清远抽水蓄能电站机变保护闭锁逻辑设计

易成功

（清远蓄能发电有限公司，广东 清远511853）

0 引言

抽水蓄能电站具有调峰填谷、调频、调相、紧急备用等多种功能。与常规机组相比，抽水蓄能机组启停频繁，工况多。抽水蓄能机组典型工况见图1，图中各方框表示稳态工况，各箭头表示各稳态工况间转换过程中的暂态工况。由于发电机出口母线上的开关刀闸设备分合闸状态会随工况发生改变，发电机电气量的相序、频率、幅值和方向随工况发生改变，不同工况对保护的影响不同，某些保护在某些工况下会误动。为了适应抽水蓄能机组各种运行工况，机组或主变保护中的某些保护需要在某些工况下闭锁。保护闭锁逻辑是抽水蓄能电站机变保护区别于常规电站机变保护最主要的特征，是抽水蓄能电站机变保护设计中要考虑的主要问题。不同抽水蓄能电站保护逻辑设计不尽相同，有必要寻求一个简单有效的设计方案。

图1 抽水蓄能机组典型工况

1 抽水蓄能机组工况特点及对保护的影响

1.1 发电机出口母线上的开关刀闸设备分合闸状态对保护的影响

1.1.1 各工况下开关刀闸分合闸状态变化情况

抽水蓄能机组典型接线见图2，各开关刀闸的在各种工况下的状态见表1。

图2 抽水蓄能机组典型单线图

电网的相序是固定的，发电机在发电时和抽水时相序不同，发电机相序需要转成与电网相同的相序后才能与电网进行连接，所以需要装设换相刀。

为加快停机过程，抽水蓄能机组设置了电气制动开关。转子在停机过程中降至约50%转速时合电气制动开关将机端三相短路，利用定子电阻发热消耗转子动能。为增强制动效果，机组启动调试时，会调节电气制动过程中定子电流接近额定电流。

抽水蓄能机组抽水方向启动采用同步启动，被拖动机组在变频电源的作用下逐渐达到并网转速，变频电源采用静止变频器或者另一台作发电运行的机组。为建立变频电源与被拖动机组的电气连接，装设了拖动刀和被拖动刀。为减小变频电源功率，拖动前向被拖动机转轮室注入高压空气，使整个拖动过程中转轮在空气中旋转。清远抽水蓄能电站（以下简称清蓄）单机容量为320MW的机组启动过程中实测最大功率约20MW。

表1 各工况一次设备状态

1.1.2 对保护的影响

发电机出口母线上的开关刀闸设备分合闸状态改变主要影响差动保护，包括主变差动和发电机差动。差动保护范围内所包含的开关刀闸不同，对保护的影响就不同。

差动保护范围包含换相刀，如果差动保护不切换相别，就会用相异相别的电流计算差流，差动保护不能正常工作。发电机在发电或抽水运行中，换相刀在合闸状态，此时必须要有差动保护保护换相刀，为使差动保护正常工作，一种最为经济的解决方法是进行软件换相，使差动保护随着换相刀不同的合闸状态切换差流计算所用相别。

差动范围包含拖动刀和被拖动刀。用变频电源启动机组或将机组作为变频电源时，启动过程中的低频电流会计入差流，启动过程电流小，可以根据差流能否达到差动保护定值考虑差动保护是否采取闭锁措施或是否将其计入差动保护计算的措施。

差动范围包含电气制动开关。因电气制动时电流大，计入差流会使保护误动作，必须采取闭锁措施或不将其计入差动保护计算的措施。

1.2 电气量相序改变对保护的影响

1.2.1 各工况相序情况

发电机轴系的旋转方向取决于水轮机的需要，水轮机用于发电时和用于抽水时旋转方向相反，两种旋转方向分别称为发电方向和抽水方向，定子电气量的相序取决于轴系上转子的旋转方向，所以在发电时定子电气量的相序与在抽水时不同。

见图1。在发电方向运行的工况有旋转备用、发电、发电调相、发电方向停机电气制动和拖动机。在抽水方向运行的工况有抽水调相、抽水方向停机电气制动、被拖动机和静止变频器拖动。发电方向与抽水方向电气制动时，虽然一次回路接线相同，但转子旋转方向不同，发电方向停机时与抽水方向停机时电气制动过程中定子相序不同。

1.2.2 对保护的影响

相序改变后，所有用正序、负序电气量计算的发电机保护要受相序改变的影响。

阻抗元件、功率方向元件、功率继电器在0°接线方式不受相序改变影响，在30°接线方式、-30°接线方式、90°接线方式会受相序改变影响。

为消除相序改变的影响，可以在发电机保护装置中设置软件换相。

1.3 电气量大小变化对保护的影响

正常运行工况下，大小发生变化的电气量中，可能对保护造成影响的电气量主要是低频和低电压。

1.3.1 各工况低频低压产生情况

背靠背启动、静止变频器启动、电气制动过程中存在低频、低压情况。

1.3.2 对保护影响

低频、低压影响发电机保护装置中欠量动作的频率、电压保护，为消除其影响，保护需要进行闭锁。

1.4 电气量方向改变对保护影响

正常运行工况下，发生方向变化的电气量中，对保护可能造成影响的电气量主要是有功功率。机组正常运行工况下，无功功率的大小在正常范围内，无功功率方向变化不影响保护正常工作。

1.4.1 各工况功率变化情况

抽水、抽水调相或发电调相运行时有功功率的方向与发电方向相反。抽水调相或发电调相运行时，用高压空气压水使转轮在空气中旋转，使机组仅向电网吸收少量有功功率，这两种工况发电机实际上工作在电动机状态。抽水时，有功功率在额定功率周围。

图3 抽水蓄能机组P-Q功率圆图

1.4.2 对保护的影响

有功功率方向的变化影响发电机保护装置中采用功率作为判断条件的保护，为消除其影响，保护需要进行闭锁。

失磁保护在发电机吸收的无功过大时才会动作，发电和抽水时有功功率方向改变不影响失磁保护正常工作。

发电运行时发生失步与抽水运行时发生失步的区别是测量阻抗端点在复平面上变化的轨迹穿越失步保护遮挡器的方向不同，一般失步保护软件算法设计时已考虑两种情况，因此，有功功率方向的改变不影响失步保护正常工作。

2 保护闭锁逻辑设计方案选定需考虑的因素

（1）保护原理。工作原理上需要保护发挥作用的工况中保护不能闭锁。工作原理上不需要保护发挥作用，且一旦投入会发送误动的工况中保护必须闭锁。工作原理上不需要保护发挥作用，但如果投入保护，正常运行工况下不会使保护误动，在异常或故障工况下，即便误动作，也无重大影响的工况中保护可闭锁也可不闭锁。

对可闭锁也可不闭锁的工况，是否闭锁保护，是不同抽水蓄能电站的闭锁逻辑设计存在差异的主要原因。为了简化保护闭锁逻辑、减小误闭锁可能性，对可闭锁也可不闭锁保护的工况，可采用以下设计原则：如果没有必须闭锁保护的工况，选择不闭锁保护方式为宜；如果有必须闭锁保护的工况，选择闭锁保护方式为宜，仅开放必须投入的工况。

（2）保护装置算法、实现方式。对保护闭锁的影响需要通过静态调试模拟试验与动态调试确认。

（3）定值。定值大小可以影响闭锁逻辑实现方案的选择，但应避免为了不闭锁保护，采用放宽定值的方法。

（4）CT配置方案。不同的CT配置方案会使差动保护闭锁逻辑不同。

3 清蓄保护闭锁逻辑的实现

3.1 主变保护

主变保护除主变差动外，其他保护不需设计闭锁逻辑。清蓄主变差动与发电机差动（不完全纵差）所用CT配置图见图4。

图4 清蓄主变差动与发电机差动所用CT配置图

清蓄主变差动保护的保护范围是动态变化的，通过改变发电机出口电流计入差动保护计算的方式改变保护范围和适应换相刀不同合闸状态。具体实现方法是，机端CT接入两路模拟量输入，A相（B相、C相）接入主变差动第一路模拟量输入（图4中M2输入点）的A相（B相、C相）后，再接入第二路模拟量输入（图4中M5输入点）的C相（B相、A相）。机组未并网状态下，换相刀分或出口开关分，两路模拟量输入都不进入主变差动的算法中计算；机组发电方向并网运行状态下，换相刀发电方向合且出口开关合，第一路模拟量输入两路模拟量都不进入主变差动的算法中计算；机组抽水方向并网运行状态下，换相刀抽水方向合且出口开关合，第二路模拟量输入进入主变差动的算法中计算。

3.2 发电机保护

3.2.1 相序切换

发电机保护装置有软件换相的功能，有发电方向和抽水方向两个状态，清蓄设计了图5的逻辑进行换相。当逻辑输出“1”时，切换到抽水方向；当逻辑输出“0”时，切换到发电方向。软件换相后，采用正序、负序电气量计算的保护不受相序改变的影响。

图5 清蓄相序切换逻辑

3.2.2 不需闭锁的保护

清蓄发电机差动（不完全纵差）保护范围没有包含发电机母线上的任何开关刀闸，不受运行工况的影响，可以全工况投入，不需闭锁。发电机保护装置中其他不需闭锁的保护还有裂相横差、单元件横差、低压记忆过流、95%定子接地、负序电流、失磁、失步、定子过负荷、转子过负荷、过电压、过激磁、高频、转子一点接地。上述保护在机组各种正常运行工况下不会误动，在出现大于正常运行工况电气量时，或在一次设备发生故障时，才会动作，所以不需闭锁。

3.2.3 需要闭锁的保护

清蓄保护闭锁逻辑见图6，图6中各字母符号表示的工况见图1，“-＞”符号表示工况转换，工况信号（包括工况和工况转换）由机组顺控流程通过通信发给保护装置，机组顺控流程中已经保证在同一时刻有且仅有一个工况信号置“1”。

图6 清蓄保护闭锁逻辑

（1）低电压保护：当机组作电动机运行时如果机组突然失去电源，为防止电源恢复时，机组异步启动损伤发电机，设置低电压保护，将机组解列。作为反应欠量动作的保护，在背靠背或静止变频器启动过程中的电压会导致保护误动，必须闭锁。

（2）低频保护：防止机组在系统频率低情况下，还作为电动机运行吸收有功。闭锁逻辑同低电压保护。

（3）电压相序保护：防止转子旋转方向与监控系统目标方向及换相刀设定方向不同，并网后产生短路故障量级的大电流损坏设备。转子旋转方向在并网前后不会发生变化，在并网前检测相序正确即可确保并网后相序正确。

（4）低功率保护：作为抽水运行时防止机组失去电源的保护。

（5）逆功率保护：机组在发电机运行时，防止误关闭导叶后，转轮在异常工况下长时运行损伤转轮。关闭导叶后，由发出有功转为吸收有功，功率方向发生了改变。

（6）低频过流保护：用于背靠背启动、静止变频器启动过程中，为补充保护发电机差动由于频率低退出运行而失去保护的频率段。

（7）出口开关失灵保护：背靠背的拖动机，发电机出口开关合上，换相刀分闸，发电机与主变间已经断开连接，如果失灵保护动作跳开主变会扩大动作范围。用换相刀每极的分闸位置接点串联闭锁失灵保护，防止背靠背拖动机工况下失灵误动作。

（8）20Hz注入式定子接地保护：清蓄试验结果表明当机组频率在20Hz左右时，保护会误动。

4 结束语

清蓄保护设计时，首先确定了发电机差动与主变差动的保护范围，然后逐一考察各个保护受各种运行工况的影响情况。清蓄保护闭锁逻辑实现方案简单可靠，减少误闭锁保护可能性。清蓄机变保护闭锁逻辑在各种工况流程下运行正常。希望清蓄的经验可以为新蓄能电站的建设和蓄能机组保护的改造提供有益参考。

参考文献：

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[2] 陆佑楣,潘家铮.抽水蓄能电站[M].北京:中国水利电力出版社,1992.

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