300MW级抽水蓄能机组继电保护原理优化研究

王 光，陈 俊，姬生飞，王 凯，季遥遥

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

300MW级抽水蓄能机组继电保护原理优化研究

王 光，陈 俊，姬生飞，王 凯，季遥遥

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

本文针对以往300MW级抽水蓄能机组继电保护存在的不足和运行中出现的问题，重点探讨了发电电动机及主变压器差动保护、三次谐波电压比率定子接地保护、注入式定子接地保护、水泵启动过程保护等方面的应用问题及保护原理的优化，改进后的保护原理在现场近20台机组上取得了良好的应用效果。

抽水蓄能机组继电保护；发电电动机差动保护；主变压器差动保护；三次谐波电压比率定子接地保护；注入式定子接地保护；水泵启动过程保护

0 引言

随着我国经济和社会的快速发展，电力负荷迅速增长，峰谷差不断加大，用户对电力供应的安全和质量期望值也越来越高，另外核电和风电的快速发展使调峰更加困难。抽水蓄能电站以其调峰填谷的独特运行特性，发挥着调节负荷、促进电力系统节能和维护电网安全稳定运行的功能，将成为我国电力系统有效的、不可或缺的调节工具[1][2][3]。

300MW级大型抽水蓄能机组制造难度高，单机造价昂贵，对机组保护性能要求很高。以往大型抽水蓄能机组保护基本为国外厂家垄断，设计图纸等均从国外引进，在设计、运行等方面存在不完全满足国内相关标准和反措要求等问题。另外，部分常规保护原理在300MW级抽水蓄能机组上应用也遇到了一些新的问题，如三次谐波电压比率定子接地保护在各个工况下的适应性问题、注入式定子接地保护在水泵工况并网时的启动问题等，应给予关注。目前国内继电保护厂家已打破垄断，在国内300MW级大型抽水蓄能机组上已有较多工程应用，积累了一定的运行经验。本文针对抽水蓄能机组保护的上述问题，提出了相应的解决方案，希望对以后抽水蓄能机组保护的发展提供一些借鉴和帮助。

1 发电电动机和主变压器差动保护配置优化

差动保护作为继电保护的主保护地位毋庸置疑，抽水蓄能机组也不例外，但抽水蓄能机组差动保护配置至今仍未达成一致意见，配置较为复杂，且各厂家做法均不相同，甚至每个电站的配置都不尽相同。本文针对现有方案进行分析，提出了优化方案。

1.1 以往差动保护交叉配置分析

以往大型抽水蓄能机组差动保护配置有多种方案[4][5]，一种较为常见的做法如图1所示。主变压器小差（87T-1）范围为1TA、2TA以及厂用变压器高压侧、SFC输入变压器高压侧，不受工况影响可全程投入；发电电动机小差（87G-1）范围为5TA和6TA，也不受工况影响可全程投入，这两套小差重点保护发电电动机和主变压器本体。主变压器大差（87T-2）范围则为1TA、4TA以及厂变高压侧、SFC输入变压器高压侧，包含了换相开关和机端断路器部分，受工况影响。发电电动机大差（87G-2）范围为3TA和6TA，包含了机端断路器部分，同样受工况影响。

图1 以往大型抽水蓄能机组差动保护配置方案Fig.1 Old scheme of differential protection for large pumped storage unit

主变压器小差和发电电动机小差全程投入，不受任何工况影响，一般均会配置，这里不做讨论。对于主变压器大差和发电电动机大差来说，是在机端断路器两侧交叉，并网后不存在保护死区，没有问题。在机组并网前，主变大差机端侧电流（4TA）不属于流过主变压器的电流，将会影响主变压器差动动作行为。以往进口保护有两种做法，一种是直接闭锁[6]，但2TA至机端断路器部分将失去差动保护，一旦发生故障只能依靠后备保护动作，可能造成重大损失；另一种做法是差动正常投入，正常运行时差动定值一般会高于发电电动机启动电流，保护不会动作，但在变频启动过程中发电电动机侧任意位置发生故障时，主变压器差动保护都可能动作，将会大大扩大动作范围，相邻机组也会停机。对于发电电动机大差，在机组并网前3TA电流也不会流过发电电动机的正常电流，进而影响发电电动机大差的动作行为，以往进口保护大多采用抬高定值的办法，启动过程中也能正常投入，但仔细分析后发现，发电电动机大差在机组并网前作用很小，由于发电电动机故障电流不流过3TA，大差仅依靠发电电动机中性点电流互感器（6TA）单侧电流动作，大差的实际动作行为及保护效果与低频电流速断保护无任何区别，均取得的是6TA电流，在机组并网前设置两套事实上完全相同的保护没有必要。因此，发电电动机大差在并网前可以取消，仅保留并网后与主变压器大差交叉的作用，这个交叉点实际上也可以根据需要调整。

其他的做法还包括，主变压器大差机端侧电流取自5TA，或者主变压器小差的TA取自主变压器低压侧套管（即主变压器出口根部的位置），发电电动机大差至2TA位置等，存在的问题与前述分析基本类似，这里不再赘述。

1.2 差动保护交叉配置及主变压器差动逻辑优化研究

基于以上分析，笔者认为可以优化差动保护配置，并能适当简化主保护。如图2所示，发电电动机小差和主变压器小差保持不变。主变压器大差机端侧电流差至发电电动机出口处（5TA），差动范围略有扩大，包含了电制动开关。发电电动机大差则取消，减少一套差动保护。这样3TA和4TA可以省去4个保护TA，5TA增加2个保护TA，总共可以节省2个保护TA。

对于这一差动保护配置方案，发电电动机小差和主变压器小差各自重点保护发电电动机和主变压器本体，全程投入，不受闭锁方式影响。由于主变压器大差和发电电动机小差在机端交叉，并网后不存在保护死区。并网前，对于5TA以上机端封闭母线部分，依靠发电电动机低频电流速断保护，与以往保护性能相同。对于主变压器大差保护，可优化保护逻辑解决并网前存在的问题。

主变压器大差在机组并网前不需闭锁，可全程投入，而对差动电流计算逻辑进行优化。并网前差动电流计算时不计入发电电动机机端电流，并网后再计入，该方法可消除机组并网前的保护死区，区外故障时也不会误动，提高了主变压器大差的可靠性。如图3所示，机组启动过程中，当换相开关部分（K1点）发生故障时，主变压器小差由于是区外故障无法动作，主变压器大差属于区内故障可快速动作；当发电电动机部分（K2点）发生故障时，机端电流互感器流过故障电流，由于并网前不计入机端电流，主变压器大差无差流出现，因此也不会误动作。

另外，主变压器大差和发电电动机小差的交叉位置也可以选在4TA位置，主变压器大差与原来保护范围一致，发电电动机小差则包含了电制动开关部分，需要在电制动时闭锁。

综合以上分析，这一方案既保证了保护性能，又简化了保护配置，同时减少了TA总台数，应是一种比较合理的差动保护配置方案。

图2 大型抽水蓄能机组差动保护配置新方案Fig.2 New scheme of differential protection for large pumped storage unit

2 发电电动机定子接地保护

2.1 三次谐波电压比率定子接地保护

三次谐波电压比率保护与中性点基波零序电压保护共同构成100%定子接地保护，是大型抽水蓄能机组定子接地保护的重要组成部分，按照设计要求应在发电工况和电动工况都投入运行。文献[4]指出，运行中零序电压三次谐波分量受机组运行工况影响较大，发电工况和抽水工况功率方向不同，三次谐波的分布情况会有变化，因此这一原理无法同时适用于两种工况。

为此，笔者在某抽水蓄能电站2台250MW机组现场试验中观察和记录了不同运行工况下三次谐波电压比率值的变化情况，详细数据如表1和表2所示，表中UT03为机端零序电压三次谐波幅值，UN03为中性点零序电压三次谐波幅值，UT03/UN03为三次谐波电压比值。

表1 1号机组三次谐波数据Tab.1 Three harmonic voltage data of #1 unit

续表

表2 2号机组三次谐波数据Tab.2 Three harmonic voltage data of #2 unit

分析表中数据，我们发现零序电压三次谐波分量有以下三个特征：①发电工况在不同负荷情况下三次谐波电压比率随负荷增大略有减小，但变化范围很小；②抽水工况、抽水调相和抽水并网前三种工况下三次谐波电压比率略有不同，但相差较小，总体比发电工况略小；③发电并网前两台机组三次谐波电压比率均明显较大，约为其他工况的1.3倍。

从这两台250MW机组试验情况来看，功率流向对三次谐波幅值比值影响较为有限，最大变化范围约为3%，似乎并无文献所指那么大。发电并网前与其他工况相差较大，其原因是由于发电电动机所联接设备变化较大，引起机端和中性点对地等效电容分布也发生较大变化，进而导致三次谐波分布情况的变化。由于本次试验相位记录不全面，未能总结相位变化规律。对于抽水工况并网前后三次谐波电压比率相差不大的情况，其原因应为SFC启动回路设备与主变压器低压侧所连接设备对地等效电容较为接近，不排除其他电站和机组会出现较大变化。

基于以上分析，三次谐波电压比率定子接地保护如采用常规的单一比率定值，按可靠躲过最大实测值整定（发电并网前），则在抽水方向各工况和发电并网后灵敏度必然较低。应用时建议采用多段定值，分别在不同的运行工况下投入，由于抽水蓄能机组运行工况较多，多达10种以上，如每种工况对应一段定值，则保护过于复杂。由于部分工况三次谐波电压比率较为接近，可采取设置工况闭锁（或投入）控制字选择的办法，设置2～4段定值一般可满足要求。

另一种原理三次谐波电压差动保护，由机端和中性点的三次谐波电压相量差构成，正常运行时根据机端和中性点三次谐波电压相量的变化进行自动调节，始终保持两侧相量平衡，即三次谐波电压相量差为零，自动跟踪工况变化，能够更好地适应抽水蓄能机组多工况的特点。

2.2 注入式定子接地保护

注入式100%定子接地保护原理通过接地变压器将低频电压信号注入到机组定子绕组对地的零序回路中来检测定子绕组对地绝缘情况[7]。该原理与三次谐波无关，且满足无励磁状态下测量要求，在大型抽水蓄能机组上应用有独特的优势。

图3 定子接地保护启动波形Fig.3 Starting waveform of stator ground protection

该原理在某抽水蓄能电站250MW机组上应用也取得了很好的应用效果，但在水泵工况并网过程中却曾多次出现保护启动现象，引起了我们的注意。多次出现时刻均是在机端断路器合闸之后，被拖动开关分闸过程中。图3为其中一次启动波形，在被拖动开关分闸过程中确实出现了机端和中性点基波零序电压增大、注入20Hz电压下降、20Hz电流上升的短暂过程，定子接地电阻计算值出现了约100ms的下降过程。

图中U0为机端零序电压，UN为中性点零序电压，U20为注入20Hz电压，I20为注入20Hz电流，RS为定子接地计算电阻值。

多次统计开关变位情况后发现保护启动时间基本一致，以水泵工况并网时机端断路器合闸时刻为基准，约2.2s时被拖动开关开始分闸，约3.0s时定子接地保护启动，约4.0s被拖动开关分闸完成。由于机端断路器动作很快，约30ms完成分闸，动态过渡过程也应早已结束，可排除机端断路器影响。而被拖动开关为电动开关，动作行程较长，分闸时间约为1.8s，定子接地保护启动即在其分闸过程中，初步确定应为主要原因，后经仔细分析认为被拖动开关动作速度较慢，存在三相隔离开关动作不一致的可能，导致机组与SFC设备连接出现短暂的非全相运行，根据启动时间推算应在100～200ms之间。

非全相运行分析的相关文献[8]、[9]表明，非全相运行时会产生一定的零序和负序分量，其大小和负载阻抗、接地方式等多种因素有关。对于抽水蓄能机组SFC启动运行方式来说，在机组并网调速时，SFC仍有一定的拖动电流，虽负载较小，仍有一定的零序电压出现并影响注入式定子接地保护，由于该保护较为灵敏，当某次拖动电流相对较大的时候，可能导致定子接地保护启动。非全相运行时间多次统计均在100～200ms之间，建议注入式定子接地保护整定动作时间应可靠躲过，延时建议整定0.3s以上。

3 水泵启动过程保护

3.1 保护配置优化

大型抽水蓄能机组主要承担调峰作用，启停频繁，一般每天均要启停数次，相对于常规机组，启动过程在整个运行过程中所占比例很高。同时，抽水蓄能机组作为水泵运行时无法自启动，需要依靠外部电源启动，一般采用SFC启动或背靠背启动方式。因此，水泵启动初始时已加励磁，由零转速同步的拖动至额定转速，定子三相电流的频率和幅值随着转速升高而变化，且持续时间较长。因此，在启动过程中具有完善的保护性能非常重要。

常规保护功能通常基于工频进行算法设计，在低频启动过程中灵敏度很低且部分保护可能误动，因此需闭锁相关保护，并专门配置具有一定灵敏度的保护功能。目前国外保护设备在启动过程中主要配置了次同步过流保护（国内习惯称作低频过流保护）和电压相序保护[5][6][10]，保护种类少，主要反映机组的相间短路和异常运行。鉴于水泵启动过程在抽水蓄能机组中的重要性，吸取国内机组保护多年经验，建议增加反映定子接地故障、匝间短路故障的保护和反映相间短路故障的快速保护，采用不受频率影响的保护算法。

水泵启动过程保护建议配置如下：①反映相间短路故障的保护，配置低频差动保护作为快速主保护，配置低频过流保护作为后备保护，按可靠躲过最大不平衡电流整定；②反映匝间短路故障的保护，可配置低频横差保护，动作值宜适当提高，可靠躲过低频三次谐波分量的影响；③反映定子接地故障的保护，配置中性点低频零序电压保护，动作值也宜适当提高，可靠躲过低频三次谐波分量的影响；④电压相序保护，用于鉴别发电电动机旋转方向与换相开关位置不一致的机组异常运行。

3.2 低频差动保护优化

大型抽水蓄能机组在水泵（变频）启动过程的初始阶段，传统的电磁式电流互感器由于铁芯的原因，当发电电动机频率很低时极易饱和，传变特性差，尤其是10Hz或5Hz以下极低频率时二次电流波形畸变严重，保护装置将计算出虚假的差动电流，可能导致差动保护误动。以往进口大型抽水蓄能机组保护一般在10Hz以下闭锁差动保护，导致这一阶段缺少快速主保护，存在较大隐患[10]。图4为某电厂背靠背启动过程中频率在3Hz左右时的录波波形，给出的是B相电流和差流，依次为差动电流、机端电流和中性点电流波形，机端和中性点电流畸变严重，初始阶段相位甚至都是相反的，保护计算出的差流最大达到0.45Ie，甚至高于负荷电流。

图4 某机组背靠背启动波形（3Hz）Fig.4 Back-to-back starting waveform of the pumped storage unit

为解决10Hz或5Hz以下差动保护问题，在对变频启动过程中机组电气量进行详细分析和计算的基础上，本文提出了基于频率偏移量制动的低频差动保护，在变频启动的初始阶段一次电流互感器无法正确传变情况下，根据频率偏离设定值的大小和电流互感器低频传变误差特征曲线，实现低频差动保护的频率偏移量制动特性，解决差动保护在极低频率时的误动问题，无需闭锁，可以在水泵启动全过程中投入，从而提高抽水蓄能机组在整个水泵启动过程中的保护性能。频率偏移量制动特性如下式所示。

式中：ID——差动电流；

ICD.SET——差动启动电流定值；

综上所述，医院强化内部控制是在市场经济环境下竞争必不可少的提升途径，只有通过内部控制才能够将医院的各方面风险尽可能的降低，同时将运营效率进行大幅度提升。从目前医院的内部控制发展状况来看，仍然有极大的发展空间，尤其是需要医院能够主动的重视对于内部控制建设的发展与优化，同时将医院不足尽可能的让内部控制发现并且进行控制，才能够在市场竞争环境下为医院的核心竞争力的提升带来保障，避免因为内部管理的问题给医院带来不必要的损失。

f——发电电动机当前频率；

fSET——频率制动基准值（一般可设定为10Hz）；

k——制动系数。

发电电动机启动初始阶段，频率近似为零，电流互感器传变特性最差，频率制动特性也最高，随着频率逐渐升高，电流互感器饱和深度减小，传变误差变小，动作门槛随着频率升高而逐渐降低，可靠防止10Hz以下时低频差动保护误动，当发电电动机发生故障时仍能保证一定的灵敏度；当发电电动机频率大于频率制动基准值时，动作门槛即为差动启动电流定值，保证水泵后续启动过程中低频差动保护的灵敏度。基于频率偏移量制动的低频差动保护动作特性如图5所示。

图5 基于频率偏移量制动的低频差动保护动作特性Fig.5 Low frequency differential protection action characteristic based on frequency offset braking

4 结论

本文探讨了当前300MW级抽水蓄能机组保护方面存在的几个问题，为优化继电保护方案，提高保护性能，建议对以下几个方面给予关注：

（1）发电电动机差动保护和主变压器差动保护配置方案不统一，建议采用机端交叉方式，在不降低保护性能的情况下可以简化差动保护配置、减少电流互感器数量。

（2）机组启动过程中主变压器差动保护存在死区，并网前差流计算时建议不计入发电电动机机端电流，而非闭锁差动保护，从而提高主保护性能。

（3）三次谐波比率定子接地保护在300MW抽水蓄能机组保护上应用遇到新的问题，建议采用多段定值和工况闭锁（或投入）控制字相结合的办法提高保护灵敏度。

（4）100%注入式定子接地保护由于受被拖动开关三相动作的不一致影响，其延时定值应可靠躲过非全相运行时间，建议整定在0.3s以上。

（5）300MW级抽水蓄能机组启动频繁，启动过程保护相比常规水电要重要得多，建议增设低频下的快速差动保护、横差保护、定子接地保护等，加强低频主保护的性能水平。

（6）水泵启动初始阶段频率在10Hz以下时差动保护难以正常工作，采用频率偏移量制动方法，频率极低时可靠防止误动，同时不影响10Hz以上时的保护灵敏度。

以上方案已在安徽响水涧抽水蓄能电站、福建仙游抽水蓄能电站、广州蓄能水电厂等近20台机组上应用，运行情况良好，可靠保障了大型抽水蓄能机组的安全运行。

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王 光（1980—），男，高级工程师，主要研究方向：电气主设备微机保护的研究、开发和管理。

陈 俊（1978—），男，高级工程师，主要研究方向：电气主设备微机保护的研究、开发和管理。

姬生飞（1983—），男，工程师，主要研究方向：继电保护设备设计。

王 凯（1983—），男，工程师，主要研究方向：电气主设备微机保护的研究、开发。

季遥遥（1984—），男，工程师，主要研究方向：电气主设备微机保护的研究、开发。

Optimization Research on Relay Protection Principle of 300MW Pumped Storage Unit

WANG Guang，CHEN Jun，JI Shengfei，WANG Kai，JI Yaoyao
（Nanjing NR ELECTRIC Co.，Ltd.Nanjing 211102，China）

Aiming at the problems existing in the relay protection of the 300MW pumped storage units in the past，this paper analyzes the application problems and puts forward the protection principles optimization of the differential protection of the generator-motor and the main transformer，third harmonic voltage ratio stator ground protection，injected stator ground protection，pump starting process protection.The above protection principles have obtained the good application effect in the nearly 20 pumped storage units.

relay protection of pumped storage unit;differential protection of generator-motor; differential protection of main transformer; three harmonic voltage ratio stator ground protection; injected stator ground protection; pump starting process protection