乌弄龙水电站发变组继电保护系统设计与配置

何璐 刘礼华 王飞 马力

摘要：结合乌弄龙水电站电气主接线型式，该文对乌弄龙水电站的发电机、联合单元接线主变及主变高压侧继电保护系统的设计及配置方案进行了归纳总结，对布置在发电机中性点横差用电流互感器、主变高压侧保护用电流互感器，其参数的选择中尤其是额定一次电流的选择中需要注意的问题进行了介绍，为后续大型水电站的发变组继电保护系统设计提供借鉴。

关键词：发变组保护额定一次电流横差保护

中图分类号：TV737文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract：According to the main electrical wiring of Wunonglong hydroelectric power station，protection configuration of generator-transformer unit is investigated. For the current transformers of transverse differential protection and high voltage side of main transformer，the parameters of rated primary current is discussed in the circuit.

Key Words： Generator-transformer unit; Protection; Rated primary current; Transverse differential protection

烏弄龙水电站位于云南省迪庆州维西县巴迪乡境内，是澜沧江上游河段梯级规划的第二级水电站。乌弄龙水电站装设4台单机容量为247.5 MW的水轮发电机组。主变高压侧采用500 kV一级电压接入系统，电站500 kV出线2回，1回至里底电站500 kV开关站，1回至托巴电站开关站。发电机与主变压器连接采用联合单元接线，500 kV侧采用四角形断路器接线。发电机出口均装设断路器及电制动开关。

该文对乌弄龙水电站的发电机的主保护，联合单元接线主变及主变高压侧主保护的配置方案进行了介绍，并针对在设计过程中所涉及到的电流互感器额定一次电流参数的选择给出了建议。

1发电机主保护配置方案

乌弄龙水电站发电机单机容量为247.5 MW，每相有4个并联分支。根据《水力发电厂继电保护设计规范》中的要求，对于定子绕组为星形接线，每相有并联分支且中性点有分支引出端子的发电机，其主保护配置方案可根据发电机内部故障定量化计算分析确定。

对于发电机来说，常见的短路故障是定子绕组短路和发电机端引线短路，主保护配置方案中需包含横差保护和纵差保护，以形成“一横一纵”的初步格局[1];主要考虑“完全裂相横差+不完全/完全纵差保护”两种初步格局。

运用多回路分析法，对乌弄龙水电站发电机在并网以及空载的运行方式下可能发生的同槽和端部故障（共12 096种）进行了仿真计算，得到中性点侧不同分支引出组合方式下主保护的灵敏系数，最终确定的方案如下。

发电机中性点分支组引出方式和电流互感器的具体配置为：将每相的1、3分支接在一起，形成中性点O1;再将每相的2、4分支接在一起，形成中性点O2。在O1～O2之间接一个电流互感器TA0，并在每相的1、3分支组和2、4分支组上装设分支电流互感器TA1～TA6，且有机端相电流互感器TA7～TA9，以构成一套零序电流型横差、一套完全裂相横差和一套完全纵差保护（其中性点侧相电流取自每相已有的两个分支组TA），具体情况如图1所示。

2 联合单元接线主变及主变高压侧主保护配置方案

2.1 保护基本配置方案

根据乌弄龙的电气主接线，以1#及2#机组构成的联合单元为例，主变及其高压侧的T区的保护配置可以采用3种方案：（1）主变单变差动保护+四侧差动的小区保护[2];（2）主变单变差动保护+主变双变差动保护;（3）主变单变四侧差动保护，其中方案（1）相对其他两种方案在保护区域划分上最清晰，主变发生内部故障时，仅主变保护出口，主变高压引出线侧发生故障，仅四侧差动的小区保护出口，有利于电站投入运行后发生故障情况下的故障点定位，节省了运行维护人员的检修成本，且四侧差动小区保护构成原理简单，保护范围内不包含复杂的电气设备，不受变压器空载合闸情况下励磁涌流的影响，动作速度更快，在保护装置定值整定计算都有相关可遵循的规程依据;在保护用互感器的配置、布置及安装难度方面也有明显的优势，因此乌弄龙水电站联合单元接线主变高压侧范围的保护配置采用主变单变差动保护+四侧差动的小区保护，具体如图2所示。

2.2 主变高压侧四侧差动小区保护及其短引线保护

根据乌弄龙水电站的主接线，以1#及2#机组构成的联合单元为例，每台主变高压侧均配置了隔离开关，即机组投运后，可能存在任何一台或两台发变组退出运行，四角形接线中的相关断路器QF1及QF2投入运行的工作情况。由于目前适用于四侧差动的小区保护装置，不能根据运行方式的改变自动由四侧差动变三侧差动或者变两侧差动，因此在500 kV开关站侧四侧差动小区QF1、QF2断路器电流回路后串接了短引线保护装置，用于四侧差动小区保护退出运行，500 kV断路器仍投入运行的主保护[3]。

3发变组单元部分互感器配置

对于保护级的电流互感器，电气二次方面关注的重点主要为：（1）互感器的准确级，目前国内保护级电流互感器的类型一般选择为P级和TP级;（2）互感器的一次额定电流的选择;（3）互感器的配置位置，避免出现保护死区;（4）对于TP级的电流互感器，还有一些特有的参数需要提供。该文主要对发电机中性点横差用电流互感器及主变高压侧电流互感器额定一次电流的选择提出一些建议。

3.1 发电机中性点横差用电流互感器

图1中的乌弄龙发电机主保护配置方案中，零序电流型横差保护用TA的额定一次电流，除了应大于发电机最大负荷条件下两中性点连线的最大不平衡电流外，由于乌弄龙水电站进行了发电机内部故障定量化分析，通过仿真计算，得到了各种内部短路故障情况下，中性点连线电流的大小和分布情况，发电机零序电流型横差保护的灵敏系数，因此可以更准确地确定横差保护用电流互感器的一次额定电流。

通过分析仿真计算结果发现，乌弄龙水电站发电机实际可能发生的12096种内部短路中，流过中性点连线的短路电流在2.976倍额定电流以上（30 000 A以上，对应的零序电流型横差保护的灵敏系数为59.52以上）的故障所占比率不大（3.9%），绝大多数故障（91.3%）发生时流过中性点连线的短路电流在756.05 A～30 000 A之间，还有一部分故障（4.8%）发生时流过中性点连线的短路电流不足以使零序电流型横差保护动作。

基于上述乌弄龙发电机内部短路时中性点连线电流的大小及其分布特点，确定零序电流型横差保护用TA0的变比为1000/1A，保证绝大多数故障情况下，互感器的测量精度满足要求，保护正确动作。

3.2 主变高压侧保护用电流互感器

超高压电网和大型发电机组的一次时间常数都很长，短路时的非周期分量容易引起TA饱和[4-6]，影响其传变性能，保护误动的概率大为增加。

主变高压侧安装的保护用电流互感器，其参数选择应满足主变保护及高压侧小区保护的要求，重点是考察区外故障时互感器不会发生严重饱和，不会产生较大的测量误差导致差动保护误动。由于主变高压侧为500 kV，采用的是TPY级的电流互感器，参数选择方面需注意额定一次电流的选择，选择不合适的情况下可能导致设备体积过大，使设备难以安装。

电流互感器的额定一次电流一般是根据其所属一次设备额定电流或最大工作电流选择，但在主变高压侧的保护用互感器配置中，如果按照这个原则配置，会导致互感器的体积过大。

乌弄龙水电站变压器容量为285 MW，高压侧一次额定电流为329 A。如果互感器的一次额定电流按照变压器高压侧额定电流选择，可选择为400 A。图2中的d1点发生短路时，流过小区保护其中一个分支互感器的电流为20 kA左右，保护校验系数Kpcf为50左右;在满足C-O工作循环的条件下，暂态面积系数Ktd=19.9，能够满足要求的电流互感器的等效二次极限电动势Eal=Ktd×Kpcf（Rct+Rb）=19.9×50×（9+7）=15920V，其中，Rct为互感器二次绕组电阻，Rb为互感器二次侧负荷电阻，此参数对于制造厂家来说过大，设备安装困难。

在以上分析的基础上，乌弄龙水电站的主变高压侧互感器适当提高了一次额定电流的参数，即选择为1 500 A，Kpcf减小为13.3，此时的TPY互感器的等效二次极限电动势Eal= Ktd×Kpcf（Rct+Rb）=19.9×13.3×（9+7）=4234V，减小了互感器的制造体积，利于设备安装及短路情况下的动稳定性。

主变高压侧电流互感器的一次额定电流也不可提高得过大，防止保护整定值整定困难。

4结语

该文对乌弄龙水电站的发电机、变压器、主变高压侧小区等与发变组相关的继电保护系统设计与配置进行了归纳总结，并对涉及在参数选择中有一定困难的互感器的一次额定电流选择进行了介绍，为后续大型水电站的发变组继电保护系统设计提供借鉴。

参考文献

[1] 林子阳.丰满重建水电站发电机内部故障主保护配置方案[J].水电站机电技术，2019，42（8）：19-21，63.

[2] 李应文，刘涛，裴东良，等.1 000 kV 特高压主变压器差动保护配置分析[J].电力科学与技术学报，2017，32（3）：106-113.

[3] 樊秦华.宕昌县110kV变电站改造设计及实现[D].西安：西安科技大學，2020.

[4] 朱忠亭，高晶.电流互感器饱和后的二次侧电流有效值分析[J].电力勘测设计，2021（7）：16-19.

[5] 田涛，张兆君，张帆，等.CT饱和影响因素及其对差动保护的影响分析[J].电工技术，2020（17）：89-92.

[6] 汪登华，任鹏.大藤峡水电厂发变组差动保护电流互感器选型分析[J].水电站机电技术，2021，44（2）：22-23，39.