大型水电站及高压电网继电器保护措施分析

国能大渡河大岗山发电有限公司 秦豪杰

现代化进程的加快，人们用电需求急剧增加，用电是保证社会稳定发展的关键。从中国目前发展情况来看，供电存在一定的限制性，这几年经济水平持续增长，全国用电负荷将必然快速增长。

大型水电站具有一定的结构特点，整体性的容量指标更高，能够满足电站电力指标需求，为用电系统稳定运行提供保障。在大型水电站中，涉及的控制系统比较多，其中微机保护控制系统具有重要作用，指标性能直接决定于厂内用电控制系统的工作稳定性和电源安全性，从而影响到整个发电厂的正常工作，并最终对整个供电的稳定性和安全性形成危害。所以，深入分析大中型水电站厂内用电系统及其维护方面的特点，并制定切实的保护措施，提升其定值管理水平，以确保厂内用电系统的安全可靠运行是一个迫切需要破解的重大课题。

因为电能分配与负荷中心分配的极不一致，在电力输送过程中存在的不稳定因素比较多，因而使得电力稳定运输的难度比较高。从发电厂将电力进行运输并不是那么容易，而且是采用联动输送的方式、全国联网，我国建成了一系列的互联网工程。联网工程的应用对于地区电力经济效益的弥补有着较好的效果，使各地区电网均取得了不错的经济性和效益，但同时也导致发输电走廊土地的日趋紧缺，同杆共架的多回线路是有效利用土地、减少供电工程投入、扩大电力输电容量、增强供电可靠性的有效手段。

1 大型水电站厂用电系统及其继电保护的特点

1.1 大型水电站厂用电系统特点分析

这几年发展中，对于大型水电站的容量要求越来越高，机组容量也进一步扩大化，电力输送产生的作用也很明显。从现实角度来看，大型水电站具有一定的分化性，用电系统特点比较明显。

整体的运行指标要高。针对于大型水电站来说，对于运行需求相对较高，要想实现稳定运行标准，需要有一定数量的独立电源。厂用电系统性能比较全面，供电稳定对于整个系统运行有着重要影响，如果供电出现不稳定的情况，比如电力短路等，会使得电机运行效率降低、厂区供电停止。针对于这种情况，需要确保厂用电系统整体指标的稳定性。

多级分化电压等级。大型水电站的建设位置具有一定的特殊性，选址一般在靠近水源流动充足的地方，且水电站涉及的机械设备较多，选址附近区域的机械设备也多，要想确保机械设备的稳定运行，需要有专用变压器。一般采用l0kV 或6kV 的供电系统；此外，由于水轮风力发电装置等辅助设备所用的发电机容量较小，从低压侧的角度来看，设置不同的用电压力等级，分化动力和照明的压力指标，采用三相四线系统进行供电。有些大型水电站结构比较分化、供电要求更高，需要衔接多个外部电源，做好接线处理工作，同时确定电压等级指标。

供电范围更广。从大型水电站的运行情况来看，电机运行过程中产生的负荷指标是最高的，受场地线路规划影响，大容量的电机各项指标都是不能随意变动的，也极大程度上延长了水电站供电距离。很多大型水电站保持一定的独立性，与周边厂房和建筑的距离相对比较远，进一步增加了供电范围。

供电负荷大。大型水电站与中小型水电站相比，对电机的运行指标要求更高，整体的容量也更大，大型水电站的结构特点更为突出，具有一定的规模性特点，在建设过程中需要考虑各个方面的影响因素，因为涉及的操作环节比较多，所以施工周期相对较长，对于已经投入运行的电力设备要考虑设备运行负荷，因为兼顾了其他指标，使得系统供电负荷明显提升。

厂内用电控制系统智能化程度要求较高。大中型水电站多通过电脑监控对电厂内、外部的主要设备实现监测与管理，电厂的操作智能化水平最高，在电力系统管理过程中要注意的地方也更多。

1.2 现代大型水电站厂用电系统接线

水电站建设规划要考虑的指标比较多，最为重要的就是用电荷载，还有系统的接线顺序、安全直接关系着整个发电厂的安全与平稳运转。因此通常水电站厂用电系统接线采用的接线方式具有限制性。不同规模大小的水电站接线方式不同，对于中下规模的水电站厂用电系统节点，将母线分化为两个部分，通过变压器对母线进行供电。

对于大型规模的水电站，对于母线节段的调控主要是根据发电机组台数而定，母线都是有专门的变压器供电，有专门的交流变压器运行。发电厂与主变压器之间多采取双单元接地方法，厂用工作电源由主变压器的低压侧引接，而风力发电设备出口则装有出口剩余电压断路器，可确保在机组工作停止的情形下，能直接从系统中引接厂用工作电源，有效增加了厂内用电系统的电源安全性[1]。

从整体结构来看，大型水电站厂用电系统运行标准要求要高，确保供电的可持续性，需要做好整体性的规划工作，对结构进行优化改进，重点是对系统的保护。

2 厂用电系统继电保护

大型水电站厂用电系统具有一定的结构特点，结构延伸比较复杂，整体的配置比较多，增加了保护的难度。这里结合三峡右岸电厂厂用电保护整定实例，对大型水电站厂用系统保护存在的问题进行详细的分析。

在厂用电力系统维护整定技术发展过程中，目前存在的主要问题包括：由于线路额定重量载荷与标称差值较大，给定时限过的电流密度维护整定技术中，导致启动的时候存在一定的偏差。厂用电系统具有一定的规模性，供电电源方式并不固定的、可以灵活调整，引接方式差异比较明显，容易使得系统操作偏差比较大，保护灵敏度指标受到影响无法达到标准状态，不利于保护配合。电弧光保护器对于线路的保护具有限制性、不能单独保护，需要衔接另外的线路进行并流保护，要考虑的因素比较多，比如变压器保护影响。

水力发电厂计算负荷的决定和许多因素相关，很多指标对于发电负荷有着较大的影响，需要做好整体性的规划工作，包括装机容量、型号规格、运行方式、检修周期等，以及电厂用负荷的特性、规模大小和布置情况，决定了电厂用变压器容量的选择。为了确保变压器容量能够满足后期运行需求，在负荷计算时测试的指标会比较偏大，从而造成了负荷计算理论值常超过了实际的最大负载运行数值，导致变压器运行出现不稳定波动的情况，整体能耗增加，造成不必要的经济损失。

对于定时限过电压保护最大荷载电流选择进行合理的规划，要有一定的选定原则，贴合标准运行需求。在具体选择过程中，需要先计算出母线串联负荷的总和，对指标进行综合性分析，出线负荷指标大于了母线变压器额定容量的话，这里就以额定容量为主，取最大荷载值。但是从现实情况来看，有些线路负载指标过大，容易造成较大偏差影响或自启动系数选取方法不合理等，很易形成在规定时段内过电保定值远大于规定限时过电流速断保定值的"倒挂"现象，“倒挂”现象也不能很好的满足继电系统保护要求，整体规范性受到影响，也无法满足厂用配电价格系统的实际工作情况。

面对如此“倒挂”的现状，一般可选择以下处理方法：首先就是针对于限时电流量切断保护器整定值灵敏度变化很大情况下，需要对保护指标进行一定的规划，在保证合理运行的基础上，适当提升指标范围，同时在时间范围内采用过电保护器进行定值，将其作为限流切断保护器的定值标准，能够很好的规避母线和变压器空充电流的情况；如果采用上述方法不能很好的契合保护器灵敏度标准，可以降低电流保护器的整定值，直观体现在自启动系统的降低方面。

3 特高压电网线路的继电保护措施

3.1 差动保护

特高压电力线路中的继电保护系统，是最根本、最高基础上的继电保护系统措施，其差流保护也是现代继电保护系统的典型代表，其也可运用在特高压电力线路保护的众多项目中。差动保护器的工作效率比较高，体现了继电保护系统在特高压电力线路中的实际需求，并针对继电保护系统的特性，根据继电保护的特点，分析了差流保护器的具体运用。

差流保护的主要工作模式是Marti，模拟了差流保护的工作方式与环境条件，使差流保护的工作措施更加符合对于特高压电力线路的保护需要。差流保护的基本原理是：第一步，通过差流保护器在特高压电力线路的二端，同时获取了压力值与电流值，当完成了采样处理以后，就得到了不算时刻的采样值；然后运用相模转换的方法，把选择前六个节点的资料由模拟分量转化为不存在相互耦合特性的资料分量；最后再运用零点五周傅氏算法，把滤波掉的输出电流滤波得到基波矢量，从而算出实际数据值，并判定在差流保护的区域内有无潜在特高压供电线路故障。

3.2 电容电流补偿

特高压电力线路中，因为存在着大量的同杆或双导线结构，因此电力线路之间也产生了大量电容器，直接影响着继电保护系统的效能[2]。因此电力企业就在同杆或双导线结构中，提供了电容电流补偿的办法，以辅助公司提高继电保护系统的水平。由于在双导线所组成的电力线路中存在着静电耦合的影响，因此，常把电容电流补偿技术运用在差动保护中，并作为各种检测故障的重要依据。也因为电容电流补偿的稳定性非常强，它能够在采样点中依次完成正微分计算，补偿稳态、暂态的电容。

以我国某地方的特高压配电线路为例分析同杆或双导线中的电容电流补偿应用：该供电线路中，以弹性模量为电容电流的主要补偿对象，使用EMTP 仿真软件，检验电容电流补偿的实效性，该配电线路中，以弹性模量作为对电容电流的主要补偿对象，使用EMTP 仿真软件检验电容电流补偿的实效性，当补偿方式的满时域、半补偿情况发生时，已经能够合理的调节补偿暂态量，并积极保护差流防护的有效性，即使是在高采样频率下，也没有产生特殊的输出电压保护条件。由此可见电容电流补偿的有效性非常强，已经完成了对特高压配电线路的有效防护，并积极维护配电线路的有效防护状态。

3.3 继电保护方案改进

某特高压供电线路运营中，尽管实施了继电保护方案，但仍然存在着畸变校正问题，通过分析该电网的零序网，发现了大量的储能元素，因此具有产生畸变校正问题的可能性，成为供电线路畸变校正问题的主要因素[3]。

该特高压供电线路中确定了畸变因素后，为完善继电保护系统的方法，以畸变校正中的谐波影响为重点研究对象，对继电保护系统提出了一些完善意见，具体分析如：充分考虑对零序电量的保护影响，引入了节点电压法，优化了继电保护系统的方法，从而抑制了畸变校正问题的产生；通过提高在零序电压网络中的元器件、尤其是启动元器件，可以一方面改善特高压供电线路对继电保护的灵敏度，另一方面减少对元器件的影响机率；研究继电保护系统改善方法中的模拟实验，寻找它和特高压供电线路实际工作的区别，进行继电保护系统的改善工作，虽然模拟实验很大程度的进行模拟作业，但是不可避免的会出现区别，而差别对继电保护系统的影响很大，也是继电保护方案改进中的重点内容。

4 结语

高压电网的保护是能源经济发展的重要组成部分。我国经济水平不断提升，对能源的需求也日益增长，电能需求非常高。基于这种现实背景下，我国进一步加大了对高压电网的研究力度，旨在更好地推动电网稳定运行，满足人们日常供电需求。高压电网保护技术具有一定的综合性，能够使能源系统功能得到充分的体现，还比较契合时代发展需求。科学技术的进一步发展，为电网保护提供了更多的可能性，比如神经网络和卫星定位系统的应用，对电网的保护效果明显，也推动了高压电网继电保护向着智能化和信息化的方向进行延伸发展。