抽水蓄能倒送电启动试验的问题分析及对策

高 翔，吕 滔

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

抽水蓄能倒送电启动试验的问题分析及对策

高 翔，吕 滔

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

受自身特点影响，抽水蓄能电站的系统倒送电启动试验存在重大隐患。在倒送电启动试验中，保护装置无法进行带负荷校验，其可靠性无法得以验证，一旦并网投运，将对电网运行及机组调试的安全产生不利影响。本文提出了一种利用试验负载校验保护装置的对策，并通过实例演算论证了其可行性。

倒送电；带负荷校保护；抽水蓄能电站中

0 引言

随着特高压智能电网、风力发电、光伏发电的快速发展，抽水蓄能电站以其高可靠性、高经济性、寿命周期长、容量大、技术成熟的特点，在电网中占据着非常重要的地位，对保证电网稳定运行、提高电能质量发挥着非常大的作用。当前，所有在建的抽水蓄能电站均接入500kV电网，且位于电源中心或者负荷中心，因此，应尽可能提高其在基建调试期间对电网的不利影响。尤其在电站启动调试的初始阶段，需要进行倒送电启动试验[1]，但电站固有的特点将使启动试验难以彻底完成，从而影响电网的安全运行，因此，必须采取有效的技术手段予以弥补。

1 抽水蓄能电站倒送电试验的问题分析

1.1 抽水蓄能电站电气主接线类型

目前，抽水蓄能电站的发电机和变压器均采用单元接线，两个发变组接线通过地下GIS组成发变组联合单元，再通过高压电缆或GIL接入500kV升压站，电站500kV升压站则主要采用内桥、菱形、正副母或3/2的接线形式，最终通过一回或多回500kV线路接入电网。图1为4台机组较为常用的电气主接线图，500kV升压站采用内桥形式接线。

1.2 抽蓄蓄能电站倒送电试验的问题

抽水蓄能电站不同于常规水电站，其上库通常为人工开挖且无径流汇入，在调试初期无水可用，因此，首台机组的调试必须采用水泵工况。在机组水泵工况起动的模式下，为了保证安全可靠的厂用电和SFC电源，必须要求系统向电站提供电力，因此，倒送电试验势必成为抽水蓄能电站机组整组调试的第一步，其目的就是为电站首台机（1号机组）启动提供电源。

根据相关的试验标准、规程，电站首次受电的500kV设备主要包括送出线路、升压站、第一联合单元高压电缆（或GIL）、第一联合单元地下GIS、1号主变压器，此时必须进行500kV主设备（线路、变压器）投切试验、PT核相试验及500kV保护设备带负荷校验等试验项目。其中，需要进行带负荷校验的500kV保护一般包括线路保护、母线保护、短线保护、主变压器保护[2]，而这正是主要问题所在。

图2为内桥接线方式的典型500kV保护配置图。在倒送电试验中，线路差动保护（线路1和线路2）、短线差动保护（桥Ⅰ和桥Ⅱ）和1号主变压器差动保护必须进行带负荷校验。

从图2可以看出：

（1）线路差动保护。对于两回及以上出线的抽水蓄能电站，一般通过系统潮流进行保护校验；但对于仅一回出线的抽水蓄能电站，必须通过1号主变压器带负载进行保护校验。

图1 内桥型接线Fig. 1 Internal bridge connection

图2 内桥型接线的保护配置图Fig. 2 Protection configuration diagram of internal bridge connection

（2）短线差动保护。必须通过主变压器1T带负载进行保护校验。

注：由于在此阶段2号主变压器不接入，因此，短线差动保护的2号主变压器支路对1号机组的调试及电网运行没有影响，可暂不校验。

（3）1号主变压器差动保护。必须通过主变压器带机组负荷、SFC负荷和厂用电负荷进行保护校验。

在目前整体的测试水平下，保护设备校验的最低CT二次侧电流一般为5mA。以4台单机容量375MW、发电机电压18kV的某抽水蓄能电站为例，通过核算，线路差动保护校验所需的负荷至少为12MVA，短线差动保护所需的负荷至少为12MVA，此负荷均需由厂用电提供，而该电站高压厂用变压器的额定容量仅为6.3MVA（实际负载率一般不超过85%），显然不能满足线路保护和短线保护校验的需求；对于主变压器差动保护，由于SFC支路和发电机支路无法提供任何负荷，也不能进行保护校验。同理，采用菱形接线、正副母接线、3/2接线的抽水蓄能电站也会遇到这样的问题。

众所周知，差动保护依赖电流量或电流电压量工作，电流电压量都是交流量，其有幅值和相位特征，幅值靠变比和接线来保证，相位靠极性来保证，所有这些最终只有靠带负荷校验来把关。保护设备未带负荷校验而投入运行，将可能引发断路器误动或拒动，导致对侧变电站断路器跳闸、事故扩大，从而对电网的安全稳定运行造成较大威胁。因此，经常会发生电网调度部门拒绝抽水蓄能电站倒送电试验的事件，进而严重影响电站的调试工作和投产计划。

2 对策研究及案例演示

从图2可以看出，只要在1号机组的发电机回路（发电机出口处）、SFC回路（SFC输入变压器高压侧处）、高压厂用变压器回路（高压厂用变压器高压侧处）配置合适的外加试验负载，并利用以上三个支路的断路器进行负载投切，即可对倒送电范围内的所有500kV保护设备进行校验；同理，该方法也适用于采用菱形接线、正副母接线、3/2接线的抽水蓄能电站的倒送电试验。为了保证电站设备的安全和倒送电试验的顺利进行，必须对试验负载的选配进行全面的考量。

2.1 试验负载性质选择

试验负载通常可为阻性负载、感性负载和容性负载，从保护校验的角度来看，三种性质的负载均满足要求。

阻性负载是最理性的试验负载，最接近实际情况，也不会对电站设备造成任何风险。然而，本试验要求高压大功率的阻性负载，这在实际应用中极少出现；对于兆瓦级高压阻性负载，其热稳定性能差、价格昂贵、体积庞大、质量客观，基本不适合用于现场试验。

感性负载是试验中经常采用的负载之一。该类型的负载本身不会对电站设备造成任何风险，但在全压切除时会因截流产生很高的过电压，尤其当感性负载在兆乏级水平，将对普通交流断路器（包括GCB）产生较大风险，因此需要采用感性负载投切专用的交流断路器。

容性负载也是试验中经常采用的负载之一。该类型的负载本身不会对电站设备造成任何风险，在全压切除时产生的过电压不会超过3.0p.u.，不会危害到一次设备的绝缘性能。同时，交流断路器（包括GCB）切除容性负载的能力相对较强，交流断路器不低于400A[3]，GCB一般不低于100A，完全满足保护校验的需求。但是，在关合容性负载的过程中，断路器中将出现较高的暂态涌流，必须进行核算并采取一定限流措施，保证其在断路器额定关合能力以内。

综合以上分析，认为采用容性负载进行保护校验是最优方案。

2.2 试验负载配置

试验负载配置应遵循以下原则：

（1）试验负载的大小应满足所有保护CT回路校验需求。通常来说，在折算到同一电压等级下，电站线路保护CT的变比最大，其次是母线保护和短线保护CT，第三是主变压器保护高压CT，第四为主变压器保护低压CT（包括发电机回路CT、厂用高压变压器回路CT和SFC输入变回路CT）。因此，试验负载的最小值必须满足线路保护CT校验的需求。

（2）试验负载回路的断路器应能够分断容性试验电流。通过核算，单独任何一个回路的断路器均不能分断线路保护CT校验所需的容性试验电流。为了降低各回路断路器分断容性电流的压力，同时为了节省倒送电启动试验的时间，应在三个回路上一次性同时配置试验负载。在制定三个回路的试验负载分配方案时，既要满足这三个回路上主变压器保护CT校验的需求，又要充分利用断路器的分断能力，保证三个回路上的试验负载总和满足线路保护CT校验的需求。

（3）试验负载回路的断路器应能够承受容性试验负载的合闸涌流。容性试验负载的合闸涌流必须核算，以保证其不会导致开关损坏。电容负载的合闸涌流可通过式（1）进行计算[3]。一般需要将涌流控制在开关额定短时耐受电流值以内。

式中U——发电机回路线电压；

C——试验负载的电容量；

Lt——主变漏抗的电感值（折算到低压侧）；

Lb——限流电抗的电感值。

2.3 案例演示

以图1所示的某抽水蓄能电站为例进行容性试验负载配置，其保护配置图如图2所示。根据图2，需要使用GCB、SFC输入变断路器（SCB）和厂用高压变压器断路器（ICB）投切试验负载。

该电站的发电机开关为瑞士ABB的HECPS-5SP型GCB，SFC输入变压器和厂用高压变压器的断路器采用厦门ABB的VD4-24型真空断路器。GCB的容性电流开断能力为100A，额定短时耐受电流为130kA；真空断路器的容性电流开断能力为800A，额定短时耐受电流为20kA。

该电站发电机回路额定电压18kV，并网电压550kV。电站500kV保护设备CT的最大变比为2500/1，CT二次校验电流至少为5mA情况下，容性试验负载的总量至少为：

主变压器保护的发电机支路校验电流最小为75A，厂用高压变压器及SFC输入变支路校验电流最小为12.5A，而三个支路电流之和不得小于382A以满足500kV CT的校验需求。综合考虑开关的容性电流开断能力和CT校验需求，发电机支路需配置2.34MVar（负载的电容量为13.28μF），厂用高压变压器及SFC输入变支路需配置4.78MVar（负载的电容量为27.13μF）。

最后，根据式（1）核算GCB和真空断路器的合闸涌流。主变压器的漏抗值为0.387mH，c厂用高压变压器限流电抗器的电抗值为1.665mH，SFC输入变限流电抗器的电抗值为1.2405mH，因此，GCB的合闸涌流为1.36kA，厂用高压变压器支路真空断路器的合闸涌流为0.845kA，SFC输入变压器支路真空断路器的合闸涌流为0.949kA，远小于开关限值，无需加设限流装置。

3 结束语

综上所述，对于首台机采用水泵工况启动调试的新建抽水蓄能电站，通过采用合适的电容性试验负载，可安全、有效地解决系统倒送电试验中保护装置无法进行带负荷校验的问题，降低了电站500kV设备和电网的运行风险，为后续的机组调试奠定稳固的基础。

[1] 沙俊强.发电厂倒送电方案分析及控制要点.科技创新导报，2013（30）.SHA Junqiang. Analysis and Control Key of Reverse Power Supply Program for Power Plant. Science and Technology Hnovation Herald，2013（30）.

[2] 原爱芳，杨北阳，罗明辉，王清坚，张玉宝，原利敏，王绍辉.继电保护方向元件的带负荷校验方法探讨.电力系统保护与控制，2010，38（17）.YUAN Aifang，YANG Beiyang，LUO Minghui，WANG Qiangjian，ZHANG Yubao，YUAN Limin，WANG Shaohui.Power System Protection and Control，2010，38（17）.

2016-05-30

2016-06-20

高 翔（1977—），男，高级工程师，主要研究方向：发电电动机及高压电气设备。E-mail：35040685@qq.com

吕 滔（1984—），男，工程师，主要研究方向：水电厂机组调试。E-mail： taol-lv.jszx@sgxy.sgcc.com.cn

Analysis and Countermeasure of The Problem in Inverse Power Supply Test for Pumped-storage Power Station

GAO Xiang，LV Tao
（State Grid Xinyuan Company Beijing 100161，China）

Due to the characteristic of pumped-storage power station，a big hidden trouble will occur when the inverse power supply test performed. During the inverse power supply，load test can’t be carried out for the protection device in power station. The reliability of the protection device can’t be verified. Once the power station incorporated into the power grid，the safety of the power grid and the generator unit’s start-up test will be threatened. A countermeasure is provided to on-load test the protection device by using testing load，the feasibility of which is demonstrated on the case of a real pumped-storage power station.

inverse power supply；load test for protection；pumped-storage power station

TM312

A学科代码：470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.016