抽水蓄能机组换相隔离开关的非全相保护

司红建，陶晓光

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

1 引言

电力系统在运行中，由于各种原因，断路器可能断开一相或两相，造成非全相运行[1]。抽水蓄能电站主接线中发电机与变压器之间布置有出口断路器GCB、换相断路器等开关设备，如图1所示。此类设备均为机械操作机构，由于动作频繁，机械疲劳等原因，增大了断路器三相不能同时合闸或跳闸概率，造成机组非全相运行。以往的非全相保护重点关注机组断路器GCB、主变高压断路器、线路断路器等高压断路器。对于抽水蓄能电站，换相隔离开关同样存在非全相问题，如不及发现，将导致故障扩大。换相隔离开关是抽水蓄能机组的特有设备，因抽水蓄能机组要满足发电方向和抽水方向运行对相序的不同要求，所以设置了换相隔离开关[2]。

图1 抽水蓄能电站单元主接线

某日，某电站机组抽水启动时，抽水换相开关QFV41合闸后，发变组保护动作，跳主变、机组停机。故障后检查发现发电换相开关A相连杆断裂，A相触头在上次发电工况停机时未有效分闸，A相仍处于合闸位置，抽水换相开关A相一侧电压为主变低压侧A相电压，另一侧为主变低压侧B相电压。机组抽水启动时，抽水换相开关先合闸，导致主变低压侧A B相短路，发变组保护动作。由于换相开关采用三相联动操作机构，本体不设置三相辅助触点，辅助位置触点不能真实反映各相触头实际位置，此故障极具隐蔽性，容易引起故障扩大。近年来，随着光伏、风电等新能源大规模并网，抽水蓄能对电网调峰作用被广泛重视，机组启停愈发频繁，换相断路器操作次数明显增加，故障概率提升，需提出有效的解决方案来避免此类故障发生。

2 传统非全相保护实现形式

2.1 开关辅助接点判据非全相保护

断路器非全相保护实现依靠反映断路器三相位置不一致回路，通过三相辅助触点的组合来实现。如图2所示。通过断路器辅助触点这种方式，可以实现非全相保护，但可靠性较差，可能由于辅助触点和回路问题导致误动。辅助触点判断非全相保护多用于分相操作高压断路器，对于三相一体操作箱，一般不配置单相辅助触点，实现难度较大。

图2 辅助触点非全相保护原理图

在断路器本体机构箱采用断路器辅助接点的组合就地实现非全相保护功能,称作断路器本体非全相保护。这种设计方式有着比较明显的优点:①设计简单，不需要配备专门的非全相保护装置，所有接线在断路器机构箱中完成；②不再需要从断路器机构箱到非全相保护屏的电缆接线，这不仅减少了工程成本，而且可以防止这段电缆绝缘破坏产生直流接地时造成非全相保护误动的潜在危险，有利于电气设备的稳定运行。

2.2 电流判据非全相保护

断路器非全相合分闸时，系统不对称，将有负序电流流过发电机定子绕组，其中负序电流磁场与转子磁场旋转方向相反，强度相等，从而在转子中产生倍频电流。在短时间内，负序电流使转子温度升高的程度，与负序电流I2的大小及其持续时间t的长短有关[3]（图3）。

图3 反时限负序电流动作特性

式中I2为负序电流，t为负序电流持续的时间，A为转子承受负序电流温升常数。

3 换相开关的非全相保护措施

换相开关在回路中起切换相序的作用，机组发电态时电压为正序，抽水态时电压为负序，抽水蓄能机组启动时，换相开关先合闸，出口开关GCB再同期合闸，停机时顺序正好相反。换相开关分合闸时，回路中有电压但没有电流，电流判据非全相无法用于换相开关保护。由于换相开关多为三相一体式操作机构，不配置单相辅助触点，辅助触点判据非全相保护也难以实现。换相开关换相触头合闸时需承担回路负荷电流，分闸时断口需承受线电压，触头两侧压差的大小与动静触头间距离有密切关系，可根据触头两侧电压特征量来设计换相开关非全相保护措施。

3.1 基于支柱绝缘子的开关非全相报警

将换相开关发电机侧的母线支柱绝缘子更换为带电压传感器式支柱绝缘子，具备电压检测功能，配合高压带电检测器，检测换相开关发电机侧相电压，通过开关本体辅助触点和高压带电显示器的辅助触点检测开关非全相状态，见图4。支柱绝缘子式电压互感器可用于3.6～40.5 kV中压回路中，用以检测母线电压，配合高压带电显示器，当检测到母线电压为15%～65%Un时输出母线带压开关量接点，母线带电时，接点11、14闭合，11、12断开,母线失电时，接点11、14断开，11、12闭合。

图4 基于支柱绝缘子的非全相报警图

机组启动合闸时，本体辅助触点S03常开接点接通，正常合闸带电辅助接点11、12断开，非全向报警信号无输出。当某相主触头未闭合，接点11、12闭合，向监控系统发出换相开关非全相报警信号，启动机组停机，防止机组启动流程继续执行非全相并网扩大事故范围。机组停机分闸时，本体辅助触点S03常闭接点9、10接通，正常分闸带电辅助接点11、14断开，非全相信号无输出，当某相由于机构原因未分开时，带电相辅助触点11、14接通，向监控系统发出换相开关非全相报警信号，提醒运维人员检查处理，防止机组下次启动发生短路事故。

3.2 基于电压判断的非全相保护

换相开关机构故障多发生于触头分合闸过程中，动触头可停留在任何位置，停留位置不确定，发电侧母线电压大小也差异较大，基于支柱绝缘子式容性高压互感器的非全相报警设计存在灵敏性问题，母线电压在0～15%Un会感应不到，可能导致信号误报，影响机组运行。2015年，电压判据非全相保护新型判据运用后，可考虑拓展应用至换相开关非全相保护，用以提高换相开关故障检测的灵敏性和正确性。一般换相断路器和出口断路器GCB之间不配置电压互感器，实现起来较为困难，考虑对隔离母排进行改造，增加一组电压互感器，用于监测换相开关两侧电压。

电压判据非全向保护采用基于相电压相量差值和零序电压相量差值原理，不依赖电流量大小和辅助接点。断路器合闸时，断路器端口两侧电压应完全一致。当断路器发生非全相时，断路器端口两侧电压相量则出现差值。

合闸情况下，以A相发生非全相（未合上）运行故障为例，动作方程如下：

分闸情况下，以A相发生非全相运行故障（未断开）为例，动作方程如下：

ΔUa、ΔUb、ΔUc分别为换相开关两侧A、B、C相电压相量差值，ΔUset1、ΔUset2分别为电压相量差值定值1和定值2，UNa为换相开关主变侧A相电压，UOM.cal为换相开关发电机侧和主变侧自产零序电压幅值，UOcal.set为自产零序电压门槛值，Uph.N为二次额定相电压。

换相开关主变侧始终带电，非全相合闸时，故障相断口将产生电压相量差，而非故障相断口电压相量差为零，判据能快速检测出故障相，防止机组进一步启动非全相并网引起机组振动和后备保护动作。分闸时，故障相断口电压差小于设定值，非故障相压差最大，判据能灵敏检测故障相并报警，有效避免下次启动发生短路事故，扩大故障范围。

采用零序电压原理时合闸情况下，零序电压相量差值动作方程如下：

UNφ为换相开关主变侧单项电压，ΔUo为换相开关两侧零序电压相量差值，ΔUo.set为零序电压相量差值定值。

换相开关正常合分闸时，开关两侧零序电压向量差基本为零，发生非全相故障时，两侧零序电压向量差明显增大，快速反应故障特征，判别开关非全相合分闸，停机或报警，避免机组和变压器故障受损。

4 结束语

抽水蓄能换相断路器分合操作频繁，机械等原因易导致非全相分合闸，且未采取有效的非全相检测手段和保护措施，给生产运行带来较大隐患。在换相断路器机组侧安装电压传感器或互感器，测量断路器断口两侧电压，借鉴GCB非全相电压判据成功经验，能够在断路器分合闸后灵敏识别故障，避免故障扩大影响机组运行。