浅述水电厂发电机、变压器保护配置及与水机LCU的配合

摘 要：文章介绍了水电厂的一次主接线型式，发电机与变压器的保护配置，继电保护与水电厂现地控制单元的配合，最后对水电厂各种主接线优缺点做了简要评介。

关健词：水电厂；发电机；变压器；保护配置；与LCU配合

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.145

1 引言

随着我国大力发展建设的同时，不可再生能源的消耗和短缺也逐步困扰着我国，正因为此，我国开始加大对环境及能源的保护，电力是我国现代化发展的龙头，无论工业、农业及其它各行业对它都有很大的依赖，正因如此，发展电力也是我国中之重，电力的源头发电行业分火力、水力、风力、太阳能，火力电厂依赖于煤，属于不可再生能源消耗。风力、太阳能发电又对天气环境有较大的依赖，而水力发电在我国西部又有相当大的优势，因此，加快西部水力资源开发、实现西电东送，对于解决国民经济发展中的能源短缺问题、改善生态环境、促进区域经济的协调和可持续发展，无疑具有非常重要的意义。

发展水力发电的同時又使我们看到保障好水力发电系统成为重要前提，本文重点对水电厂中发电机、变压器的保护配置作了详细的介绍，以四川省凉山州木里县境内的鸭嘴河跑马坪水电厂为例，根据主接线图详述了各保护的配置及出口跳闸模式，我国只有少数的类似于三峡水电厂这样的大型水电厂，大多数规模均较小，但又多数上电网，正基于此，研究配置好中小型水电厂，不仅更好的保证水电厂的安全，更为系统安全提供保障。以鸭嘴河跑马坪水电厂作为典型介绍还是有一定的代表性的，该水电厂发电机采取一主一后配置，主变保护采用双主双后配置。在文章最后对发变组保护与水机LCU的配合作了各种分析，同时对水电厂的主要接线进行简要的评价。

2 水电厂的分类及主接线及保护配置原则

水电厂主接线形式与火电厂主接线形式不太一样，大多采用发电机-变压器单元接线形式，由于水电厂发电机容量大多很小，单机容量25MW以下的发电机组称为小型，25MW～250MW为中型，250MW以上为大型。通常水电厂均为几十兆瓦，几台发电机出口带断路器后并接至出口母线上，再经变压器升压至35KV、110KV或220KV，所以对于水电厂发电机、变压器保护是分开配置的，不像火电厂大都采用发电机-变压器组方式进行按整套发变组保护模式配置，对于接入至220KV母线的主变采用双套保护配置，对于大于100MW以上的发电机也均采用双套保护，本文根据此着重讲一下在四川凉州鸭嘴河跑马坪水电厂的保护具体配置。

3 跑马坪水电厂主接线

跑马坪水电厂位于四川省凉山州木里县境内的鸭嘴河上，为鸭嘴河的第三级水电站。电站总装机容量120MW，采用引水式开发，装设2台单机容量为60MW、额定水头600m的水斗式立轴水轮发电机组。升高电压侧采用220kV一级电压。电气主接线采用扩大单元+单母线接线，设置1台额定容量为150MVA组合式三相双卷升压型无励磁调压铜芯电力变压器，将发电机10.5kV电压升压至220kV电压接入电力系统。

4 跑马坪水电厂保护配置图（见图1）

5 跑马坪水电厂保护配置介绍

5.1 发电机保护主要配置

电气量主保护：发电机差动、横差保护、失磁保护、定子接地保护。

电气量后备保护：复合过电流、记忆过流、转子一点接地保护、过电压保护、定时限过负荷保护、反时限过负荷保护、过激磁保护、频率异常保护、误上电保护

非电量保护：励磁系统故障、水机保护联跳、紧急跳闸。

发电机差动保护取3CT和14CT，作为发电机内部故障的全线快速保护，动作于发电机全停；

发电机复合过电流和记忆过流保护取4CT。保护延时动作于发电机全停；

横差保护取2CT，保护快速动作于发电机全停；

失磁保护设计为在大负荷失磁时，取4CT，在小负荷时取9CT，失磁保护动作于带时限解列。

对于水轮机转子一点接地采取发信方式。

过电压保护采用机端PT，动作电压取1.5倍额定电压，保护动作于解列灭磁；

定时限过负荷保护采用4CT，保护带时限动作于发信和减出力；

反时限过负荷保护采用4CT，反时限设下限段、反时限段、上限段，下限段为保护启动值，当电流大于启动值时，发电机开始热累积，当电流小于启动值时，发电机开始散热过程。反时限段则根据反时限电流的大小进行出口动作时间不同，反时限电流越大，动作时间越短。 上限段为速断段，即大于此电流保护无时限动作出口，保护带时限动作于解列；

定子接地保护取机端PT开口三角电压，保护动作全停（停机模式，不停主变）；

过激磁保护取机端PT电压，利用电压与频率的比值作判据，保护作于解列灭磁，频率异常保护分低频和过频两种方式，保护动作于发信。

误上电保护电流取自14CT和机端PT三相电压，保护是为防止在发电机静止时发生误合闸操作，从系统向发电机定子绕组倒送大电流，在水轮机未旋转时可能会烧毁定子绕组。其判据为机端断路器由开到合，且保护受机端低频元件和低压元件开放，此误上电保护在发电机退出时自动投入使用，保护本动作于解列；

发电机保护非电量保护均作于（停机模式，不停主变）。其中一组保护重动接点可接至水机紧急停机控制器用于关停水机及辅设备。

5.2 主变保护主要配置

电气量主保护（双套）：差动保护、零序电流保护、零压闭锁零流保护、电气量后备保护（双套）：高压侧复压闭锁过流保护、机端断路器失灵保护、开入闭锁过流保护、过激磁保护、低压零压保护、失灵联跳保护；

非电量保护：重瓦斯跳闸、压力高跳闸、油温高跳闸、冷却器全停跳闸、绕组温度高跳闸、轻瓦斯发信、油温高告警、绕组温度高告警、油位高发信、油位低发信。

主变差动保护作为反应主变内部故障的快速保护，主变差动为三侧，分别取自#2发电机机端10CT（11CT）主变高压侧18CT（19CT）和#1发电机机端10CT（11CT），由于主变低压侧厂变容量只有800KVA，而发电机的容量为60000KVA，相差较大，故厂变不再接入主变差动，差动保护动作于全停模式，即跳主变高压侧、启动高压侧失灵保护、跳#2发电机机端断路器、#2机停机、#2水机保护出口、跳#1发电机机端断路器、#1机停机、#1水机保护出口、跳主变低压侧厂变。

高压侧复压闭锁过流保护取18CT（19CT），由于高压侧为220KV，主变保护采用双主双后配置，且高压侧差动与后备共用一组CT，保护动作同差动保护；

主变零流保护、零压闭锁零流保护动作均同于差动保护；

机端断路器失灵保护电流取自2#机机端10CT（11CT）和1#机机端10CT（11CT），在发电机内部故障时，发电機保护动作跳机端断路器，由于断路器失灵拒动，此时发电机保护在跳机端断路器的同时向主变保护中发出发电机保护动作信号，主变保护在判某台发电机保护处于动作，但机端CT仍流有电流时，启动机端断路器失灵保护，动作于全停（主变差动模式），机端断路器失灵保护延时应大于发电机所有保护最长的动作时间。

开入闭锁过流保护取主变高压侧18CT（19CT），取#1机#2机机端断路器常闭辅助触点串联后作为开放判据，此保护只在两台机均退出运行时，由主变倒送电给低压侧厂变时起作用，任一台机运行或两台机运行，该保护自动退出，保护动作于跳主变高压侧，跳主变低压侧厂变。

过激磁保护按主变过激磁进行整定，保护动作于全停；低压零压保护作用于发信号；失灵保护联跳电流取自18CT（19CT），主要功能为防止220KV母线保护动作跳主变高压侧开关时，主变高压侧开关失灵拒动，此时主变保护应在接到母线保护动作的同时再检测高压侧电流大于有流定值，延时50MS进行全停。

主变非电量动作于跳闸的保护均作用于全停，但不启动高压侧失灵保护。

5.3 发电机、变压器等继电保护与水机LCU的配合

水电厂发电机、变压器等电气保护及非电量保护等均需与水电机组LCU配合， LCU是指水电厂现地控制单元。LCU分为机组LCU和公共LCU，机组LCU主要功能是实现机组开停机顺序控制，机组事故停机及紧急停机控制，机端断路器分合控制，机组有功、无功功率调节，机组并网及一些供水泵的控制等。其作为水轮机组与其它辅设备的中间逻辑控制环节，同时也是机组电气保护与机组及辅设备之间逻辑控制环节，即机组电气保护动作时需通过LCU进行关停水轮机组，同时也要关停其一些辅设备，反过来由于水轮机组或其辅备故障时也需要通过LCU进行跳开机端断路器，跳开灭磁开关等电气设备。所以说在电量或非电量保护动作时应由其与断路器、灭磁开关的同时动作接点去LCU进行机组或其辅设备的关停，部分工程是通过电量或非电量保护的动作信号进行关停，这是不正确的，有的工程通过机组LCU的通信控制器与继电保护、励磁系统等进行通信，靠通信进行逻辑关停，这种过分依赖于通信也是不可取的，两者的联系建议采用保护重动硬接点方式和通信方式两种或的逻辑实现。LCU的故障关停逻辑应分为机组、辅机控制关停和机组、辅机、电气关停两大部分。根据此电量、非电量保护动作LCU的应只为机组、辅机控制关停逻辑；机组、辅机的故障信号动作为机组、辅机、电气关停。

6 结束语

跑马坪水电厂主接线是水电厂中较为典型的，水电厂的主接线多为发电机出口带断路器然后上母线，几台机均并接在机端母线上，如果并的台数较少，少于4台，主变差动保护范围均可涵盖在内，如果数量较多，则可根据重要性配置机端母线保护，但多数水电厂为节省投资，不配置母线保护，这时母线故障只有靠各台发电机后备保护、主变低压侧后备保护进行切除故障，虽然时限较少，但由于这种水电厂一般发电机容量较小，还是能够保证系统安全的。在西藏林芝八一水电厂即在这种情况下进行工作的。在水电厂中也有两台主变接线形式，但主变低压侧均配置开关，这样就形成单一的主变保护配置，出口跳闸模式同于变电站变压器。水电厂与火电厂的最大差别在于主变，主变可能需要几台机或厂变几侧做差动，但火电厂（除垃级焚烧、余热发电等）大部分为发变组接线，机端带厂用电，主变差动为高压侧、机端、高厂变、大型机组还有脱硫变，保护作用于全停的同时还需切换厂用电，水电厂的厂用电多接在机端母线上，不需切换。对于两机一变的或三机一变的水电厂，主变低压侧基本不设断路器，均为各发电机机端断路器作为断开点，这种接线主要缺点就是主变发生故障，将造成所有发电机停机。采用两台及以上主变的水电厂，主变低压侧设开关，这时一台主变故障只需断开该主变即可，也不会造成发电机停机。这种优势较为明显，但造价较高。

参考文献：

[1]《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T 14285-2006.

[2]《水力发电厂机电设计规范》DL/T5186-200.

[3]《四川省凉山州木里县鸭嘴河跑马坪水电站工程二次配置图》水利部陕西水利电力勘测设计研究院.

作者简介：李占波（1972-），男，天津人，本科，工程师，主要从事电网继电保护、城市配网、风电场等电气设计工作。