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陈 勇,周海燕 (广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635) 摘 要：针对广州蓄能水电厂B厂发电电动机继电保护系统改造前的配置情况及其存在的问题，结合现有规程规范及反措规定的要求，分析了发电电动机继电保护改造的方案，阐述其中的关键技术问题，为国内抽水蓄能电站相关继电保护系统设计或改造提供一定的参考。 关键词：抽水蓄能电站；发电电动机；继电保护；改造；设计 广州蓄能水电厂是我国运行历史最为悠久，运行经验最稳丰富的蓄能电厂[1]。广州蓄能水电厂B厂位于广东省广州市东北方向的从化市吕田镇境内，与广州的直线距离约为90 km，是1座日调节的纯抽水蓄能电站。B厂的机组保护由西门子公司提供，运行时间超过了12 a[2]，一方面继电保护系统设备达到了合理更换年限，另一方面由于广州抽水蓄能电厂B厂建设时间较早，其继电保护系统设计与现行的规程规范及反措要求多有不符之处。自2014年起至今，广州蓄能水电厂B厂开始对4台发电电动机、主变压器继电保护系统陆续进行国产化改造，本文重点对其发电电动机保护系统改造相关问题进行了分析与总结。 1 电气主接线广州蓄能水电厂B厂安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机—发电电动机机组，单机容量(发电工况)为300 MW，总装机容量为1 200 MW。机组与主变压器采用单元接线方式，机组设有出口断路器，其出口电压为18 kV；厂用电电源、励磁变电源、变频起动装置(SFC)电源引自主变低压侧；5#与6#，7#与8#单元分别在高压侧联合，组成2个联合单元接线经主变压器升压至500 kV；500 kV侧采用四角形接线，通过两回线路接入广东电网，并有一回与A厂的连接线，广州抽水蓄能电厂B厂主设备电气连接见图1。广蓄在电网中主要起着调峰填谷、调频、调压和事故备用的作用[2]。 图1 广州蓄能水电厂B厂主设备电气连接示意 2 发电电动机继电保护系统改造的必要性改造前，广州蓄能水电厂B厂发电电动机保护系统采用西门子公司保护装置，除主保护差动保护为双套配置外，其余后备保护均为单套配置，其保护系统配置如图2。 改造前，发电电动机保护系统由2面保护屏构成(CHA01屏、CHA02屏)，其中CHA01屏装设7UT 512、7UM 511、7UM 512、7UM 515、7SJ 511和RARIC轴电流保护装置(ABB公司)共6台保护装置，CHA02屏装设7UT 512、7SJ 511、7UM 516共3台保护装置，两面屏共计9台保护装置构成1套完整的发电电动机电气量保护，发电电动机组保护功能配置见表1。 图2 改造前发电电动机保护系统配置示意 表1 改造前发电电动机保护功能配置  盘柜保护装置内部功能7UT512-F11机组差动保护7UM511-F21失磁保护过电压保护低频保护定子过负荷保护逆功率保护7UM512-F22定子95%接地保护负序电流保护低频过电流保护CHA0118KV断路器失灵保护SFC接地保护7UM515-F24过激磁保护定子100%接地保护转子接地保护7SJ511-F33定子匝间故障保护F37轴电流保护CHA027UT512-F12机组差动保护7SJ511-F31定子过负荷保护(热保护)7UM516-F51低阻抗保护失步保护负序电流保护低功率保护 可见在改造前，发电电动机组保护配置与现有规范和反措的要求有较大的差距，并且一些保护如断路器闪络、启停机保护等功能无法实现，因此存在较大的隐患。综合相关资料[2-3]，改造前发电电动机保护配置不满足相关要求或可改进之处如下： ① 从图1和表1可知，广州蓄能水电厂B厂发电电动机保护只有部分功能双重化，机组保护中机组差动保护为双重化配置，其他保护均为单套配置，不符合反事故措施要求等相关国家标准和行业标准要求。 ② 发电电动机保护配置装置较多，机组保护共9台装置，增加了装置故障的可能性；同时CT、PT回路的串并接较多，回路可靠性下降，与目前国内其他特大型机组普遍采用的“完全双重化、主后一体化”配置思想差异较大。 ③ 差动保护动作范围问题。当发电电动机处于背靠背拖动方式时，在主变差动用机端CT和换相开关之间发生短路故障，主变差动保护将动作，扩大事故范围，而发电电动机差动保护将拒动；当发电电动机处于发电启动、SFC启动或背靠背启动方式时，在主变差动用机端CT和机端断路器之间发生短路故障，主变差动保护无法动作，发电电动机差动保护动作但无法切除故障点，只能依靠主变后备保护动作。 ④ 外部闭锁开入信号多。原有保护功能闭锁逻辑由外部继电器屏完成，保护装置接收闭锁信号开入直接闭锁相关保护功能，需接入大量外部闭锁开入，广州蓄能水电厂B厂发电电动机保护装置接入信号多达52路[1]。 ⑤ 定子接地保护配置1套100%注入式定子接地保护，1套95%中性点零序电压定子接地保护，未实现双套100%定子接地保护方案，不满足国内运行要求。 ⑥ 改造前西门子保护装置采用单CPU系统结构，装置硬件故障可能导致保护动作出口，不符合国家电网公司18项反事故措施要求。 ⑦ 断路器失灵保护采用单一电流判据，未采用相电流元件和负序电流元件的综合判据，不符合国家电网公司18项反事故措施要求。 ⑧ 缺少误上电保护、断路器闪络保护等，保护配置不完善。 因此，从保证发电电动机机组安全、稳定、可靠运行的角度出发，同时为满足相关规程规范和电网公司反措要求，有必要对广州蓄能水电厂B厂发电洞机组继电保护系统进行改造。 3 发电电动机继电保护系统改造方案根据现有规程规范及电力系统反措相关要求，广州蓄能水电厂B厂发电电动机的微机型保护装置按双重化配置，保护系统要保证2套发电电动机的微机型保护装置(包括出口跳闸回路)应完整、独立安装在各自的屏内，之间没有任何电气联系，当运行中的1套保护因异常需退出或检修时，应不影响另1套保护的正常运行。此外，每套保护装置均应配置完整的差动及后备保护，原则上每套保护的交流电压和交流电流应分别取自电压互感器和电流互感器互相独立的绕组，其保护范围应交叉重迭，避免死区[3]。改造后发电电动机组保护系统配置如图3所示。 广州蓄能水电厂B厂发电电动机保护装置采用南瑞继保PCS-985系列机组保护装置，电动机保护改造后配置如表2所示，可见主、后备保护均已双重化，差动保护范围也利用大、小差动实现交叉以消除死区，定子接地保护利用不同原理实现双重100%保护等，完全满足现有规范和反措的要求。 图3 改造后发电电动机保护系统配置示意 4 关键技术问题4.1 运行工况判别 抽水蓄能机组需要根据运行工况的判别，进行保护功能投退和相序转换，工况的正确判别是保护方案实施的前提。在改造时考虑直接接入监控系统信号接点，原有的外部闭锁逻辑由保护装置内部实现，外部开入接入量大幅减少，简化二次回路，减小回路故障率和维护工作量[4-5]，广州蓄能水电厂B厂发电电动机保护闭锁逻辑图如表3所示，其中“B”表示某保护在该工况条件下闭锁不投入。 表2 改造后发电电动机保护功能配置  序号A套保护(RCS-985GW)B套保护(RCS-985GW)1完全纵差1保护(小差)完全纵差1保护(小差)2完全纵差2保护(大差)完全纵差2保护(大差)3工频变化量差动保护工频变化量差动保护4裂相横差保护裂相横差保护5高灵敏横差保护高灵敏横差保护6复合电压过流保护复合电压过流保护7负序过流保护负序过流保护8定、反时限定子过负荷保护定、反时限定子过负荷保护9定、反时限转子表层负序过负荷保护定、反时限转子表层负序过负荷保护10失磁保护失磁保护11失步保护失步保护12过电压保护过电压保护13低电压保护低电压保护14定、反时限过励磁保护定、反时限过励磁保护  15低功率保护低功率保护16逆功率保护逆功率保护17低频保护低频保护18过频保护过频保护19低频差动保护低频差动保护20低频过流保护低频过流保护21低频零序电压保护低频零序电压保护2295%定子接地保护注入式100%定子接地保护23100%定子接地保护(零序电流判据+电阻判据)24注入式转子接地保护乒乓式转子接地保护25电压相序保护电压相序保护26电流不平衡保护电流不平衡保护27误上电保护误上电保护28轴电流保护轴电流保护29机端断路器失灵保护机端断路器失灵保护30CT断线判别CT断线判别31PT断线判别PT断线判别 表3 广州蓄能水电厂B厂发电电动机保护闭锁逻辑  保护名称发电运行发电调相水泵运行水泵调相拖动机运行被拖动运行断路器分闸状态电制动工况黑启动完全差动1保护BBB完全差动2保护BBB低频差动保护(小差)BBBB横差保护低值段BBB横差保护低值段横差保护高值段复合电压过流保护定子过负荷负序过负荷BBB低频保护BBBBBBB高频保护逆功率保护BBBBBBBB低功率保护BBBBBBBB失磁保护BBBB失步保护BBBB低频过流低值保护BBBBB低频过流高值保护BBBB低频零序电压保护BBBBBB95%定子接地保护BBBB100%定子接地保护电阻判据BBBB100%定子接地保护电流判据B过电压保护低电压保护BBBBBBB过激磁保护电压相序保护BBBBB转子接地保护断路器失灵保护BB轴电流保护电流不平衡保护BBBBBBBB误上电保护BSFC直流接地保护GCB失灵BB 4.2 完全双重化、主后一体化配置方案 机组保护和主变保护装置数量显著减少，完成了电气量的完全双重化保护配置，满足国标和行标要求。双套保护采用不同的电流互感器，主后备共用1组CT，CT接入总数有一定程度下降，但相关保护如差动保护2等仍然存在公用1组CT绕组的情况存在，只能等待有条件进行主设备改造时再予以完善；双套保护尽量采用不同的电压互感器或互相独立的绕组，对于零序电压，一般没有2个绕组，则同时接入2套保护装置。改造后，CT和PT显著减少了串接和并接数量，简化二次回路，提高回路可靠性。 4.3 完善定子接地保护功能配置 增设3次谐波比率定子接地保护，与95%基波零序电压定子接地保护构成1套完整的常规100%定子接地保护方案，中性点电压UN3和机端电压US3随故障点α的变化曲线如图4所示。利用3次谐波构成的接地保护可以反应发电机定子绕组中α<>α>0.15范围内的单相接地故障，且当故障点越靠近机端时，保护的灵敏度就越高。因此，利用3次谐波电压比值和基波零序电压的组合可以构成100%的定子绕组单相接地保护[6]。  图4 中性点电压UN3和机端电压US3随故障点α的变化曲线  图5 注入式定子接地保护示意 改造注入式定子接地保护，从中性点接地变压器二次侧接入低频电源(一般为20 Hz)，判据由零序电流判据和电阻判据构成。零序电流取接地变压器二次侧穿心CT电流，电阻则由保护装置根据接地变压器二次侧零序电压与电流之比计算所得，其保护示意如图5所示。因作为被拖动机运行时发电机中性点接地刀闸断开，电阻判据需要在相关工况时进行闭锁，如表3所示。 3次谐波比率定子接地保护与注入式定子接地保护构成完整的双套100%定子接地保护方案，满足国内标准和运行要求。 4.4 消除差动保护死区 发电电动机差动保护和主变差动保护采用不同差动范围的双套差动保护(大差和小差)，如图6所示，消除原有差动保护范围死区。小差动保护范围为机组本体及机端范围内，受工况影响相对较小，大差动保护可扩展至换相刀范围，但受工况影响相对较大。实际上，目前新建的抽水蓄能电站中，已经较少在换相刀内设置CT绕组[7]，为了避免保护在多种工况下需要闭锁的目的。  图6 广州蓄能水电厂B厂保护改造后大小差动保护范围 5 结语目前，我国抽水蓄能电站建设已经进入了高速发展时期，按照目前抽水蓄能电站开工计划，预计2020年装机容量至少达到7 000万kW。因此，蓄能机组及其二次控制保护设备的国产化刻不容缓[2]。抽水蓄能电站保护的配置和设计，包括互感器的布置、闭锁特性和原理等，与常规水电站保护有很多不同，是由抽水蓄能电站机组的工况特点和接线方式所决定，抽水蓄能电站保护必须研究和解决这些特殊问题。广州蓄能水电厂B厂保护国产化改造是广东省内第1次由国外厂家产品改为国产化产品，提供了很多很好的思路，值得去分析和思考，为抽水蓄能电站保护的国产化提供可靠的借鉴。 参考文献： [1] 蔡鑫贵，史继莉. 广州蓄能水电厂机组及主变压器机电保护的配置与运行[J]. 继电器，2006，34(24):65-69. [2] 贺儒飞. 抽水蓄能机变保护国产化若干重要问题研究[J]. 电网与清洁能源，2014，30(9):88-91. [3] 龚翔峰. 抽水蓄能电站机组国产化改造[J]. 江苏电机工程，2012，31(2):33-36. [4] 王永卫，程鹏. 抽水蓄能电站机组与主变压器保护闭锁逻辑问题研究[J]. 水电与抽水蓄能，2015，1(2):22-25． [5] 卢勇，贺儒飞. 抽水蓄能机组保护及其控制的一些特殊问题的分析[J]. 水力发电，2014，40(11):39-42． [6] 张保会，尹项根.电力系统继电保护[M]. 北京：中国电力出版社，2009，207-208． [7] 贺儒飞. 大型抽水蓄能电站机组保护闭锁逻辑研究[J]. 水力发电，2014，40(11):35-38． (本文责任编辑 王瑞兰) Design of the Relay Protection System Reform of Generator-Motor of Guangzhou Pumped Storage Power Station Plant BCHEN Yong, ZHOU Haiyan (Guangdong Hydropower Planning &Design Institute, Guangzhou 510635, China) Abstract：Firstly, relay protection configuration and the existing problems of the generator-motor of the Guangzhou Pumped Storage Power Station (PSPS) plant B are elaborated. Secondly, combined with the existing rules and anti-accident requirements of relay protection of the gird, the reformation scheme of relay protection for the generator- motor is analyzed. Finally, critical technical problems are summarized, and it can provide some reference for the design and reform of the relay protection system of domestic PSPS. Keywords：pumped storage power station；electric generator; relay protection；reform；design 收稿日期：2017-03-15; 修回日期：2017-04-05 作者简介：陈勇(1985)，男，硕士，工程师，从事水利水电电气二次设计工作。 中图分类号：TV743；TM312 文献标识码：B 文章编号：1008-0112(2017)08-0069-07 |
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