抽水蓄能机组保护配置特点与分析

抽水蓄能机组保护配置特点与分析

窦智敏

内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司  内蒙古呼和浩特市 10010

摘要：本文旨在对抽水蓄能机组的保护配置特点和运行中出现的问题进行分析。抽水蓄能机组不仅包括常规的运行工况，还涉及发电调相、抽水调相、抽水运行、变频启动、背靠背启动等多种工况。相比传统水电机组，抽水蓄能机组的保护配置更为复杂。通过以某电站抽水蓄能机组保护配置为例，本文对其进行了详细分析。同时，本文还探讨了在实际运行中可能遇到的问题。该研究对抽水蓄能机组保护的配置和优化提供了有益的参考。

关键词：抽水蓄能机组保护;配置;闭锁逻辑;

1 引言

近年来，电力系统呈现出规模不断扩大的趋势，特高压交直流电网陆续投入运营，电力调峰问题日益凸显。作为目前最为有效的电力调峰手段，抽水蓄能机组的建设正迅速发展。相较于传统水电机组，抽水蓄能机组的工况更加多样化，包括发电、抽水、发电调相、抽水调相、抽水运行、变频启动、背靠背启动等多种模式。因此，抽水蓄能机组的保护配置较为复杂，一套完整的保护系统既需要配置发电工况的保护，又需要配置电动工况的保护。由于机组工况的多样性，各种保护逻辑也变得相对复杂。

为了深入了解抽水蓄能机组的保护配置特点以及在运行过程中出现的问题，本论文将以某电站的抽水蓄能机组为例，进行详细分析。通过对该机组的保护配置进行研究，我们可以揭示抽水蓄能机组保护系统的特点和问题，并提出相应的解决方案。这对于推动抽水蓄能技术的发展和保障电力系统的稳定运行具有重要意义。

通过本研究的结果，我们可以进一步优化抽水蓄能机组的保护配置，提高其安全性和可靠性。同时，对于其他类似机组的保护系统设计和运行管理也具有一定的借鉴意义。希望本论文的研究能够为抽水蓄能机组保护配置的优化和电力系统调峰问题的解决提供有益的参考。

2 抽水蓄能机组保护的配置特点与分析

2.1 抽水蓄能机组保护的配置情况

在某抽水蓄能电站中，共有4台可逆式抽水发电机组，每台机组的单机容量为300 MW，总装机容量为1,200 MW。为了确保抽水蓄能机组的安全稳定运行，机组保护配置需要完备。该电站采用A/B套保护的双重化配置，其中A套配置了25种保护，B套配置了24种保护。机组采用奥地利ELIN公司的数字元件保护系统DRS，该系统具备人机接口和故障录波功能。

具体的保护配置包括：纵联差动保护(87G/M-A,87G/M-B)、95%定子接地保护(59NG-B)、100%定子接地保护(64G/M-A)、横差保护(60G-A,60G-B)、低电压记忆过流保护(27/51G-A,27/51G-B)、定子绕组过电压保护(59G-A,59G-B)、定子绕组过负荷保护(51G-A,51G-B)、转子一点接地保护(64RG-A)、失磁保护(40G-A,40G-B)、发电工况逆功率保护(32G-A,32G-B)、抽水工况低功率保护(37M-A,37M-B)、失步保护(78G-A,78G-B,78M-A,78M-B)、低电压保护(27M-A,27M-B)、频率保护(81G/M-A,81G/M-B)、低频过流保护(81/51M-A,81/51M-B)、电压相序保护(47G-A,47G-B,47M-A,47M-B)、过激励保护(59/81G-A,59/81G-B)、断路器失灵保护(99-A,99-B)、溅水功率保护(320M-A,320M-B)、轴绝缘保护(64BG-A)。

2.2 抽水蓄能机组保护配置特点

为适应抽水蓄能机组的各种工况，需要全面考虑不同工况下的保护闭锁以及电气参数变化对保护的影响。与常规水电机组相比，抽水蓄能机组的保护配置具有以下特点：

(1) 一套保护同时配置了发电机保护和电动机保护。

(2) 为适应低频启动过渡工况，如电动工况变频启动和背靠背启动，特别配置了低频过流保护(81/51M-A,81/51M-B)。

(3) 针对溅水功率和抽水工况低功率，配置了溅水功率保护(320M-A,320M-B)和抽水工况低功率保护(37M-A,37M-B)。在电动水泵启动结束时，当导叶瞬间打开时，机组会从系统中吸收一定的有功功率（即溅水功率）。如果导叶已经打开但未吸收足够的溅水功率，则水泵会处于抽空状态，这会损坏机组的密封和导水机构。因此，设置了溅水功率保护。低功率保护用于水泵工况下电源消失时的保护，它检测从系统流向机组的有功功率。该保护只在机组运行于水泵工况下，并收到导叶达到正常开度信号后方可投入。

(4) 机组涉及多种工况，其中一种工况运行时引入了开关、监控、励磁和调速器等系统工况信号，用于逻辑组合判断各种工况，闭锁或开放相应的保护。具体某抽水蓄能机组保护的闭锁或开放条件详见表1。

2.3 抽水蓄能机组保护运行中的典型问题分析

抽水蓄能机组在运行过程中涉及发电、发电调相、电动、电动调相等多种工况。机组保护主要通过判断五极换相刀位置信号来进行各工况下的保护闭锁或开放。同时，监控、调速器等二次系统也通过五极换相刀位置信号来进行相关控制。由于抽水蓄能机组的工况复杂多样，对于保护系统而言，五极换相刀的辅助接点需求较其他开关和刀闸的位置辅助接点更为频繁。

然而，在机组设计中，五极换相刀的本体位置的辅助节点是有限的。在机组二次系统中，五极换相刀信号主要通过辅助节点扩展继电器的动作节点输入。这种设计是单一性的，因此可靠性相对较低。当五极换相刀开入信号发生故障时，可能导致机组开机失败、同期失败、保护动作以及调速器延时10秒不动作等严重后果。同时，扩展继电器的故障也可能导致机组保护误动、机组同期失败等问题的出现。

鉴于五极换相刀位置信号对机组运行的重要性，有必要对机组二次系统中的五极换相刀位置信号回路进行改造。目前，由于技术和条件限制，无法直接增加五极换相刀本体位置的辅助节点（需要对五极换相刀进行改造）。因此，采取双重化改造的方案，增加一路机组保护、监控和调速器等二次系统的五极换相刀位置信号回路，以提高五极换相刀的可靠性。

这一改进方案将引入独立的保护信号回路，通过另外一组辅助节点和继电器，与原有的五极换相刀位置信号回路相互独立运行。这样一来，即使原有的五极换相刀位置信号发生故障，新的保护信号回路仍然可以提供准确可靠的保护功能。这种双重化改造方案有助于降低由于五极换相刀位置信号故障而引起的机组故障和保护误动的风险，提高抽水蓄能机组的可靠性和稳定性。

总之，针对抽水蓄能机组保护运行中的典型问题，特别是与五极换相刀位置信号相关的故障和风险，进行双重化改造是一种有效的解决方案。该改进方案可提高保护系统的可靠性，减少故障导致的机组问题，并确保抽水蓄能机组的安全运行。对于其他类似机组的保护系统设计和运行管理，本研究的成果也具有一定的借鉴意义。

  表1 某抽水蓄能机组各保护的闭锁或开放条件表

3 结语

综上所述，抽水蓄能机组在不同工况下表现多样性，对保护配置影响重大。为确保机组安全稳定运行，需配置完备保护系统，全面考虑各工况下的保护闭锁和电气参数变化。设计发电电动机保护闭锁回路时，应直接选取开关、刀闸等设备辅助接点，确保闭锁回路可靠性。本研究深入分析抽水蓄能机组保护配置特点和典型问题，提出改造和双重化改进五极换相刀位置信号回路，提高机组可靠性和稳定性。未来研究应进一步优化机组保护配置，提高安全性和可靠性。研究成果对电力系统调峰和类似机组保护系统设计具有借鉴意义。本论文深入了解抽水蓄能机组保护配置特点和问题，为抽水蓄能技术和电力系统稳定运行提供有益参考。希望研究能支持未来机组保护配置优化和电力系统调峰问题解决。

参考文献：

[1] 基于华北电网典型特征，利用仿真模型分析抽水蓄能机组服务新能源消纳的研究与应用[J]. 孙勇;魏敏;王磊;王卓瑜;郭阳;吴辉.电力大数据,2022(09)

[2] 变转速抽水蓄能机组控制策略选择[J]. 赵军科;刘云平;刘建俊;铎林.水电与抽水蓄能,2021(06)

[3] 我国首台采用四支路技术抽水蓄能机组投入试运行[J]. .水泵技术,2021(06)

[4] 全功率变速抽水蓄能机组快速功率模式小信号建模[J]. 史华勃;王渝红;滕予非;陈刚;孙昕炜;丁理杰.电力系统自动化,2022(04)

[5] “双碳”背景下抽水蓄能电站的发展与展望[J]. 任海波;余波;王奎;王罗斌.内蒙古电力技术,2022(03)

[6] 抽水蓄能机组智能状态评价技术研究[J]. 赵毅锋.水电与抽水蓄能,2022(03)

[7] 定速抽水蓄能机组工况转换及控制流程综述[J]. 孙凯;舒琼;薛峰.水电与抽水蓄能,2020(06)

[8] 海水可变速抽水蓄能机组技术路线及关键参数选择[J]. 贺儒飞;王方;张豪.水利水电技术,2020(S2)