樂昌峽水利樞紐電站繼電保護系統(tǒng)設(shè)計

陳 勇,，李曉春

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

摘 要：結(jié)合樂昌峽水利樞紐電站主接線,，針對電站繼電保護系統(tǒng)的設(shè)計原則和系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，依次闡述了發(fā)電機、主變壓器,、母線,、廠用變及管理區(qū)變的繼電保護設(shè)計方案，對國內(nèi)同等類型的水電站繼電保護系統(tǒng)設(shè)計具有一定參考意義,。

關(guān)鍵詞：樂昌峽; 電站,；繼電保護；設(shè)計

1 概述

樂昌峽水利樞紐工程位于廣東省樂昌市境內(nèi),，是一項以防洪,、發(fā)電為主的綜合性工程。樂昌峽水利樞紐電站位于樞紐大壩左側(cè)山體內(nèi),，為地下電站,。電站裝有3臺單機容量為44 MW的立軸式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為132 MW,，年利用小時數(shù)為 3 136 h[1],。電站接入系統(tǒng)電壓等級為220 kV，歸屬廣東省中調(diào)調(diào)度,。

電站發(fā)電機額定電壓為10.5 kV,，其中1#機組與2#機組組成擴大單元接入10.5 kV Ⅰ段母線,，3#發(fā)電機接入10.5 kV Ⅱ段母線；Ⅰ段母線與Ⅱ段母線各經(jīng)2臺10.5/0.4 kV干式變壓器,，為廠用負荷及管理區(qū)負荷供電,，樞紐另設(shè)有一回外來電源作為廠用備用電源。電站設(shè)有2臺220 kV/10.5 kV主變壓器,，容量分別為100 MVA和50 MVA,，主變低壓側(cè)分別接入10.5 kVⅠ段和Ⅱ段母線，主變高壓側(cè)接入電站220 kV GIS設(shè)備,。220 kV母線采用“兩進一出”的單母線接線方式,，出線由一回220 kV高壓電纜經(jīng)電纜洞接至大壩左側(cè)地面開關(guān)站，再經(jīng)單回架空輸電線路接入廊田變電站220 kV側(cè)母線,。樂昌峽水利樞紐電站電氣主接線示意見圖1。

2 繼電保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

樂昌峽水利樞紐電站繼電保護配置根據(jù)主接線形式按被保護對象設(shè)置,，分別設(shè)有發(fā)電機/勵磁變保護,、主變壓器保護、220 kV母線保護,、220 kV線路保護(屬電力系統(tǒng)配置),、廠用變壓器保護及管理區(qū)變壓器保護，保護裝置全部采用數(shù)字式微機型繼電保護產(chǎn)品,。

圖1 樂昌峽水利樞紐電站主接線示意

發(fā)電機保護,、主變壓器保護、220 kV母線及220 kV線路保護均獨立組屏,，廠用變壓器及管理區(qū)變壓器分別設(shè)置了1塊廠用變壓器保護屏及1塊管理區(qū)變壓器保護屏,，電站所有保護屏均布置于地下廠房副廠房二次設(shè)備室。

根據(jù)規(guī)程規(guī)范,，10 MW及以下發(fā)電機保護宜采用單套配置方式,，主保護及后備保護采用相互獨立的保護裝置；220 kV及以下主變壓器,、母線及線路繼電保護采用雙重化配置(非電量保護除外),，雙重化配置的每套保護裝置均應(yīng)能實現(xiàn)主變壓器主保護及后備保護功能。各保護裝置通過硬布線分別與電站監(jiān)控系統(tǒng)對應(yīng)的LCU屏柜連接,，輸出重要的保護動作信號和報警信號,。

電站建立了繼電保護管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，配置保護管理工作站,，負責(zé)采集整個電站保護裝置的保護和錄波信息,，建立實時數(shù)據(jù)庫，負責(zé)對各保護裝置進行管理,。在工作站可查詢各電氣設(shè)備的保護狀態(tài),、實時事件,、歷史事件、故障錄波分析等數(shù)據(jù)[1],。根據(jù)電力系統(tǒng)二次防護的有關(guān)規(guī)定,，在生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間必須設(shè)置經(jīng)指定部門檢測認(rèn)證的電力專用的橫向安全隔離裝置[2]，繼電保護管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方可接入樞紐計算機監(jiān)控系統(tǒng),。樂昌峽水利樞紐電站繼電保護系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

圖2 樂昌峽水利樞紐電站繼電保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 電站短路電流計算

短路電流計算是繼電保護整定和靈敏度校驗的重要依據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)提供的阻抗參數(shù),、各電氣設(shè)備的阻抗標(biāo)幺值計算,，結(jié)合樂昌峽水利樞紐電站主接線圖，電廠正序,、負序阻抗圖如圖3～4所示,。

圖3 樂昌峽水利樞紐電站正序阻抗示意

圖4 樂昌峽水利樞紐電站負序阻抗示意

根據(jù)實際工程，需要3個短路電流計算點,，分別為220 kV母線(d1),，1#(2#)發(fā)電機出口處(d2)，3#發(fā)電機出口處(d3),。分別針對以上短路點,，按照公式(1)、公式(2)進行大方式三相短路電流,、小方式兩相短路電流的計算,，結(jié)果見表1。

大運行方式下,，d點三相短路電流計算：

(1)

小運行方式下,，d點兩相短路電流計算：

(2)

表1 電站短路電流計算

大方式三相/小方式兩相短路電流計算短路點短路點平均電壓/kV基準(zhǔn)電流/kA分支線名稱分支線基準(zhǔn)電流/kA分支線等值電抗標(biāo)幺值本分支供短路電流值/kA本分支供相對于短路點電壓等級的電流/kAd1點220kV 母線出口故障2300251系統(tǒng)02510046/0065456/36235456/36231#發(fā)電機54990558/04189855/110620495/05552#發(fā)電機54990558/04189855/110620495/05553#發(fā)電機54990558/05589855/83480495/0419短路點總電流(以220kV計算) 6942kAd2點1#主變低壓側(cè)、1#(2#)發(fā)電機機端,、1#廠用變,、1#生活變高壓側(cè)出口故障1055499系統(tǒng)02510197/02001274/108727914/238111#發(fā)電機54990278/027819781/1639321759/188432#發(fā)電機54990278/027819781/1639321759/188433#發(fā)電機54992395/06982296/67032526/7373短路點總電流(以10kV計算) 73958kAd3點2#主變低壓側(cè)、3#發(fā)電機機端,、2#廠用變,、2#生活變高壓側(cè)出口故障1055499系統(tǒng)02510376/03400668/063914625/140071#發(fā)電機54994557/06981207/67031328/73732#發(fā)電機54994557/06981207/68231328/75053#發(fā)電機54990278/027819781/1639321759/18032短路點總電流(以10kV計算) 3904kA

4 繼電保護系統(tǒng)配置

電站220 kV設(shè)備包括主變壓器、母線等微機型保護裝置按雙重化配置(主變非電氣量除外),，保護系統(tǒng)要保證2套發(fā)電機變壓器組的微機型保護裝置(包括出口跳閘回路)應(yīng)完整,、獨立安裝在各自的屏內(nèi),，之間沒有任何電氣聯(lián)系,，當(dāng)運行中的1套保護因異常需退出或檢修時，應(yīng)不影響另1套保護的正常運行,。此外,，每套保護裝置均應(yīng)配置完整的差動及后備保護,，每套保護的交流電壓和交流電流應(yīng)分別取自電壓互感器和電流互感器互相獨立的繞組，其保護范圍應(yīng)交叉重迭,，避免死區(qū)[3],。

電站發(fā)電機保護采用單套配置，但主保護,、后備保護由獨立的微機型保護裝置完成,；對于廠用變保護，其保護配置較為簡單,，則采用單套配置的一體保護裝置,。

4.1 發(fā)電機/勵磁變繼電保護配置

電站發(fā)電機裝機容量為44 MW，額定電壓等級為10.5 kV,，中性點為每相2分支接線結(jié)構(gòu),，接地方式為經(jīng)配電變壓器高阻抗接地。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范,，應(yīng)對發(fā)電機定子繞組及其引出線相間短路,、定子繞組匝間短路、定子繞組接地,、發(fā)電機外部相間短路、定子繞組過電壓,、過負荷等各種故障及異常狀態(tài)，配置相應(yīng)的主保護及后備保護,。

1) 發(fā)電機完全縱差保護(87 G)

主要反應(yīng)發(fā)電機定子繞組相間(包括差動保護電流互感器范圍內(nèi)機端相間)故障的主保護,。完全縱差保護采用發(fā)電機機端和中性點側(cè)的相電流和，反應(yīng)發(fā)電機內(nèi)部各種相間短路故障,。保護瞬時動作于解列,、停機、跳滅磁開關(guān),。

差動保護作為發(fā)電機的主保護,，具有分段制動的保護特性(如圖5所示，其中縱軸為動作電流,，橫軸為制動電流),。

其中，差動啟始動作電流整定值采用0.2Ie,，差動速斷動作整定值取6Ie,，在第一制動段AB段中,，制動系數(shù)Kr1=0.05，在第二制動段BC段中,，制動系數(shù)Kr2=0.5,。則可計算動作值為：

Idz.B=(4Ie/na-1Ie/na)×0.05+0.2Ie/na=0.269 A

(3)

(4)

其靈敏度校驗按發(fā)電機未投入系統(tǒng)時機組兩相短路來校驗,，查表1并換算成二次側(cè)電流為：

(5)

根據(jù)發(fā)電機差動保護特性圖5,，其對應(yīng)動作電流為：

(6)

靈敏度校驗為：

Ksen=5.384/1.426=3.776>2

(7)

圖5 發(fā)電機差動保護特性示意

2) 發(fā)電機單元件橫差動保護(51 IT)

主要反應(yīng)發(fā)電機內(nèi)部匝間短路、也可反應(yīng)相間短路及分支斷線等故障,。橫差動保護判據(jù)取自發(fā)電機中性點連接線上的電流互感器,。橫差動保護分為高定值段和靈敏段，其定值可隨機組功率浮動,，同時保護裝置應(yīng)具備3次諧波濾過功能,。保護瞬時動作于解列、停機,、跳滅磁開關(guān),。

3) 發(fā)電機復(fù)合電壓過電流保護(46/51/27 G)

主要作為發(fā)電機外部相間短路故障和主保護的后備保護,。保護復(fù)合電壓(包括負序電壓和線電壓)取自機端電壓互感器,，作為保護起動閉鎖條件，電流取自中性點測相電流和,。保護帶有2段時限,，以較短時限動作于發(fā)出信號和解列，以較長時間動作于停機,、跳滅磁開關(guān),。

4) 發(fā)電機定子一點接地故障(64 S)

當(dāng)發(fā)電機中性點采用經(jīng)配電變有效接地方式時，應(yīng)裝設(shè)保護區(qū)為100%的定子單相接地保護,。保護中性點側(cè)判據(jù)取自發(fā)電機中性點側(cè)高阻接地變1次側(cè)基波零序電流,，可保護由中性點向機端方向90%范圍；機端判據(jù),，取自發(fā)電機機端基波零序電壓,，可保護由機端向中性點方向90%范圍；以上2種判據(jù)的保護范圍交叉共同構(gòu)成100%定子接地保護[4],。100%定子接地保護瞬時動作于解列,、停機、跳滅磁開關(guān),。

5) 轉(zhuǎn)子一點接地保護(64 R)

主要反應(yīng)發(fā)電機定子繞組的異常過電壓,，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生一點接地故障時，雖然不會對發(fā)電機本體造成直接危害，但若再相繼發(fā)生兩點接地,，則將嚴(yán)重威脅發(fā)電機安全,。轉(zhuǎn)子接地保護判據(jù)采用發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓，利用切換采樣原理(乒乓式),，通過反映發(fā)電機轉(zhuǎn)子對大軸絕緣電阻的下降來判斷是否發(fā)生轉(zhuǎn)子接地,。保護延時動作于解列、停機,、跳滅磁開關(guān),。

6) 定子過電壓保護(59 G)

主要反應(yīng)發(fā)電機定子繞組的異常過電壓，判據(jù)取機端線電壓,。保護延時動作于解列,、滅磁及發(fā)信號。

7) 定子過負荷保護(49 G)

主要反應(yīng)對于定子繞組非直接冷卻的發(fā)電機超過長期允許的出力,，判據(jù)取發(fā)電機中性點和電流,。延時動作于發(fā)信號。

8) 失磁保護(40 G)

保護反應(yīng)發(fā)電機勵磁電流異常下降或完全消失,。用阻抗元件作為低勵磁和失磁故障的主要判別元件,，按凸極機靜穩(wěn)邊界整定；以母線低電壓元件監(jiān)視母線電壓,；以勵磁低電壓元件作閉鎖元件,，該元件動作值應(yīng)隨發(fā)電機出力而浮動。保護延時動作于解列及發(fā)信號,。

9) 勵磁變壓器過電流保護(51 ET)

作為勵磁變范圍內(nèi)發(fā)生短路故障的主保護,，保護取勵磁變高壓側(cè)電流。保護延時動作于解列,、停機,、跳滅磁開關(guān)及發(fā)信號,。

10) 勵磁變壓器過負荷保護(49 ET)

反應(yīng)勵磁變壓器長時間超過額定負荷的工作狀態(tài),，判據(jù)取勵磁變高壓側(cè)電流。保護延時動作于發(fā)信號,。

11) CT/PT斷線保護(95/96)

包括電流互感器斷線保護及電壓互感器斷線保護,。保護動作于發(fā)信號，并根據(jù)需要閉鎖相應(yīng)的保護開出,。

發(fā)電機/勵磁變繼電保護系統(tǒng)配置示意見圖6,。

圖6 發(fā)電機/勵磁變繼電保護配置示意

4.2 主變壓器保護配置

樂昌峽水利樞紐電站2臺主變壓器接線方式為YN，d11,，系統(tǒng)選擇其中1臺主變壓器中性點有效接地,。雖然容量有所不同，但電站2臺主變壓器的繼電保護配置是基本相同的。

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求,，220 kV電壓等級電氣元器件保護(非電量保護除外)應(yīng)遵循雙重化配置原則,。雙套保護裝置功能完全獨立，其中1套保護因異常需要退出或需要檢修時,，不影響另1套保護的正常運行,。雙重化配置電氣量保護裝置無任何電氣聯(lián)系，每套保護裝置的可交流電流,、交流電壓分別取自電流互感器和電壓互感器的互相獨立的2次日繞組,，其保護范圍應(yīng)交叉重疊，避免死區(qū),，2套電氣量保護裝置及非電量保護裝置的出口跳閘回路均同時作用于斷路器的2個跳閘線圈(見圖7)[5],。

1) 主變壓器差動保護(87 T)

反應(yīng)主變壓器內(nèi)部繞組及其引出線相間短路故障，作為主變壓器的電氣主保護,，判據(jù)取主變壓器高低壓側(cè)電流差動回路(經(jīng)變比換算后),。保護動作于跳開主變壓器兩側(cè)斷路器及發(fā)信號，主變壓器差動保護的整定及校驗計算與發(fā)電機類似,。

圖7 主變壓器繼電保護配置示意

2) 主變壓器零序電流保護(51 TN)

反應(yīng)當(dāng)主變壓器通過中性點接地刀閘直接接地運行時,，220 kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障，在主變壓器中性點的過電流,，判據(jù)取主變壓器中性點零序電流,。保護動作于跳主變壓器兩側(cè)斷路器及發(fā)信號。

3) 主變壓器間隙保護(51/59 TN)

保護反應(yīng)當(dāng)主變壓器中性點接地刀閘斷開以非有效接地方式運行時,，220 kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障,，考慮到中性點間隙擊穿時，不接地零序電流和零序電壓的交替出現(xiàn),，保護判據(jù)同時取間隙零序電流及主變壓器高壓側(cè)零序電壓并可并行開出,，使得保護更加可靠，該保護需要經(jīng)過主變壓器中性點接地刀閘位置接點閉鎖,。保護動作于跳開變壓器兩側(cè)斷路器及發(fā)信號,。

4) 主變壓器復(fù)壓閉鎖過流保護(46/51/27 T)

主要反應(yīng)主變壓器外部短路故障，作為主變壓器及其相鄰元件的后備保護,，判據(jù)取主變壓器高壓側(cè)電流并經(jīng)高壓側(cè)復(fù)合電壓(負序電壓高或線電壓低)閉鎖,，也可選擇同時經(jīng)低壓側(cè)復(fù)合電壓閉鎖以提高靈敏度。保護延時動作于跳開主變壓器兩側(cè)各斷路器并發(fā)信號,，也可根據(jù)與系統(tǒng)保護的時限配合,，設(shè)置多段定值以擴大保護范圍。

5) 主變壓器過負荷保護(49 T)

保護反應(yīng)在實際運行中出現(xiàn)的長期荷載過大造成主變壓器絕緣加速老化的現(xiàn)象,，保護判據(jù)取高壓側(cè)電流,。延時動作于發(fā)信號，并可結(jié)合主變壓器現(xiàn)地控制系統(tǒng)啟動或加大冷卻。

6) 變壓器低壓側(cè)為非有效接地系統(tǒng)(64 T)

保護反應(yīng)主變壓器低壓側(cè)包括10.5 kV母線段及與其有電氣聯(lián)系的非有效接地部分的單相接地故障,，保護判據(jù)取10.5 kV母線剩余繞組零序電壓,。保護延時動作于信號。

7) 非電量保護

主變壓器非電量保護為單套配置,，對于主變壓器內(nèi)部故障,，應(yīng)配置瓦斯保護。瓦斯保護分為重瓦斯保護和輕瓦斯保護,，當(dāng)變壓器殼內(nèi)故障,，由于絕緣油分解排出大量氣體，使變壓器油面急劇降低時,，重瓦斯保護動作,，跳開主變壓器兩側(cè)斷路器；當(dāng)變壓器內(nèi)部故障不甚嚴(yán)重時,，輕瓦斯保護動作,，發(fā)出故障信號。此外,，變壓器還需配置其他非電量保護,，如為反映變壓器溫升，配置變壓器本體溫度保護,；為反映變壓器油箱內(nèi)壓力,，配置壓力釋放保護等。

4.3 母差保護及斷路器失靈保護

220 kV母線保護配置應(yīng)遵循雙重化配置原則,，2套保護裝置的工作電源,、跳出出口、信號回路等均完全獨立,，且安裝在不同的保護屏中(見圖8),。

1) 母線差動保護(87 B)

母線差動保護反應(yīng)母線及與其有電氣聯(lián)系的支路部分單元的短路故障，保護取所有與母線有電氣聯(lián)系的支路電流構(gòu)成差動回路,，保護瞬時動作于跳開所有與母線直接相連接的斷路器,。

圖8 220 kV母差保護保護配置示意

2) 斷路器失靈保護

當(dāng)輸電線路、母線,、主變壓器或其他電氣設(shè)備保護裝置動作并發(fā)出了跳閘指令,，但相應(yīng)的斷路器因各種原因拒絕動作,，稱之為斷路器失靈,，斷路器失靈會造成主設(shè)備損壞、停電范圍擴大等嚴(yán)重后果[2],。因此,，對本電站包括1TMQF、2 TMQF及1YXQF在內(nèi)的所有220 kV斷路器配置斷路器失靈保護。從動作邏輯區(qū)分,，斷路器失靈保護由失靈啟動及失靈開出組成,。失靈啟動由各對應(yīng)保護裝置保護跳閘動作于該斷路器的同時，開出啟動開關(guān)量至220 kV母差保護裝置失靈開入回路,，同時為避免失靈開出出口繼電器誤動作或由于操作人員誤操作,，失靈保護開出的同時還需要開出解除復(fù)壓閉鎖接點。失靈開出則由母差保護裝置對相應(yīng)失靈啟動回路的電流量及220 kV母線電壓量進行判斷,，滿足條件時經(jīng)延時后開出,，按整定跳開各斷路器。失靈保護連跳主變壓器低壓側(cè)所有斷路器是通過母差保護失靈開出至主變非電量保護裝置,，將其作為一個跳閘非電量開入量來實現(xiàn),。以線路保護裝置A跳線路分相斷路器1YXQF為例，失靈啟動及開出邏輯回路示意如圖9所示,。

圖9 線路斷路器1YXQF失靈保護動作邏輯示意

4.4 廠用/管理區(qū)變壓器保護配置

廠用變壓器/管理區(qū)變壓器均為干式變壓器,，變比為10.5/0.4 kV，D,，Yn接線,，容量為 1 250 kVA。在廠用變壓器/管理區(qū)變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路時,，因為電壓較低的緣故,，流過變壓器斷高壓側(cè)斷路器的短路電流極大，若采用斷路器切除需要非常大的開斷能力,，在經(jīng)濟性上不劃算,。因此，樂昌峽水利樞紐電站在所有10.5 kV變壓器高壓側(cè)配置了高壓限流熔斷器,，通過參數(shù)配置可在極短的時間內(nèi)通過熔斷來斷開事故回路,，故廠用變壓器/管理區(qū)變壓器沒有配置電流速斷保護。

1) 過電流保護(51TS)

延時動作于跳開低壓聯(lián)絡(luò)斷路器,，再延時跳開變壓器高低壓側(cè)斷路器,。

2) 過負荷保護(49 TS)

反應(yīng)變壓器在不允許長期工作的狀態(tài)下工作，判據(jù)取變壓器高壓側(cè)電流,。保護延時動作于發(fā)出告警信號,。

3) 溫度保護(T°)

反應(yīng)變壓器溫度超過允許長時間工作設(shè)定值。保護動作于延時發(fā)出告警信號,。

5 結(jié)語

目前,，樂昌峽水利樞紐電站3臺機組已全部并入電網(wǎng)運行數(shù)年，繼電保護系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后運行至今情況良好,。在試運行期間曾發(fā)生過1次主變低壓側(cè)隔離開關(guān)閃絡(luò)故障,，繼電保護系統(tǒng)按設(shè)計有效,、正確動作，避免了事故的擴大化,，證明本工程繼電保護系統(tǒng)設(shè)計滿足可靠,、選擇、速動,、靈敏的基本要求,。

本文以樂昌峽水利樞紐地下電站主接線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，介紹了電站繼電保護系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，并詳細論述了發(fā)電機,、主變壓器、220 kV母線,、廠用變,、管理區(qū)變的繼電保護配置，本文對于國內(nèi)同類型水電站的繼電保護系統(tǒng)工程設(shè)計具有一定程度的參考意義,。

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(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Design of Relay Protection System of Lechangxia Hydropower Station

CHEN Yong, LI Xiaochun

(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute, Guangzhou 510635, China)

Abstract：The main wiring of Lechangxia Hydropower Station is briefly discussed, then the design principle and system structure of the relay protection system for power plant is introduced, and the detailed design of generators, main transformers and plant power transformers are introduced one by one. It has some reference value for the design of relay protection system of the same type of hydropower stations.

Keywords：Lechangxia; hydropower station; relay protection; design

收稿日期：2017-03-06;

修回日期：2017-03-24 作者簡介：陳勇(1985)，男,，碩士,，工程師，從事水利水電工程電氣二次設(shè)計工作,。

中圖分類號：TM774

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0112(2017)006-0048-07