大型水电厂厂用电继电保护系统设计研究

刘珊，桑振海，石爽，马力

（1. 西北勘测设计研究院电气设计分院，陕西西安 710065；2. 青海黄河上游水电开发有限责任公司

工程建设分公司，青海西宁 810016）

水电厂厂用电继电保护系统是电站继电保护的重要内容，但常常没有得到应有的重视，尤其对于大型水电厂厂用电系统，合理的配置厂用电继电保护系统，对电站的安全运行具有重要意义。文章结合大型水电厂厂用电接线特点及整定计算要求，针对厂用电主、后备保护配置方案进行了阐述和探讨。

1 大型发电厂厂用电系统整定计算的运行工况分析

大型发电厂厂用电电源至少为两个电源[1]，除厂电外，还有一个外来电源，接线通常采用两级电压供电，高压厂用电压一般采用10 kV或6 kV，通过厂高变直接与发电机出口断路器连接，低压厂用电压为0.4 kV，通过设置机组自用变、全厂公用变及照明变、坝区变等与厂用10 kV或6 kV母线连接，两级厂用电接线均采用分段环形接线，正常运行方式采用各段母线分列运行，仅当某回电源故障时采用一路电源供电、分段开关联络运行的方式。

结合分析了大型发电厂厂用电接线及运行方式，归结厂用电继电保护系统整定计算对应的接线方式可化简为如图1（a）所示，针对不同运行方式厂高变及厂低变电流速断灵敏度校核对应用图通常分别为如图1（b）及图1（c）所示[2]。

2 大型水电厂厂用电系统保护配置中遇到的主要问题及解决方案

2.1 厂用变压器主保护的配置方案

图1 各种运行方式下的厂用电继电保护系统整定计算用图Fig. 1 Setting calculation diagram for each operation modes of power plant protection system

厂高变、厂低变主保护的配置方案广泛采用电流差动及电流速断保护[3]。针对厂低变及容量不足6.3 MV·A的厂高变主保护配置方案的选择，关键点在于电流速断灵敏度能否满足要求，对此文章进行了详细论述。

2.1.1 分析计算

首先，以某电厂厂低变主保护配置为例说明厂低变速断灵敏度不足时未设置差动保护而带来的问题：

1）主设备参数。某电厂厂高变、厂低变及外来变参数如表1所示。

表1 某电厂厂高变、厂低变及外来变参数表Tab. 1 Parameters table of a power plant service transformer

2）阻抗标幺值计算[4]

3）绘制等值阻抗图（图2）[4]

图2 某水电厂厂用低压变压器整定计算用等值阻抗图Fig. 2 Equivalent impedance chart for setting calculation of hydropower plants service transformer

4）电流速断整定计算[4]

①躲过外部短路时流过保护安装处的最大短路电流[5]：

②躲过变压器励磁涌流[5]：

综上可得，电流速断的定值取为10 A。

③灵敏度校验[5]

式中，Idmin为厂低变高压侧保护安装处发生两相最小短路电流，由图2可得：

5）针对厂低变主保护配置并结合上述工况，解决方案为：

①当满足条件2.7K2X3

②当不满足上述条件而未设置电流差动时，配置时限速断[6]，定值计算以保证灵敏度为原则加以短延时，即牺牲保护的速动性来保证保护的选择性。此时应注意两个方面，一是厂用电保护时限的整体配合；二是采用时限速断后由于后备保护动作时间增长一个级差，需注意考核一次主设备的额定短时耐受电流能力[7]。通过几个电站的实际数据，在这种工况下设置时限电流速断时，厂高变后备保护动作时间基本在2 s以内，且考虑后备保护动作时短路电流的衰减，一般来说主设备额定短时耐受能力能够满足要求。

其次，分析厂高变差动设置的必要性：

1）容量不足6.3 MV·A的厂高变电流速断灵敏度分析。发电机机端引接的厂用电源电源侧阻抗可忽略，厂用变短路阻抗按6%考虑、水电厂机组的Xd取0.2，则厂用变低压侧三相短路电流为：

最小运行方式通常按一台机组供给短路电流考虑，厂高变高压侧保护安装处两相短路电流为：

此外，对于电厂采用三圈变的主变压器时，需引起重视，防止由于系统运行方式变化大而使得厂高变电流速断灵敏度无法满足要求。

2）厂高变主保护配置的解决方案为。容量不足6.3 MV·A的厂高变，通常厂高变电流速断保护。对于存在运行方式变化大的运行工况下的厂高变，需进行定量化计算进行保护配置方案的确定。

2.1.2 结论

厂用两级变压器主保护配置在考虑满足保护四性要求时，应结合主设备自身要求进行分析，在主设备承受能力范围内，在确保保护的选择性、灵敏性时保护快速性可以结合具体工程具体分析，不必一概而论均设置差动保护。

2.2 10 kV（6 kV）母线保护及厂用高压变压器后备保护配置方案及整定计算

2.2.1 10 kV（6 kV）母线保护及厂用高压变压器相间后备保护配置方案

笔者认为，厂高变高压侧设置两段三时限过流保护作为厂高变及10 kV（6 kV）母线的后备保护，10 kV（6 kV）分段及进线开关处不设置保护装置。主要原因分析如下：

如图3所示，10 kV（6 kV）分段及进线开关处设置保护装置作为母线主保护同时兼做相邻馈线的远后备保护，对厂用系统存在一定特殊性：厂用系统10 kV（6 kV）出线通常距离很短，如果进线、分段设置保护装置则存在其定值与10 kV（6 kV）出线保护定值难以区分的实际问题，因此进线、分段无法设置快速主保护，而只能设置时限速断和过流保护，可由厂高变高压侧两段三时限过流保护兼做，同时通常厂高变保护随发变组保护装置构成双重化配置[8]，且进线、分段处保护装置取消的同时减少了厂用继电保护系统时限和动作电流配合的复杂性，可靠性得到提高。

图3 水电厂厂用电系统接线图Fig. 3 Hydropower plant service power diagram

2.2.2 厂用高压变压器相间后备保护整定计算

按远后备原则[9]，厂高变过流保护应采用两段式保护，一段为时限速断保护，用于保证10 kV（6 kV）母线短路时能快速灵敏的切除故障，二段为过流保护，作为厂高变、10 kV（6 kV）母线及出线故障的后备保护。

厂高变过流I段与10 kV（6 kV）出线速断保护配合，可按最小运行方式下相邻母线发生两相短路故障时有1.5倍灵敏度进行校验；厂高变过流I段与10 kV（6 kV）出线过流保护配合，需对10 kV（6 kV）出线末端故障有必要灵敏度以避免故障范围的扩大化。

厂高变过流保护动作出口采用以第一时限跳分段开关、第二时限跳低压侧开关、第三时限跳厂高变各侧开关的出口方式。

保护动作时限的级差可选择0.3 s，考虑厂用电母线经常为分列运行，对于跳分段开关保护时限的级差可以设置为0.2 s。

2.3 0.4 kV系统保护及厂用低压变压器后备保护配置方案及整定计算

通常0.4 kV开关本体设置过流保护，其配合关系难以保证，仅对于厂低变供电给两个分支时，为保证保护动作的选择性，应投入各分支上开关本体的过流保护、速断不投；对于厂低变无分支接线时，厂低变进线、分段开关本体的过流保护可不予投入，而采用厂低变速断、过流保护，过流保护可设置一段三时限的方式，跳闸出口与厂高变描述相同。

水电厂0.4 kV系统，采用中性点直接接地方式，因此设置零序过流保护，保护出口方式与过流保护相同。

当厂用系统整体配合时限较长时，可以结合具体工程分析，采用厂用变过流保护设置两时限的方式，即第一时限跳分段或低压侧进线开关，第二时限跳变压器各侧开关。

3 厂用电继电保护系统解决方案

1）大型水电厂容量不足6.3 MV·A厂高变主保护配置，通常配置厂高变电流速断保护，仅当存在运行方式变化大的运行工况时，需进行定量化计算进行保护配置方案的确定。

2）大型水电厂厂低变主保护配置方案可采用：当满足条件2.7K2X3

3）厂高变相间后备设置两段式三时限或两段式两时限过流保护。

4）厂低变相间后备设置一段式三时限或一段式两时限过流保护。

5）仅当厂低变供给两个分支时，0.4 kV开关本体的过流保护投入。

6）厂高变接地保护设置零序电压保护，厂低变接地保护设置三时限或两时限零序电流保护。

7）厂高变、厂低变速断或时限速断保护动作出口跳变压器各侧开关，过流保护采用一时限跳分段开关、二时限跳低压侧进线开关、三时限跳变压器各侧开关，同时二时限与三时限动作出口闭锁备自投装置；当厂用系统配合时限过长时，过流保护可采用两时限方式，一时限跳分段或低压侧进线开关、二时限跳变压器各侧开关，同时一时限动作出口闭锁备自投装置[10]。

4 结语

在大型电厂厂用电系统保护设计工作中，对厂用电系统设备的特性、运行方式有非常细致的了解，并结合主接线形式以及机组的容量大小，同时充分考虑到电厂与电网的配合，针对保护装置特点，方可提出对电厂安全生产更有利的厂用电系统保护设计方案。

[1] 国家发展和改革委员会. DL/T 5164—2002 水力发电厂厂用电设计规程[S]. 北京：中国电力出版社，2003.

[2] 贺家李. 电力系统继电保护原理[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

[3] 高春如. 发电厂厂用电及工业用电系统继电保护整定计算[M]. 北京：中国电力出版社，2012.

[4] 崔家佩，孟庆炎，陈永芳，等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算[M]. 北京：水利电力出版社，2006.

[5] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. DL/T 5177-2013 水力发电厂继电保护设计导则[S]. 北京：中国电力出版社，2013.

[6] 王明婷，鲍忠伟，贾超. 变压器时限速断保护的应用[J].电工技术，2011（10）: 63-64.WANG Mingting，BAO Zhongwei，JIA Chao. Application time limit relay protection of transformer[J]. Electro Technical，2011（10）: 63-64（in Chinese）.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB1094.5电力变压器 第5部分 承受短路的能力[S]. 北京：中国标准出版社，2003.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB14285继电保护和安全自动装置技术规程[S]. 北京：中国标准出版社，2006.

[9] 中华人民共和国国家发展和改革委员会DL/T 584—2007 3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程[S]. 北京：中国电力出版社，2008.

[10] 中华人民共和国国家经济贸易委员会. DL/T 5155—2002 220～500 kV变电所所用电设计技术规程[S]. 北京：中国电力出版社，2002.