水轮发电机组继电保护系统设计

周云树

【摘 要】从设备选择、配置和满足设备功能需求等方面详细描述了水轮发电机组继电保护系统的设计思路，实现了继电保护系统的数字化，提高了水电站主要设备运行稳定性、可靠性、经济性。

【关键词】水轮发电机组；继电保护；水电站

0.概述

随着国家经济高效快速的发展，对能源的需求也是与日俱增，特别是水力发电行业的发展越来越受到人们的重视，近几年在水资源丰富的地区兴起了修建水电枢纽工程的热潮。继电保护系统是水电站计算机监控系统的重要组成部分。继电保护设备的可靠性直接影响系统的可靠性。水轮发电机组作为发电厂中最重要的设备，继电保护的选择关系到水轮发电机组运行的安全性。在水轮发电机组设备发生故障时，相关的继电保护设备可靠动作，切断故障元件或故障线路，减少故障损失，防止事故扩大，所选择的继电保护设备的可靠性、灵敏性、选择性对水电站运行的安全稳定起着决定性的作用。

1.设备选择及设计原则

继电保护设备选型上采用AREVA（阿海珐）设备作为水电站元件保护。该公司是全球发电设备及服务的三大供应商之一，在提供全方位服务方面具有独到的专业优势，所提供的设备现已占全球总装机容量的20%。该公司为中国水电领域的重大项目提供设备，成为包括三峡工程（分包商）、万家寨发电厂、以及最近的青海尼那、贵州乌江渡电厂增容改造、湖南凤滩 （发电机）、广西红花（发电机）等项目的主要供货商。

在保护系统可靠性的设计上，对于重要元件按照主保护，后备保护分开的原则进行配置。主、后备保护分开不仅功能上分开，而且在物理上完全独立。并有不同的供电回路实现保护设备的供电。当主保护由于某种原因退出运行时，后备保护仍可作为设备的后备保护运行。

2.微机保护配置及功能

水轮发电机组作为水电站最重要的元件，以MiCOM P343、MiCOM 127、MX3IPG2A作为保护装置，配置发电机保护。

该配置的发电机微机保护系统具有以下功能：

2.1发电机纵联差动保护

发电机保护装置MiCOM P343来实现发电机的纵联差动保护，作为发电机定子及引出线相间短路故障的主保护。MiCOM P343全数字微机保护装置中设计有二套不同原理的差动保护，即双折线的比率制动原理和高阻抗原理（通过定值软件选择），高阻抗原理（在区外故障时有很高的灵敏度），二套不同原理的差动保护在运行时用户可以选择，该保护具有比率制动特性和高阻抗特性，电流互感器饱和或断线不会引起误动，保护瞬时动作于跳闸、停机和灭磁，发事故信号。比例差动保护动作时间不大于30ms，差动速断保护动作时间不大于20ms。

①具有防止区外故障误动的制动特性。

②具有CT断线判别功能，能闭锁差动或报警，当电流大于额定电流1.2～1.5倍时自动解除闭锁，同时CT断线时能发信号。

③在同一相上出现两点接地故障（一点区内、一点区外）时，保护正确动作。

④拐点电流：1～1.1In。

⑤比例制动系数：0.3～0.7可调。

⑥起动电流：0.1～1In可调。

⑦整定值允许误差±5%。

2.2发电机带电流记忆的低压过流保护

由MiCOM P127保护装置实现。本保护用于反映发电机外部相间短路，为发电机、变压器主保护的后备保护。保护带有二段时限，动作于发电机跳闸、停机和灭磁，发事故信号。

2.3定子绕组定时限和反时限的过负荷保护

该保护由发电机保护装置MiCOM P343来实现。作为发电机负荷过高时的保护，由定时限和反时限两部分组成。保护元件有二段独立的分相过流保护，每段均具有定时限和反时限延时特性，用户可根据机组的过负荷特性选择9种反时限特性中的任意一种。发电机定子绕组过负荷保护能反应发电机过负荷引起的定子绕组过热，以防止发电机定子绕组在全相运行时受到过负荷的损害。保护由定时限和反时限两部分组成，定时限按发电机长期允许电流下能可靠返回；反时限部分动作特性按定子绕组过负荷能力确定。

动作时间： Ⅰ段：0～10s可调

Ⅱ段：可延长至1000S

动作情况： Ⅰ段动作于发预告信号；

Ⅱ段动作于跳发电机出口断路器、停机、灭磁、发事故信号。

2.4 100%定子一点接地保护

作为发电机绕组单相接地时的保护。保护装于中性点接地配电变压器二次负载电阻侧和机端电压互感器开口三角侧。

MiCOM P343保护装置将采集机端零序电压，其零序电压可以根据用户的要求由机端PT计算得出，也可直接由开口三角测量，同时还可以由中性点PT测量，上述零序过电压保护可以保护机组的95%定子绕组；其余的5%定子绕组接地保护由中性点配电变压器的三次谐波电压取得，在定子单相接地时，当接地点由机端向中性点侧移动时，在机端实测的三次谐波电压是逐渐增加的，而中性点的三次谐波电压逐渐衰减的，其整定可以选择机端三次谐波过电压，因为在机组正常运行时也有三次谐波电压，其过电压定值很难整定；采用中性点的三次谐波低电压，低电压的灵敏度当然比过电压的高，可以很好的保护5%定子绕组。

动作时间：0～20s可调

动作情况：跳发电机出口断路器、停机、灭磁、发事故信号。

2.5转子一点接地

作为发电机励磁回路发生一点接地故障时的保护。采用向发电机转子绕组回路注入低频交流电压的原理，LD-3保护装置完全达到设计的要求。保护装置能有效消除励磁回路中交、直流分量的影响，并且在同期并列、增减负荷、系统振荡等暂态过程中，保护不误动，保护延时动作于报警。

①转子绕组不同地点发生一点接地时，在同一整定值下，其动作值误差为：当整定值为1kΩ-5kΩ时允许误差±0.5kΩ，整定范围为0.2kΩ-4kΩ。

②接地电阻整定值允许误差不大于±10%。

③返回系数不大于1.3。

2.6失磁保护

作为发电机励磁电流异常下降或完全消失的失磁故障的保护，由MiCOM P343实现的失磁保护包含二个动作元件，阻抗元件和功率因数报警元件，当然还有转子低电压和高压侧低电压判据及相关的PT断线闭锁。在传统的异步圆的基础上增加快速动作圆，当机组运行在失磁条件下能快速动作，切断发电机组。一般同步发电机稳定运行时，其滑差可能达到同步转速的0.1-0.2%，这时发电机从系统吸收无功功率，保持20-30%的额定有功功率运行，在这种条件下发电机可以运行一段时间，而发电机转子不会损坏，但长时间运行在低功率区对发电机转子将造成损坏。传统的阻抗元件不会检测到上述故障，而MiCOM P343中的失磁保护提供了一个功率因数报警元件，当发电机运行在上述条件下时，发出报警信号，保护发电机组。

保护发电机在发生失磁或部分失磁时，防止危及发电机安全及电力系统稳定运行的保护装置。其主要功能和技术要求如下：

①具有检测机组稳态异步边界的功能。

②具有检测系统电压崩溃的功能及机端电压能否维持带厂用电的功能。

③具有检测不同负荷下各种全失磁和部分失磁的功能。

④机组正常运行，系统振荡时不误动。

⑤根据不同的失磁情况发出信号、切换厂用电、解列或全停。

⑥系统振荡及故障切除过程中、PT回路断线等不误动。

⑦具有励磁电压通道检测功能。

⑧整定范围： 转子低电压：0.00～500V

系统及机端低电压：50～100V

⑨阻抗整定值允许误差±5%，其他整定值允许误差±2.5%。

⑩固有延时不大于70ms。

2.7定子绕组过电压保护

由发电机保护装置MiCOM P127来实现。本保护用于发电机定子过电压故障的保护，保护延时动作于跳闸、灭磁，发事故信号。

2.8定子负序过电流保护

作为发电机不对称过负荷、非全相运行及外部不对称短路引起的负序过电流的保护，检测由于发电机不对称负荷、非全相运行及外部不对称短路产生的负序电流，当此电流超过发电机长期允许的负序电流值时动作发告警信号，反时限部分按照I·t做判据。MiCOM P343保护装置提供二段负序电流保护，一段定时限报警或跳闸，一段带热特性的跳闸。

动作时间： Ⅰ段：0～5s可调

Ⅱ段：可延长至1000S

动作情况： Ⅰ段发预告信号；

Ⅱ段动作于跳发电机出口断路器、停机、灭磁、发事故信号。

2.9发电机逆功率保护

发电机逆功率保护由MiCOM P343装置来实现，该装置具有两段保护。动作情况：解列、灭磁、发事故信号。

2.10轴电流保护

轴电流保护由主机厂家提供装配于大轴的轴电流互感器、以及装配于发电机保护屏的轴电流保护装置构成。轴电流保护装置动作时，第一时限发预告信号；第二跳发电机出口断路器、灭磁，发事故信号。同时轴电流保护的动作信号也可传至MiCOM P343的二进制输入端，实现发信号或跳闸，并进行事件记录。

2.11电压互感器断线闭锁

由发电机保护装置MiCOM P343来实现。本装置用于检测保护用电压互感器的原边或副边断线（包括熔断器熔断），其动作于报警，并闭锁由于失去电压可能造成误动作的保护。

2.12电流互感器断线保护

由发电机保护装置MiCOM P343来实现。装置设有延时TA断线报警及瞬时TA断线时发预告信号报警，并闭锁差动保护功能。

2.13发电机频率保护

发电机频率保护由MiCOM P343装置来实现，该装置具有两段过频率保护和四段低频率保护组成，每一段均可设置成定时限特性。动作情况：跳发电机出口断路器、灭磁，发事故信号。

除具上述保护功能外，该发电机保护装置还可以测量和储存大量的数据。所有的事件、故障和故障录波都带有时间标记，时间分辨率为l毫秒。一个可选的IRIG-B接口还可实现精确的时间同步。如果保护电源故障，备用锂电池可以保证实时时钟正常工作，并保证全部事件记录不丢失。该电池受监视并很容易从保护正面进行更换。

3.结束语

总之，水轮发电机组继电保护系统的目的在于提高运行的可靠性和经济性，保证电力系统的安全经济运行水平及供电电能质量，能有效改善运行人员的劳动条件，提高劳动生产率。