广东梅州抽水蓄能机组继电保护的设计及特点

广东梅州抽水蓄能机组继电保护的设计及特点

颜青

 中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】抽水蓄能机组由于运行工况多,具有可逆式启动和运转的特点,因此机组保护在配置和实际运行中必须比常规水电站机组考虑更多机组状态改变而带来的影响。本文介绍了广东梅州抽水蓄能电站机组继电保护装置选型、配置功能及设计情况等，分析了抽蓄机组运行工况的判别对机组保护的影响。机组继电保护具有双重化配置、高可靠性软件切换、保护不依赖监控而独立运行等特点。

【关键词】抽水蓄能电站、继电保护设计、发电/电动机

1  概述

广东梅州抽水蓄能电站总装机容量为1200MW，安装4台单机容量300MW的单级立轴单转速混流可逆式机组。发电原理是利用低估时期富裕电力做抽水工作，将水从下水库抽至上水库，这一过程是电能转化为势能的过程；在用电高峰期，将水从上水库下放，利用水的势能对发电机组做功产生电能，补充高峰期时段电力的不足。机组运行方式多，运行工况转换频繁包括：发电、发电调相、抽水、抽水调相工况以及各种工况之间的相互转换。对于不同的运行工况需要配置不同的保护，某些保护在不同工况以及工况的转换过程中需要闭锁或退出。梅州抽水蓄能电站在一次设备上增加了换相开关、启动开关、拖动开关、启动母线、SFC启动设备等，主接线复杂，对继电保护设计要求更严格。

2  梅蓄机组发电/电动机保护装置选择

梅蓄机组继电保护采用南瑞继保公司PCS-985GW-JS 大型抽水蓄能机组保护装置,支持常规互感器或电子式互感器输入，支持电力行业通讯标准 DL/T667-1999（IEC60870-5-103）、Modbus 通讯规约和新一代通讯标准 IEC61850。 此装置能够提供一个发电电动机单元所需要的全部电量保护，并能满足发电厂电气监控自动化系统的要求。

3  梅蓄机组发电/电动机继电保护设计

3.1 发电/电动机保护配置方案

 梅蓄发电电动机保护根据工程实际需要配置了两套PCS-985GW-JS保护装置，可以实现主保护、 异常运行保护、后备保护的全套双重化。

  3.2 发电/电动机保护配置说明

（1）梅蓄机组单机容量为300MW ，A、B 屏均配置完全纵差、不完全差动、裂相差动保护。完全纵差具有两种不同原理的比率差动：变斜率比率差动、工频变化量差动。

（2）A、B 屏均配置发电电动机单元全部后备保护，各自使用不同的 CT。

（3）转子接地保护若双套配置，因两套保护回路之间相互影响，正常运行时只投入一套，可根据需要手动切换至另一套转子接地保护。

（4）A、B 屏采用不同的电流互感器；主后备共用一组 CT。

（5）A、B 屏尽量采用不同的电压互感器或互相独立的绕组。

（6）对于零序电压，一般没有两个绕组，同时接入两套保护装置。

3.3  梅蓄机组发电/电动机保护主要的性能特点

（1）高性能的通用型硬件，实时计算 采用 32 位微处理器＋双 DSP 的硬件结构，多个处理器并行工作，32 位微处理器负责人机接口、

后台通信、打印等功能，两个 DSP 负责保护运算与出口逻辑。

（2）有独立的启动元件， 启动＋保护动作“与门”出口跳闸方式，杜绝保护装置硬件故障引起的误动。

（3） 强电磁兼容性。整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，取消传统背板配线方式，同时在软件设计上也采取 相应的抗干扰措施，装置的抗干扰能力大大提高，对外的电磁辐射也满足相关标准。

（4）程序模块化。模块化的程序使保护配置灵活，功能调整方便。

（5）定子接地保护性能采用了频率跟踪、数字滤波、全周傅氏算法，三次谐波滤过比大于 100；基波零序电压灵敏段动作于跳闸时，采用机端、中性点零序电压双重判据；三次谐波比率判据，自动适应机组并网前后机端、中性点三次谐波电压比率关系，保证发电电动机起停过程中，三次谐波电压判据不误发信号；发电电动机正常运行时机端和中性点三次谐波电压比值、相角差变化很小,且是一个缓慢的发展过程。通过实时调整系数（幅值和相位），使得正常运行时差电压为 0。发生定子接地时, 判据能可靠灵敏地动作。

（6）注入式定子接地保护性能采用高性能数字滤波技术，精确计算定子接地电阻；设有两段电阻定值，一段动作于信号，另一段动作于跳闸；零序电流保护不受 20Hz 电源影响，直接保护较严重的定子接地；可在发电电动机静止、启机、停机、空载、并网运行等各种工况下实现定子接地保护。

（7）失磁保护性能。失磁保护采用开放式保护方案，定子阻抗判据、无功判据、转子电压判据、母线电压判据、定子减出力有功判据，可以灵活组合，满足不同机组运行的需要。发电电动机组作为凸极机，其Xd≠Xq，在低励失磁故障时，其静稳极限的机端测量阻抗轨迹为滴状曲线。只需输入发电电动机的 Xd、Xq、Xs、Xd´等参数，保护装置即可自动计算出水轮发电电动机的静稳极限滴状曲线，作为保护的定子静稳圆阻抗判据。

3.4  保护功能配备及原理分析

（1）发电电动机机端断路器失灵保护

原理简述：发电电动机内部故障保护跳闸时，如果发电电动机出口断路器（或主变高压侧断路器）失灵，需要及时跳开相邻断路器，并启动机端断路器失灵。失灵保护取断路器电流作为判据。机端断路器失灵保护闭锁逻辑：被拖动运行工况、拖动运行工况和电制动工况时闭锁。

（2）发电机纵联差动保护

原理简述：发电机相间短路是发电机内部最严重的故障，因此定子绕组必须装设快速动作的保护装置。当发电机的中性点侧采用分相引出线时，可装设纵差保护作为发电机相间短路的主保护。由于差动保护两侧所用CT的特性不可能完全一样，也就是即使一次侧流过相同电流，反应到二次侧也不会完全相同，尤其是当外部短路时，两侧CT的饱和特性不一致，差流更大，这时如果抬高差流定值，就会降低保护的灵敏性。如果不抬高，则有可能在外部短路时造成差动保护误动。为了解决这个问题，梅蓄抽水蓄能机组差动保护采用了比率制动式差动保护，微机内部自动取两侧CT电流比较。差动保护闭锁逻辑为：被拖动运行工况、拖动运行工况和电制动工况时闭锁。

（3）复合电压过流保护

原理简述；复合电压过流保护作为发电电动机、变压器、高压母线和相邻线路故障的后备。复合电压过流保护不经任何工况闭锁。

（4）定子绕组过负荷保护

原理简述：发电电动机定子过负荷保护反应发电电动机定子绕组的平均发热状况。保护动作量同时取发电电动机机端、中性点定子电流。

定子过负荷保护可躲过低频启动电流和电制动电流，不经任何工况闭锁。

（5）发电机转子负序过电负荷保护

原理简述：负序过负荷反应发电电动机转子表层过热状况，也可反应负序电流引起的其它异常。保护动作量取发电电动机机端和中性点的负序电流。负序过负荷闭锁逻辑：被拖动运行工况、拖动运行工况和电制动工况时闭锁。

（6）误上电保护

原理简述：误合闸保护又称为突加电压保护，有三种情况：一是发电电动机盘车时，未加励磁，断路器误合，造成发电电动机异步启动。

二是发电电动机起停过程中，已加励磁，但频率低于定值，断路器误合。

三是发电电动机起停过程中，已加励磁，但频率大于定值，断路器误合或非同期。 误合闸保护同时取发电电动机机端、中性点电流。误合闸保护在机组并网后，低频、低压元件和断路器辅助接点判别条件均不满足，自动退出，不需设闭锁元件。

（7）频率保护

原理简述：频率保护有两种，一是发电电动机低频保护，设两段低频保护，作为电源突然消失的保护，是低功率保护的后备保护，保护动作于信号或跳闸。低频保护闭锁逻辑：发电运行工况、被拖动机运行工况、拖动机运行工况、电制动工况、黑启动工况和断路器分闸状态时，闭锁。二是发电电动机过频保护设一段过频保护，防止超速时对机组的损坏，可动作于信号或跳闸。过频保护不受运行工况影响，不经任何工况闭锁。

（8）失步保护

原理简述：失步保护反应发电电动机失步振荡引起的异步运行。失步保护阻抗元件计算采用发电电动机正序电压、正序电流，阻抗轨迹在各种故障下均能正确反映。失步保护闭锁逻辑：被拖动运行工况、拖动运行工况、黑启动工况和电制动工况时闭锁。

（9）逆功率保护

  原理简述：由于各种原因导致失去原动力，发电电动机变为电动机运行，此时，为防水轮机损坏，需配置逆功率保护。发电机功率用机端三相电压、三相电流计算得到。发电机逆功率保护闭锁逻辑：发电调相工况、水泵运行工况、水泵调相工况、 被拖动机运行工况、拖动机运行工况、电制动工况和断路器分闸状态时闭锁。

（10）低功率保护

  原理简述：低功率保护是发电电动机在抽水运行时电源突然消失的保护。电动机低功率保护闭锁逻辑：发电调相工况、发电运行工况、水泵调相工况、被拖动机运行工况、拖动机运行工况、电制动工况和断路器分闸状态时闭锁。

（11）电流不平衡保护

  原理简述：电流不平衡保护是为防止发电电动机电制动停机时定子绕组端头短接接触不良的保护，保护可延时动作于切断电制动励磁电流。

电流不平衡保护投入逻辑：电制动工况时投入。

（12）横差保护

原理简述：横差保护装设在发电电动机两个中性点连线上，用作发电电动机定子绕组的匝间短路、分支开焊故障以及相间短路的主保护。横差保护设两段：灵敏段和高值段。横差灵敏段闭锁逻辑：电制动工况时，闭锁。横差高值段闭锁逻辑：不经任何工况闭锁。

（13）过励磁保护

原理简述：过励磁保护用于防止发电电动机、变压器因过励磁引起的危害。装置设有发电电动机过励磁保护，取机端电压计算。过励磁保护不受运行工况影响，不经任何工况闭锁。

（14）定子绕组过电压保护

原理简述：过电压保护用于保护发电电动机各种运行情况下引起的定子过电压。发电电动机电压保护所用电压量的计算不受频率变化影响。

（15）抽水工况低电压保护

  原理简述：低电压保护反应三相相间电压的降低。低电压保护闭锁逻辑：发电运行工况、拖动机运行工况、拖动机运行工况、电制动工况和断路器分闸状态时闭锁。

（16）失磁保护

  原理简述：失磁保护反应发电电动机励磁回路故障引起的发电电动机异常运行。失磁保护闭锁逻辑：被拖动运行工况、拖动运行工况、黑启动工况和电制动工况时闭锁。

（17）电压相序保护     

原理简述：机组启动过程中，需配置电压相序保护，用于鉴别机组电压相序与旋转方向是否一致，采用负序电压元件。电压相序保护闭锁逻辑：发电运行工况、发电调相工况、水泵运行工况、水泵调相工况和电制动工况时闭锁。

（18）零序电压定子接地保护

原理简述：基波零序电压保护发电电动机 85～95％的定子绕组单相接地。机端零序电压可选择采用 PT1 开口三角零序电压或 PT1 自产零序电压。 基波零序电压保护闭锁逻辑：被拖动运行工况、拖动运行工况和电制动工况时闭锁。

（19）三次谐波电压定子接地保护

原理简述：三次谐波电压比率判据只保护发电电动机中性点 25％左右的定子接地，机端三次谐波电压取机端开口三角零序电压或 PT1 自产零序电压，中性点侧三次谐波电压取自发电电动机中性点 PT。三次谐波电压比率定子接地保护闭锁逻辑：被拖动运行工况、拖动运行工况和电制动工况时闭锁。

（20）注入式定子接地保护

原理简述：从中性点接地变压器二次侧接入低频电源，也可从机端 PT 开口三角二次侧接入低频电源，构成外加电源式定子接地保护回路。 注入式定子接地保护由零序电流判据和电阻判据构成。电阻判据闭锁逻辑：被拖动运行工况、拖动运行工况和电制动工况时闭锁。零序电流判据闭锁逻辑：拖动运行工况时闭锁。接地电阻判据反映发电电动机定子绕组接地电阻的大小，接地电流判据能够反映距发电电动机机端 80～90％的定子绕组单相接地，而且接地点越靠近发电电动机机端其灵敏度越高，因此能够很好的与接地电阻判据构成高灵敏的 100%定子接地保护方案。注入式定子接地保护图如图1。

图1  注入式定子接地保护图

（21）发电电动机轴电流保护

  原理简述：机组在运行过程中，如果轴电流密度过大，发电机转轴轴颈的滑动表面和轴瓦就可能被破坏，为此装设轴电流保护。

（22）发电电动机转子一点接地保护

原理简述：转子一点接地保护反应发电电动机转子对大轴绝缘电阻的下降。该保护与运行工况无关，不经任何工况闭锁。

（23）注入式转子一点接地保护

原理简述：可根据现场转子绕组的引出方式，选择双端注入式或单端注入式转子接地保护原理，在转子绕组的正负两端（或负端）与大轴之间注入一个低频方波电压，实时求解转子一点接地电阻，保护反应发电电动机转子对大轴绝缘电阻的下降。注入式转子一点接地保护与运行工况无关，不经任何工况闭锁。

4  机组运行工况的判别

  梅蓄抽水蓄能电站设计有发电运行、发电调相、抽水运行、抽水调相、SFC启动、背靠背启动等超过10种运行工况，每种运行工况都有特殊的保护功能需投入或可能导致误动作的保护功能需闭锁，任一运行工况的判别错误均会导致相关保护的误动作或者拒动作，因此运行工况的准确判别是抽水蓄能机组保护可靠运行的前提。为提高运行工况判别的可靠性，梅蓄电站机组保护在设计时采用监控系统运行工况信号和保护装置接入换相开关、拖动开关等所有开关位置辅助接点相结合的方式，在一定程度上提高了机组保护的安全性。保护装置采集开关位置辅助接点，由软件根据开关位置的逻辑关系，实现机组运行工况的判别，并与引入的监控系统工况信号相互效验。装置依据判别出的机组当前运行工况，结合对应运行工况下的保护功能闭锁定值，闭锁相应的保护功能。引入保护装置的辅助接点具体见表1。

表1  保护装置引入的辅助接点表               .

5  梅州抽水蓄能机组运行中对机组保护的影响

由于抽水蓄能机组既可作为同步发电机运行， 又可作为同步电动机运行， 因此其结构与常规水轮发电机不同。与常规发电机组相比， 抽水蓄能机组在实际运行中有两个显著的特点：一是运行工况复杂；二是机组操作频繁。由梅州抽水蓄能机组运行情况来看，对机组保护的影响主要体现在以下三个方面：

（1）换相对机组保护的影响。抽水蓄能机组通过控制机组出口一次回路的换相， 例如 A 相和 C 相互换， 而 B相保持不变， 实现发电和抽水两个不同方向的旋转。 由于电流、 电压相序的改变，需要测量电量的保护将直接受到影响。目前，主要通过转速、 转向、 机组开关、 相序检测和换相刀闸辅助触点来确定抽水蓄能机组的运行状态； 同时， 在保护装置中设置两套定值， 根据机组的运行状态，通过软件对输入的电流信号进行换相， 并切换至相应的保护定值， 对不同工况下机组进行保护。

（2）低频启动对机组保护的影响。抽水蓄能机组在启动过程中即施加励磁电流，且此时机组处于低频运行状态，定子绕组中电流、 电压的频率和幅值都将随机组转速变化而变化，电流互感器、电压互感器及继电器均会受低频的影响。为保证在启动过程中仍能对机组进行保护， 通常设置低频过流保护并在低频阶段投入， 当频率上升至一定程度时退出。

（3） 电气制动对机组保护的影响。电气制动是在机组停机过程中（机组额定转速的 50~5%） 利用机端三相直接短路或经制动电阻短接后，加上励磁电流， 产生制动性质的电磁力矩， 从而缩短停机时间。电气制动过程中，机端三相电压基本为 0，机端电流接近额定电流， 制动末期机组三相电流不平衡分量增加。 在制动过程中， 机组的差动保护、 低压过流保护、 负序过流保护、 横差保护等应闭锁或退出。

6  结论

综上所述，由于抽水蓄能机组的特殊性，在保护的设计和选型时要全面考虑好各种不同工况下的保护闭锁问题与电气参数变化对保护的影响,还应兼顾各机组保护功能之间的协调，保证梅州抽水蓄能机组继电保护的可靠性，亦为其他大型抽水蓄能电站继电保护的应用提供经验和参考。

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个人简介：颜青，女，汉族，湖南女子职业大学，工程师，水电站继电保护调试

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