浅谈微机综合保护器在农村小型水电站的应用

苏敬爱

（南安市水利局，福建 南安 362300）

0 前言

水电站在运行过程中，可能遇到各种类型的故障和不正常运行方式，从而在电力系统中引起事故，破坏电力系统的正常运行，降低电气设备的使用寿命，严重的将直接破坏系统的稳定性，造成大面积的停电事故。继电保护装置就是能反应水电站和电网发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置，继电保护装置应符合可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。发电机是电力系统的主要电气设备之一，它的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性作用，但在发电机运行过程中，其定子绕组和转子回路都有可能出现各种故障和异常运行状态，所以，为了保障其正常运行，减少不必要损失，对发电机应装设专门的继电保护装置。农村小型水电站大多因开发较早，装机容量小，水电站自动化程度低，鉴于当时的技术条件，发电机保护装置安装的是电磁型继电器，可靠性和灵敏度较低。本文主要介绍GDB-6 微机综合保护器的低速和过速保护功能，提高保护装置的可靠性和灵敏度，在电网发生事故时，发电机出口断路器能够快速解列，确保电网、电站机组及用户电器设备安全。

1 概况

南安市位于福建省东南沿海，晋江流域中游，水电资源丰富，开发条件优越，境内主要有东溪、西溪、九十九溪和九溪四大流域。南安市多年平均降雨量1546 mm，因时空分布不均，降雨量由沿海地区的1000 mm～1400 mm 向山区的1500 mm～1900 mm 递增。全市多年平均水资源量17.366 亿m3，水力资源理论蕴藏量149000 kW，技术可开发量58000 kW。至2019 年底，全市已建成投产的水电站有105 座，机组台数206 台，总装机容量5.7095 kW，多年平均年发电1.82 亿kW·h。南安大部分水电站为径流式开发，站址地处偏远山区，10 kV 联网线路长，设备老化，遇到雷雨天气时，事故频发，严重影响电站和电网安全运行。

2 事故概述

岩内水电站位于福建省南安市西北部蓬华镇大演村境内，为晋江西溪大演溪小支流水电梯级开发的第一级电站，1981 年5 月建成投产发电。岩内水电站控制流域面积27.2 km2,设计水头90 m，设计引用流量0.40 m3/s，总装机容量800 kW（4×200），多年平均发电量 256 万 kW·h。

岩内水电站地处南安市西北部山区，自投运自今，电站联网线路（10 kV 岩内线）经常遭受雷击，导致蓬华35 kV 变电站10 kV 岩内线馈线柜断路器多次跳闸，因水电站发电机继电保护装置不灵敏、不可靠，甚至不动作，导致发电机出口断路器未跳闸解列，沿途村庄多台10 kV 变压器低压用户电器设备（图1），因电压不稳定，忽高忽底，电器设备故障烧毁，造成严重安全隐患和用户财产损失。

图1 岩内水电站与电网联络示意图

3 事故原因分析

岩内水电站1981 年5 月建成投产发电，鉴于当时的技术条件，水电站自动化程度低,水轮机未安装自动调速器，发电机组配备一机一屏（BKSF-12），即控制、保护和测量“三合一”，发电机出口断路器采用DW15 系列低压空气断路器，带有分励、欠压、过流三种类型的脱扣器。岩内水电站发电机常规保护除断路器自带的过流、欠压保护外，发电机控制屏还安装过负荷和过电压保护（见图2），保护继电器选用电磁型继电器，过负荷保护动作电流按照发电机1.05 In 来整定，过电压保护动作电压按照发电机1.2 Un 整定（见如表1）。

表1 发电机过负荷流和过电压保护整定值

岩内水电站地处山区，10 kV 联网线路长，距离蓬华镇区35 kV 变电站有12 km，沿途村庄T 接多台供电变压器，大多用于农村日常生活用电或微型加工厂用电。当线路遭受雷击或其他原因发生故障时，变电站10 kV 馈线柜断路器跳闸，因沿途村庄带有用电负荷，电站发电机组和沿途村庄用电负荷形成孤立运行的小电网，即自发自供。岩内水电站因建成时间较早，发电机继电保护装置配备电磁型继电保护，这种保护装置的灵敏性、可靠性和速动性较差，加上电站又未按规定期限对继电保护装置定期检查和定值整定，在电网跳闸后，发电机继电保护装置经常不动作，导致出口断路器无法跳闸，电站和电网没有及时解列。当电站发电功率大于自供区用电负荷时，发电机过电压运行；当电站发电功率小于自供区用电负荷时，发电机欠压运行。发电机电压的不稳定运行，必将对机组自身和用电设备造成损伤，甚至引起烧毁用电设备的事故，给电网运行带来重大安全隐患和用户财产损失。

图2 发电机控制保护图

4 整改措施

岩内水电站发电机继电保护装置配备电磁型继电保护，针对这种保护装置灵敏性、可靠性和速动性较差的问题，电站将在原有电磁型继电保护装置基础上进行升级改造，即增加安装微机综合保护器。

GDB-6 微机综合保护器以电脑芯片为核心，硬件简单，精度较高，稳定性、可靠性好，保护定值整定灵活，功能多样，具有过压、欠压、过流、短路、低速和过速等保护功能：

（1）过压保护

发电机运行中，当电压连续高于设定过压保护值一定时间（此时间可设定）时，保护器判为“过压故障”，发出常规“跳闸命令”，“故障”继电器动作，同时发出常规告警信号（断续蜂鸣告警声，故障指示灯亮），数码显示自动切到电压值显示状态，实时显示此时的电压值。延时设定的一段时间后（2 s～100 s），如电压恢复正常，则解除告警信号，继电器断开，退出故障状态。

（2）欠压保护

发电机运行中，当电压连续低于设定欠压保护值时，保护器判为“欠压”状态，如果参数设定01 选择欠压需要跳闸（LUYY）时，发出常规“跳闸命令”和常规告警信号，进入故障状态。如果参数设定01 选择欠压不需要跳闸（LUNO）时，欠压保护仅发出常规告警信号。另外欠压保护可以关闭，当欠压设定选择低于额定电压的50%时，关闭此功能。

（3）过流保护

发电机运行中，三相电流中最大一相电流连续大于设定过流设定值（1.05 Ie～2.0 Ie）一定时间（此时间可设定）时，保护器判为“过流故障”，发出常规“跳闸命令”和常规告警信号，“故障”继电器动作。数码显示自动切到电流值显示状态，显示跳闸时刻的电流值。延时设定的一段时间后（2 s～100 s），自动解除告警信号，退出故障状态，也可以人工提前退出故障状态。过流保护反时限控制，在设定的过流延时跳闸时间的基础上，保护器根据“温升相等”原则自动修改过流动作时间，电流越大，保护动作越快。

（4）短路保护

当三相电流中最大一相电流达到短路设定设定值（1.8 Ie～3.0 Ie）时，保护器判断为短路故障，故障继电器立即动作，其他处理与过流故障类似。电流显示值为跳闸前的电流值。

（5）低速保护

并网前，低速保护可设定不动作。并网后，当发电机转速低于低速设定值（30.0 Hz～49.9 Hz）时，保护器判为“低速”故障，发出常规“跳闸命令”和常规告警信号，“故障”继电器动作。数码显示自动切到频率值显示状态，显示当时的频率值，延时设定的一段时间后，自动退出故障状态，同样也可以人工提前退出故障状态。

（6）过速保护

当发电机转速大于过速设定值（50.1 Hz～75 Hz）时，保护器判为“过速”故障，发出常规“跳闸命令”和常规告警信号，“故障”继电器动作。故障处理与“低速”故障处理一样。

GDB-6 微机综合保护器对比常规电磁型保护装置，具有低速、过速保护功能，提高了保护装置灵敏性、稳定性和可靠性。在联网线路发生事故，10 kV 馈线柜断路器跳闸后，因水轮机未安装自动调速器，发电机频率发生大幅度增减，微机综合保护器低速或过速保护动作，其灵敏度比常规电磁型过压和欠压保护灵敏度更高，发电机出口断路器迅速跳闸解列，确保发电机组和电网运行安全，低压用户电器设备不受损坏。

GDB-6 微机综合保护器可以取代传统的电磁型继电器保护装置，保护器外形尺寸和42L6 系列仪表一致，安装方便，接线简单（见图3）。另外装置还兼有发电机电压、电流、频率的数显功能，便于运行人员日常巡视和维护。

图3 GDB-6 微机综合保护器接线图

安装接线：GDB-6 保护器兼有电压、电流、频率的数显功能，安装时，可拆除配电屏上监测电网的频率表（42L6-Hz），装入GDB-6 微机综合保护器，两者安装尺寸一致（宽114 mm×高114 mm）。按照保护器安装接线图，接入发电机三相CT 电流、电网电压和控制电源，并将保护器常开输出接点，并联接在过电压继电器常开输出接点，动作时限和过电压保护一致。

发电机低速和过速保护整定值：参照GDB-6 微机综合保护器的参数设定，设置低速检测阀值为48.5 Hz，过速检测阀值为50.5 Hz（见表2）。在发电机频率低于48.5 Hz 或高于50.5 Hz 时，保护器动作。

表2 发电机低速和过速保护整定值

5 改造效果

岩内水电站继电保护装置改造完成后，在电网多次事故跳闸后，GDB-6 微机综合保护器均能快速可靠动作，确保发电机和电网解列。

6 结语

GDB-6 微机综合保护器结构简单，投资少，对比电磁型继电器，微机综合保护器保护定值设定方便准确，保护器设置的发电机低速和过速保护，能够替代传统的电磁型过电压保护。对于有多台机组的水电站，可通过保护器常开输出接点，启动接通中间继电器，利用中间继电器的多对常开辅助接点，接通各台机组保护跳闸回路，实现1 台保护器同时解列多台发电机组，减少改造资金投入。

南安市农村小型水电站大多开发较早，装机容量小，位于偏远山区，鉴于当时技术条件，电站的水轮机大多数未安装自动调速器，发生故障系统解列后，水轮机过速（飞车）或低速运行。安装GDB-6 微机综合保护器，能够快速捕捉发电机频率变化幅度，及时、迅速地将发电机解列退出运行，避免发电机组自身和沿途用户电器设备造成损伤,确保电网安全。在水电站日常运行管理中，大多电站业主疏于运行管理，特别是对发电机继电保护装置，未能按规定定期检查和定值整定，导致在电网和机组发生事故和故障时，发电机出口断路器无法及时跳闸解列，给电网运行带来重大安全隐患。岩内水电站继电保护装置的成功改造，给全市其他水电站提供了很好的借鉴。