抽水蓄能电站机组与主变压器保护闭锁逻辑问题研究

王永卫，程 鹏

（山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司运检部，山东省泰安市 271000）

抽水蓄能电站机组与主变压器保护闭锁逻辑问题研究

王永卫，程 鹏

（山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司运检部，山东省泰安市 271000）

抽水蓄能电站机组一般能运行于多种工况下，不同工况对发电机—变压器组保护的要求不一样。本文以某电站机组与主变压器保护配置为例，分析在不同工况下抽水蓄能机组和主变压器保护配置及闭锁逻辑设定上所采取的方法，介绍当机组处于不同工况下运行时各保护的闭锁逻辑，为其他厂站抽水蓄能机组的运行提供借鉴。

抽水蓄能；机组；保护；闭锁逻辑

0 引言

电力是关系国计民生的重要基础产业和公用事业，是人民生产生活不可缺少的基本要素。十一五期间，随着我国电力工业的不断发展，核电、风电、太阳能发电及大容量机组的建设对电网调峰、调频提出了新的要求。当前越来越多的抽水蓄能机组相继投产运行，抽水蓄能电站对电网调峰、填谷、调频、调压及事故备用等方面的效益已得到越来越多的重视。

抽水蓄能机组兼具多种运行工况且转换频繁，不同工况下要求所投入保护不同。例如，机组在电气制动停机过程中，为防止发电机差动保护动作，这就要求此时发电机差动保护要可靠闭锁，同时低频过流保护应投入运行。因此，抽水蓄能发电机—变压器组保护应具有基本的逻辑运算能力和灵活的组态功能，能对不同工况信号进行逻辑运算，其结果是用来控制保护的投退、定值切换或闭锁。保护闭锁逻辑与厂站内的一次电气系统接线、保护装置特性、保护配置等因素密切相关，不同厂站的保护闭锁逻辑和其实现方法也不同。

本文以山东某抽水蓄能电站为例，介绍了该电站机组闭锁保护的目的、保护实现闭锁的分类以及保护闭锁配置的实现方法。该电站装有4台单机容量250MW的单级立轴混流可逆式水泵水轮机和发电电动机，以两回220kV出线接入山东电网运行。发电电动机和变压器组采用单元接线方式，发电电动机出口设置有断路器，故发电电动机、变压器各装设两套完整的微机保护。每组保护的TA、TV、直流电源及出口跳闸回路均分开，独立工作。当某一组保护柜退出运行时，另一组保护仍可满足主设备运行要求。

该电站发电电动机和变压器的差动保护均采用双重化配置，以保证机组在发电和抽水运行时均有两组差动保护在工作。各保护装置不同运行工况下的投入或闭锁，由计算机监控系统（CSCS）来完成。

1 机组与主变压器保护闭锁影响因素

该电站机组设计主要运行工况有：停机稳态（Standstill）、发电工况（Generate）、抽水工况（Pump）、发电调相工况（Condenser Generate）、抽水调相工况（Condenser Pump）、黑启动工况（Black Start）。工况转换具体如图1所示，其中机组停机稳态到抽水工况启动以SFC静止变频启动为主，背靠背启动为辅，停机稳态到发电工况分为正常启动和黑启动两种情况。

图1 某电站机组工况转换示意图

由于抽水蓄能机组的独特的运行特性，在实际运行中，抽水蓄能机组保护装置主要受以下因素影响。

1.1 换相

抽水蓄能电站具有发电与抽水两种工况，机组在发电工况运行和抽水工况运行时，机组设置换相刀闸来改变相序，从而改变发电机的旋转方向。换相刀闸位置不同，这就对机组保护产生了多方面的影响。在机组进行抽水工况启动时（包括SFC启动和背靠背启动），机组的换相是通过换相刀闸进行的。机组运转方向不一样，保护配置就不一样，对于特定工况的保护，在其他工况下运行时应该被闭锁掉。

1.2 抽水工况启动

在抽水蓄能机组抽水工况的同步启动过程中，无论变频启动（SFC启动）或同步启动（背靠背启动），机组和连接母线都流过低于工频电流，承受的电压也是低于工频的，其幅值则随着转速的上升逐步接近其额定值。机组在这个过程中的电气保护应予以特殊考虑，而低频率下TV、TA及继电保护能否正常运行以避免误动和拒动则是抽水蓄能机组必须面对的问题。因此，设置低频过流保护作为10Hz以下的主保护，应闭锁会造成误动或拒动的保护，如发电机差动保护、定子过电流保护、负序过流保护、过激磁保护。

1.3 电气制动刀投入

当抽水蓄能机组停机时转速降至额定值的50%时，电气制动刀投入使发电机出口定子三相短路，然后在转子回路加励磁，此时定子电流产生失去磁电枢反应，定子磁动势与转子磁动势相反，达到制动目的，缩短机组停机时间。当机组电制动开始后，转子转速逐渐下降，此时需要闭锁易误动的保护；同时，电气制动时定子端部会发热，需要闭锁定子过负荷保护。

1.4 外部因素影响

机组与主变压器保护受多种外部因素影响，如外部交流电压回路电压互感器二次侧开关跳闸，此时应闭锁以电压判据相关的低阻抗保护。

1.5 被保护元器件不投入时的处理

当被保护元器件不投入时，应闭锁该保护功能。如机组在电气制动刀合上或换向刀分开时，发电机出口断路器为断开状态，此时应闭锁断路器失灵保护。

2 机组与主变压器保护闭锁配置的方法

该电站机组因存在多种运行工况，故其发电机—变压器组保护配置较常规的水轮机组复杂。其发电机—变压器组保护采用的是德国西门子公司生产的7UT6系列和7UM6系列的微机成套保护装置，每组单元接线的发电电动机及主变压器均有两组完整的保护装置，两组保护装置冗余配置，并配有专门的故障录波装置。每组保护柜的TV、TA、直流电源和出口跳闸回路均独立配置，以满足在事故情况下一套保护短时退出时仍有一套保护装置正常工作满足机组正常运行的需要。该电站发电电动机继电保护配置见表1。

表1 发电电动机继电保护配置

该电站主变压器继电保护配置见表2。

表2 主变压器继电保护配置

抽水蓄能机组保护的正常运行在很大程度上依赖于监控系统送出的工况信号。在机组工况转换过程中，保护装置会收到CSCS（计算机监控系统）发出的工况信号，依据工况信号，该投入的保护会投入，该闭锁的保护会闭锁，经过长时间的运行证明，该电站机组保护在这一点上设计得很好。

在机组背靠背启动时，机组间的保护是通过现地控制单元的编组功能实现，如若一台机组在启动过程中出现故障跳闸，无论其是拖动机还是被拖动机都将动作于跳开另一台机组。但启动母线未配置相应保护，需靠机组保护实现。

主变压器过流保护是在机组发电、发电调相、抽水、抽水调相以及出口开关合闸时闭锁，那么投入的状态有机组静止主变压器空负荷运行时、泵工况启动时（含SFC及背靠背启动），此时主变压器差动保护仅有一套投入。

3 机组与主变压器保护闭锁的实现方式

综上所述，该电站机组与主变压器保护闭锁实现方式如下：

3.1 开入量直接闭锁该保护功能

这种实现方式首先需要在PLC继电保护软件中定义该保护装置中外部开入量有无电压闭锁，外部信号可直接闭锁保护装置，如电气制动、外部电压回路PT二次侧开关跳闸、断路器失灵保护闭锁信号等。

3.2 开入量转换保护定值区

这种方式不同于3.1中直接闭锁保护方式。当机组SFC抽水工况启动时保护装置的定值区自动转换到定值B区，背靠背启动时被拖动机组和拖动机组保护装置定值区转换到定值C区，不同定值区用软件控制某些保护的投退实现闭锁功能。

3.3 采用常闭节点，自动化开入时解除保护闭锁

这是3.1中方式的补充。当用3.1中方式解除保护功能时，自动化开入量无电压，而此种方式在自动化开入量有电压后保护侧继电器加压励磁，常闭接点打开解除闭锁关系。

3.4 受机组出口电压影响

这种闭锁方式存在于通过测量电压大小闭锁相应保护和利用出口PT二次侧辅助接点直接闭锁保护功能两种方式。

3.5 机组中性点接地开关断开

当机组背靠背方式启动时，拖动机中性点接地开关断开影响测量接在中性点上的保护装置，如100%接地保护，虽然拖动机存在自动化开入量直接闭锁保护功能，但实际上拖动机中性点接地开关断开时双重闭锁该保护。

3.6 其他刀闸合上或断开时闭锁

这种方式涉及机组换向刀闸等辅助节点直接闭锁保护功能，形成双重化闭锁。

通过认真分析该电站4台机组各个工况下保护的配置情况，总结出机组和主变压器的保护闭锁的逻辑关系。

3.7 发电机A组保护

负序过流保护（定时限）、Ⅰ段及Ⅱ段跳主变压器A组保护及启动发电机出口开关失灵保护，是在发电机出口开关闭合时投入，在背靠背启动时，拖动状态闭锁；100%定子接地保护，在电气制动及背靠背启动时闭锁；低频保护，发电机出口开关合位，SFC隔离开关开位，在泵工况或泵调相运行状态时投入；逆功率保护，发电机出口开关合位，发电工况运行时投入；F12负序过流保护，在电气制动投入时闭锁。

3.8 发电机B组保护

F21低阻抗保护，Z1阻抗保护跳主变压器B组保护和桥开关及Z2阻抗保护跳桥开关、延时跳主变压器B组保护和桥开关在发电机出口开关合位时投入，背靠背启动时拖动状态闭锁；F21低频过流保护，在机组发电、发电调相、抽水、抽水调相时闭锁；负序过流保护高定值Ⅰ段和Ⅱ段跳主变压器B组保护在发电机出口开关合位时投入，背靠背启动时拖动状态闭锁；低功率保护，在发电机出口开关合位且泵工况运行状态下投入；转子接地保护，黑启动时闭锁；F22纵差动保护，在电气制动及背靠背启动时，被拖动状态闭锁；F22负序过流保护，在电气制动时闭锁。

3.9 主变压器A组保护

F32主变压器间隙零序电流保护、主变压器间隙零序电压保护在中性点隔离开关处在断开位置的时候投入。

3.10 主变压器B组保护

F41A纵差动保护（发电工况下），换相刀闸发电工况位置闭合，换相刀闸泵工况位置开位时投入，在背靠背启动时，拖动状态时闭锁；F41B纵差动保护（泵工况下），换相刀闸发电工况位置开位，换相刀闸泵工况位置合位时投入；主变压器过流保护，发电机出口开关在开位，机组发电、发电调相、抽水、抽水调相时闭锁；F42主变压器间隙零序电压保护、主变压器间隙零序电流保护，当中性点隔离开关处在断开位置的时候投入。

4 结束语

因抽水蓄能电站较常规水电站一次接线复杂，运行工况繁多且转换频繁，这就需要生产人员对保护配置、动作逻辑等多方面进行深入研究，针对不同故障类型和异常形式配置不同的保护，防止出现保护误动或拒动，防止出现保护盲区。因各个厂站选用的保护装置不同，在保护配置、二次回路复杂程度、保护闭锁逻辑实现等方面引起的差异很大，在今后的抽水蓄能机组保护的设计与选型上需全面考虑不同工况下保护的工作性能及电气参数变化对保护的影响，以便确定保护的闭锁逻辑。

[1] 张兵海.抽水蓄能机组工况运行对发变组保护的影响.水电自动化与大坝监测[J]，2008，（32）：40-44.

[2] 倪丹雪.抽水蓄能机组和主变保护闭锁逻辑研究.电工技术[J]，2010，（11）：62-63.

[3] 王昕.抽水蓄能机组机电保护配置研究.电力系统保护与控制[J]，2010，（24）：66-70.

王永卫（1987—），男，工学学士，助理工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站生产运行。E-mail：a312651276@163.com

程 鹏（1980—），男，工学学士，中级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站生产运行。

Resarch on the Blocking Logic Problem of Pumped Storage Power Station Unit and Main Transformer Protection

WANG Yongwei，CHENG Peng
（Shandong Taishan Pumped Storage Power Station Co.Ltd，Taian 271000，China）

Normally，there are several modes of a pumped storage unit，and each mode demands different protections.In this paper，Some related special generator transformer protection is discussed for each working mode and analyzed the protection configuration and the blocking logic methods taken on the set of the pumped storage units and the main transformer under different working mode.This paper introduces the blocking logic of the protection when the unit is under different working mode，and provides reference for the operation of pumped storage units in other stations.

pumped storage power station；unit；protection；blocking logic