年全部投運(yùn)以來，保護(hù)裝置軟件及硬件可靠性低，2012年500 kV布坡四線因雷擊造成瞬時(shí)接地故障，過程中6B高壓電纜保護(hù)主變側(cè)1號(hào)保護(hù)裝置因B相瞬時(shí)沖擊電流誤動(dòng)，跳開6號(hào)發(fā)電機(jī)出口斷路器及6號(hào)高壓廠用變低壓側(cè)斷路器，造成6號(hào)發(fā)電機(jī)非計(jì)劃停運(yùn)、10 kVⅥ段廠用電母線失電，而雙重化配置的另一套保護(hù)未動(dòng)作，給當(dāng)班運(yùn)行值班人員故障判斷、應(yīng)急處理造成極大干擾。保護(hù)裝置硬件故障率高，多次發(fā)生開入插件、CPU插件故障，備品備件采購周期長、費(fèi)用昂貴，且阿海琺公司被施耐德并購后，售后服務(wù)、技術(shù)支持連續(xù)性差，給電廠后續(xù)檢修維護(hù)造成極大不變，硬件及服務(wù)均已無法滿足用戶要求，具體技術(shù)問題如下：

（1）操作界面采用英文，且菜單設(shè)置方式與國內(nèi)保護(hù)裝置通用方式差異較大，采樣查看、修改查看定值等操作復(fù)雜。

（2）未配置打印接口，無法現(xiàn)場打印事故動(dòng)作報(bào)告波形、裝置定值單，需使用專用軟件連接保護(hù)裝置導(dǎo)出，且軟件采用全英文，操作使用極為不便。

（3）功能缺失，無電流回路斷線報(bào)警及自檢功能，功能壓板投退后裝置不顯示開入變位，無法對(duì)運(yùn)行過程中因開入通道損壞、開入壓板松動(dòng)造成的保護(hù)投入異常進(jìn)行自檢報(bào)警，部分定值整定范圍不滿足整定規(guī)程的要求。

（4）跳閘出口插件輸出接點(diǎn)不夠，需經(jīng)中間繼電器擴(kuò)展，該繼電器采用上海繼電器廠提供的RXMS1 RK 216 DC220V型中間繼電器，該繼電器動(dòng)作啟動(dòng)功率小于5 W，且不具備抗220 V工頻電壓干擾的能力，不滿足國家能源集團(tuán)二十五項(xiàng)反事故措施及技術(shù)監(jiān)督要求。

（5）保護(hù)裝置采用220 V強(qiáng)電直接開入，因直流系統(tǒng)均浮充轉(zhuǎn)換時(shí)的直流電壓變動(dòng)，以及運(yùn)行人員在投退壓板過程中短時(shí)的壓板接觸不良打火，極易造成開入通道損壞，設(shè)備硬件可靠性低，且廠家后續(xù)生產(chǎn)的保護(hù)裝置版本與原裝置不兼容，一旦發(fā)生裝置故障，需更換三側(cè)P541保護(hù)裝置，檢修維護(hù)難度大。

（6）主變側(cè)、母線側(cè)保護(hù)裝置采用單通道光纖通信方式，無光纖通道冗余，發(fā)生通道異常情況則必須停用整套保護(hù)裝置，對(duì)主設(shè)備保障作用降低。

綜上所述，為保障500 kV高壓電纜安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，同時(shí)滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范及反事故措施要求，以及便于運(yùn)行維護(hù)，必須對(duì)瀑布溝水電站500 kV高壓電纜保護(hù)進(jìn)行改造。

3 改造技術(shù)方案

國產(chǎn)化繼電保護(hù)裝置在國內(nèi)已普遍應(yīng)用，保護(hù)原理日益成熟，設(shè)備廠家標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)水平及裝置運(yùn)行可靠性不斷提高，且裝置便于整定、調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)[1]。瀑布溝水電站于2015年啟動(dòng)首套500 kV高壓電纜國產(chǎn)化改造工作，根據(jù)規(guī)程規(guī)范及反措要求，改造后仍采用雙重化配置，每套保護(hù)包含完成的主后備保護(hù)裝置，且每套保護(hù)的電源、電流等回路完全獨(dú)立，將原保護(hù)屏柜及保護(hù)裝置全部拆除后安裝新保護(hù)屏柜，并沿用原保護(hù)屏外圍電源、電流、信號(hào)、開入回路電纜及光纖通道，以減少改造工作量，縮短工期。

改造方案采用三端差動(dòng)保護(hù)完成高壓電纜投入運(yùn)行方式下高壓電纜故障的保護(hù)，采用兩端差動(dòng)保護(hù)方案對(duì)高壓電纜退出運(yùn)行方式下隔刀及3/2串內(nèi)CT之間故障的保護(hù)[2，3]，保護(hù)裝置配置方案調(diào)整為高壓電纜差動(dòng)保護(hù)+短引線保護(hù)+高壓電纜接地保護(hù)雙重化配置，分別采用南京南瑞繼保工程公司提供的PCS-931LM、PCS-922G、PCS-9621D型微機(jī)保護(hù)裝置，以3號(hào)高壓電纜保護(hù)為例，保護(hù)配置圖與電流回路圖如圖2所示。

圖2 國產(chǎn)化改造后的500 kV高壓電纜保護(hù)配置示意圖及電流回路圖（單套）

主變側(cè)與母線側(cè)各布置一臺(tái)PCS-931LM型超高壓線路電流差動(dòng)裝置，主變側(cè)PCS-931LM采集主變高壓側(cè)電流互感器電流，母線側(cè)PCS-931LM采集500 kV斷路器電流，裝置之間通過雙光纖通道通信[4，5]，任一通道發(fā)生異常時(shí)不影響保護(hù)正常功能，提供分相電流差動(dòng)作為快速主保護(hù)、過負(fù)荷作為后備報(bào)警的主后備一體保護(hù)，在500 kV高壓電纜投運(yùn)時(shí)投入差動(dòng)保護(hù)功能，同時(shí)PCS-931LM具備原P541保護(hù)裝置的遠(yuǎn)傳、遠(yuǎn)跳功能。

新增的PCS-922G布置在母線側(cè)，采集兩臺(tái)500 kV斷路器電流，提供高壓電纜停運(yùn)、斷路器合環(huán)運(yùn)行時(shí)的兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)，正常運(yùn)行時(shí)需退出，僅該運(yùn)行工況下投運(yùn)，由500 kV高壓電纜靠母線側(cè)隔刀位置信號(hào)及功能壓板（二取一）進(jìn)行投退。

PCS-9621D采集高壓電纜回流線電流，作為高壓電纜接地故障后備保護(hù)，保護(hù)整定躲過正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡電流。

國產(chǎn)化改造后的500 kV高壓電纜保護(hù)功能配置齊全，實(shí)現(xiàn)100%無死區(qū)保護(hù)，裝置硬件及軟件可靠性高，具備自檢、閉鎖等功能，抗干擾能力強(qiáng)，為500 kV高壓電纜提供更可靠保障，同時(shí)按照國網(wǎng)“九統(tǒng)一”標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，滿足規(guī)程規(guī)范及反事故措施的要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

4.1 根據(jù)運(yùn)行工況投退保護(hù)功能

短引線保護(hù)的投退方式可能導(dǎo)致短引線保護(hù)無法可靠、正確動(dòng)作[6]。因高壓電纜差動(dòng)保護(hù)與短引線保護(hù)范圍不同，需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行功能投退，否則極易造成保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)高壓電纜正常運(yùn)行時(shí)短引線保護(hù)差流即為高壓電纜負(fù)荷電流，該電流隨發(fā)變組負(fù)荷變化，可能大于短引線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作門檻值，因此該運(yùn)行工況下短引線保護(hù)功能壓板必須退出防止誤動(dòng)作，而高壓電纜停運(yùn)、斷路器合環(huán)運(yùn)行時(shí)，高壓電纜保護(hù)差流為流過斷路器的電流，該電流隨開關(guān)站潮流變化可能大于高壓電纜差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作門檻值，因此該運(yùn)行工況下功能壓板必須退出，而此時(shí)短引線保護(hù)必須投入，否則斷路器之間的GIS設(shè)備處于無保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 利用遠(yuǎn)傳功能完善相關(guān)保護(hù)邏輯

原發(fā)變組保護(hù)未配置斷路器閃絡(luò)保護(hù)，通過本次國產(chǎn)化改造新增該保護(hù)功能，僅在發(fā)電機(jī)帶變壓器及高壓電纜遞升加壓、利用500 kV斷路器同期并網(wǎng)時(shí)投入，作為并網(wǎng)斷路器兩側(cè)電壓相角差為180°時(shí)可能造成的斷路器閃絡(luò)故障快速保護(hù)[7，8]。500 kV斷路器分閘位置信號(hào)作為斷路器閃絡(luò)保護(hù)唯一開關(guān)量判據(jù)，由母線側(cè)PCS-931LM裝置采集遠(yuǎn)傳至主變側(cè)PCS-931LM裝置開出至主變壓器保護(hù)裝置。同時(shí)該信號(hào)作為500 kV高壓電纜差動(dòng)保護(hù)弱饋功能及主變倒送電保護(hù)重要開關(guān)量判據(jù)，通過本次改造完善了以上保護(hù)功能。

4.3 利用遠(yuǎn)傳功能完善閉鎖回路

原發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘電動(dòng)合閘操作不受500 kV主變高壓側(cè)接地刀閘合閘閉鎖，本次改造完善了該閉鎖回路，由母線側(cè)PCS-931LM裝置采集主變高壓側(cè)接地刀閘位置信號(hào)遠(yuǎn)傳至主變側(cè)PCS-931LM裝置并輸出開關(guān)量至發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘操作回路，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)操作閉鎖，完善了主變兩側(cè)隔刀、地刀五防閉鎖功能。

4.4 短路升流試驗(yàn)驗(yàn)證CT極性正確

為確保國產(chǎn)化改造后的保護(hù)裝置差動(dòng)電流回路極性正確，開展發(fā)電機(jī)帶主變壓器及高壓電纜短路升流試驗(yàn)，在500 kV邊、中斷路器兩側(cè)各設(shè)置三相短路點(diǎn)，分別向兩個(gè)短路點(diǎn)提供短路電流，通過保護(hù)裝置差流采樣判斷電流回路極性正確。試驗(yàn)前必須對(duì)短路升流路徑上相關(guān)的線路T區(qū)保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)、安全穩(wěn)定控制裝置等電流回路做好隔離防范技術(shù)措施，防止運(yùn)行中的裝置因試驗(yàn)電流而誤動(dòng)作。

5 結(jié)語

隨著國內(nèi)大型水電站單機(jī)容量不斷提升，高壓電纜作為水電站站內(nèi)重要的電量輸送通道，其繼電保護(hù)配置方案可靠、合理以及繼電保護(hù)裝置軟硬件可靠性愈加重要，應(yīng)能根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況靈活選擇相關(guān)保護(hù)功能投退，確保無保護(hù)死區(qū)，同時(shí)設(shè)備穩(wěn)定性高，便于運(yùn)行、維護(hù)及檢修。瀑布溝水電站500 kV高壓電纜保護(hù)于2020年完成全部國產(chǎn)化改造，投運(yùn)以來運(yùn)行可靠，本文總結(jié)了改造經(jīng)驗(yàn)，為大型水電站高壓電纜繼電保護(hù)方案的設(shè)計(jì)及改造提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。