抽水蓄能机变保护国产化若干重要问题研究

贺儒飞

（广州蓄能水电厂，广东 广州 510950）

目前，我国抽水蓄能电站已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。蓄能机组及其二次控制设备的国产化刻不容缓，对抽蓄保护的国产化研究也正在不断深入。文献[1-3]虽对抽蓄保护进行了探讨，但疏漏较多，一些重要的抽蓄保护的特点没有描述清楚。本文在全面研究抽蓄保护的基础上，选取了一些关键问题进行分析，希望能对抽水蓄能电站保护的国产化有所助益，推动国产化保护的进一步发展。

1 发电机/电动机保护（以下简称机组保护）配置

保护功能配置的完整性和合理性对可靠的全面的保障设备运行安全具有重要作用，抽水蓄能电站保护与常规保护有较大区别，其中比较特殊的有以下几方面。

1.1 机组差动保护

早期的机组差动保护一般只有大差，且只配置完全纵差。近期的差动保护则按发电机结构和内部故障分析的结果，采用大差、小差、不完全纵差、裂相横差、完全纵差等多种方式的结合，且由于技术的进步，小差保护可以实现全工况全频段投入，保护更为全面。国产保护在多种差动保护的集成化和模拟量输入通道数量方面具有明显的优势。此外，某继保公司的产品还配有工频变化量差动这样独特的高速差动保护，体现了中国继电保护的特色和水平[4-6]。

1.2 非同期保护

误上电保护现已成为标准配置，然而误上电保护针对的是盘车阶段或停机状态的误合闸，机组带压后即退出。而机组带压后发生非同期合闸对发电机的冲击不亚于短路，却缺乏有效的保护。国产保护在这方面比进口保护考虑得全面，除误上电保护外，还配置了非同期保护，采用检测GCB合闸时过流的保护原理，并已有正确动作切除故障的实例，说明配置非同期保护的必要性。

1.3 零功率保护

零功率保护准确的说法应该是零功率检测，用途是发电工况正常停机时防止甩负荷停机，减小GCB触头损耗。在导叶关闭，出力小于整定功率后，零功率保护动作，发信给监控系统，才允许断开GCB。零功率保护并不反映故障，集成在保护装置中，容易引起动作逻辑紊乱，该功能建议由其他自动控制设备完成。

1.4 溅水功率保护

溅水功率保护即在CP转P、或CG转G过程中，转轮室回水，在导叶打开瞬间，由于导叶打水，机组将从系统吸收一定的有功功率（即溅水功率）。如果没有吸收一定数量的溅水功率，表明水泵处于抽空状态，这种状态有损于机组的密封和导水机构，监控系统不再继续打开导叶并转停机流程。溅水功率保护在有的厂站只是用作检测，动作后发信作为流程控制的条件。也有部分厂站将其按保护功能处理，并且还将其作为CG、CP工况转轮室进水的电气量保护。如果只是用作检测，同样建议不要由保护装置来完成，理由同零功率保护[7-8]。

1.5 功率突降保护

抽水蓄能机组一般都是高水头，高转速。因为系统解列，线路跳闸，开关偷跳等原因都可能造成发电机送出功率突降，使得转速快速上升，发电机振动剧烈，并可能引起水道冲击的问题，对发电机机械部件非常不利，应该快速停机。常规电气量保护不能反映该故障，只能依赖机械过速保护和调速器自身调节功能。国内一般为火电机组单独配置功率突降保护，在抽水蓄能机组保护中则没有集成该保护。由于在功率突降的情况下，频率会随转速上升，故可以用过频率保护来反映功率突降。国外部分厂站，就采用了短延时的过频率保护作为过速的电气量保护[9]。

1.6 SFC直流接地保护

中性点配置直流保护的做法在蓄能机组和燃气机组中都可以见到。两者共同点是都配置有SFC。在SFC拖动机组期间，在SFC整流-逆变桥中部发生接地故障时，产生对地的直流电位移，并经过发电机回路形成直流接地短路电流。该短路电流将通过接地变压器，经发电机机端、启动母线流回逆变桥，接地变压器将因过流而烧损。该保护在中性点安装有40 A/150 mV的分压电阻，将流过中性点的电流转换为电压，然后经150 mV～10 V的直流变送器将信号送入保护[10]。

然而，包括最近新安装的蓄能机组，配置此保护的蓄能机组并不多。原因可能有以下几点：

1）直流接地保护只在SFC启动期间起作用，时间短，一般不超过10 min。

2）直流接地保护保护的是整流桥和逆变桥之间的直流回路，范围有限，故障概率非常低。事实上，国内外抽水蓄能机组都鲜见此类故障。

3）某厂家的SFC本身可能已经针对此故障配置了相应的保护，也就没有必要在发电机再配置此保护了。

因此，可以认为，此保护不是完全必要的，是否需要配置取决于SFC的设计及中性点是否便于安装相关附件。

1.7 GCB非全相保护

GCB通常是三相联动的开关，对于三相联动的开关，也有可能发生非全相故障如断杆，现在还没有针对性的保护。一般的非全相保护是需要电流及分相位置接点配合的[11]。而GCB非全相保护的难点在于：①其非全相可能发生在并网瞬间，负荷电流小。②没有分相位置接点，不能反映各相的实际位置。③负序过流保护虽可以反映非全相，但动作时间太长。现广州抽水蓄能电站已与某公司合作，开发出了世界上首个基于电压量的三相联动的开关或刀闸的非全相保护。对于抽水蓄能电站而言，这个保护的重要性更加突出，因为抽水蓄能机组启停频繁，GCB开合次数相对于常规电站要多得多，发生非全相的概率也要大得多。

2 CT配置

2.1 纵差保护CT

基于抽水蓄能机组接线的特点，这些CT一般布置在以下位置：变压器高压侧、变压器低压侧（换相刀与主变低之间）、换相刀内、换相刀与GCB之间、发电机机端。传统的接线方式（如广州抽水蓄能A、B站），受早期保护装置本身功能的限制，只能采用换相刀内的CT，用硬接线方式将5把换相刀闸的CT按电动方向和发电方向分别连接起来，这样可以通过外部接线实现换相。新的保护装置由于具备保护装置内部换相及闭锁某一分支电流等功能，在CT布置上更加自由、合理。同时差动保护范围也扩展到发电机大差、小差、变压器大差、小差，范围更广更全面。表1为几种CT配置方式的对比。

表1 各厂机变纵差保护功能及CT配置Tab. 1 The differential protection and its CTs configuration in each station

各种方式可以根据现场条件调整。相比而言，方案4功能最完备，保护范围最广，国产保护在福建仙游项目中就采用了方案4。建议新建项目选用方案4。其接线示意图见图1。

图1 方案4（机变纵差CT配置示意图）Fig. 1 The fourth differential protection and its CTs configuration diagram

2.2 GCB失灵保护CT

失灵保护用的CT要尽量靠近GCB，中间不宜有支路。但由于抽水蓄能接线的特点，GCB与电气制动刀、拖动刀、启动刀之间一般都不配置CT，故有机端或换相刀以下的CT可供选择。相对而言，失灵保护用CT不宜选机端，因为其位于电气制动刀、启动刀之下，启动工况、电气制动工况很容易造成误动。失灵保护用CT的最佳位置是在拖动刀与换相刀之间，且宜采用P级CT，如与其他保护共用TPY级，则应有消除拖尾电流的处理措施。

3 保护闭锁的防误措施

对蓄能机变保护而言，由于闭锁条件复杂，保护的闭锁和开放频繁转换，如何监测闭锁开入量的正确性，提高开入信号的可靠性，防止误开放或误闭锁保护，就成为蓄能机变保护要面对的一个重要课题。当前的做法有：

1）采取并联接点的方式。单个接点失效的主要原因是闭合状态下接触不良。并联2个接点之后，闭合的可靠性大幅增加。根据实际运行经验，这类轻载接点出现粘连无法开断的概率微乎其微。也就是说，并联接点不会增加其不能断开的风险。

2）同时采用常开及常闭接点进行判断，2个信号互反时是可认为该开入有效。与1）相比，这种方法的可靠性更好，可以检测开入光隔故障造成的信号错误。检测到某开入条件无效之后，保护装置闭锁所有与之相关的保护，并发告警信号。由于有保护的双重化，不会造成无保护运行。

3）对三相联动且有分相位置接点的刀闸或开关，且有分相位置接点同时取三相位置接点，并按三取二的原则判断刀闸位置[13]。三相不一致则报警但不闭锁保护。

3种方法都是行之有效的，可根据现场实际情况选用。

4 结语

抽水蓄能电站保护的配置和设计，包括互感器布置、闭锁特性和原理等，与常规保护有很多不同，这是由抽水蓄能电站机组的工况特点和接线方式所决定的，抽水蓄能电站保护必须研究和解决这些特殊问题。 现有的工程经验，还有各种国内外抽水蓄能电站保护的不同特点，给我们提供了很多很好的思路，值得去分析和借鉴，从中汲取精华，为抽蓄保护国产化的深入研究服务。

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