抽水蓄能电厂机组保护措施分析

潘仁秋，姬生飞，何其伟，房 康

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

抽水蓄能电厂属于特殊的电源，具有启动速度快、双向负荷跟踪速度快以及反应迅速等优势。它不仅属于电站，还是电网管理工具，在实际应用过程中具有重要作用，如发电、储能、调峰以及事故备用等，为电力企业创造了很多效益。在现代智能系统的快速发展过程中，很多清洁、可再生能源逐渐得到了社会各界的高度重视。合理的抽水蓄能电站配比可以确保电网始终处于安全的运行状态，在未来社会发展中将发挥更加重要的作用。

1 抽水蓄能电厂机组保护的相关内容

1.1 含 义

抽水蓄能电站的本质是在低谷时期充分利用富裕电力进行抽水作业，主要是从下水库中将水抽到上水库，实现电能到势能的转变。尤其在用电高峰时期，可以将水从上水库进行下放，通过水的势能对发电机组做功产生电能，从而有效改善高峰时期电力能源不足的问题[1]。抽水蓄水电厂机组的启停反应制度比较灵活，负荷调节水平相对较高，在科学调度的基础上，满足了调峰填谷和事故备用的预期目标。在抽水蓄能电厂机组运行过程中，需要不断启动、停止，极易出现作业方式转换情况，为机组运行带来了风险。为了保障抽水蓄能电厂机组始终处于安全的运行状态，管理人员需要明确各项运行作业方式，以此为基础制定相应的保护措施。此外，在抽水蓄能电厂机组运行过程中，技术人员还要注重抽水、发电等操作。一般机组的旋转方式有两种，需要由换向刀闸完成，具体见图1。在机组抽水过程中，应接通C向，闭合2、3、5级；在机组发电过程中，应该接通A相，闭合1、3、4级。

图1 换相刀闸结构示意图

1.2 特 点

1.2.1 换 相

在新时期的快速发展过程中，大型抽水蓄能机组多是可逆式机组。机组在发电、抽水的情况下转向相反。在实际运行过程中，通过发电、发动机出口位置的换相闸刀改变一次接线相序，导致转向有所不同。通常情况下，机组保护的电压、电流主要采用机端的压变和流变。在电动机实际运行过程中，机组采集到机端的电压、电流相序。这一相序和发电机运行的相序正好相反，这时机组保护的电压、电流量也要换相，将其调整成电动机保护，确保机组的大差动保护、功率型保护、阻抗型保护以及相序检查保护处于稳定的运行状态。

1.2.2 识别运行工况

为了确保抽水蓄能电厂机组始终处于稳定的运行状态，相关部门需要深入分析工况实际情况，合理选择保护措施，并根据工况实际情况给予投入、切除以及闭锁等各项保护措施。例如，在机组变频启动的情况下，为了避免负序过流保护和大差动保护操作失误出现闭锁问题，需要快速切除启动回路的相间故障，并对其进行特有的低频过流保护。技术人员必须针对机组的实际运行工况进行有效识别，确保保护装置始终处于稳定、持续的运行状态。

2 抽水蓄能电厂机组中存在的问题

2.1 主变纵差和机组纵差保护问题

在抽水蓄能电厂机组实际运行过程中，技术人员在使用普通电网元件的情况下，相邻保护范围必须覆盖、配置。这时技术人员只需明确在断路器识别两侧交叉位置配置CT。但是，在机组保护配合过程中会遇到很多难题，因为抽水蓄能电厂机组的机端断路器设备两端会设置很多刀闸，处于负载的工作状态。技术人员需要针对不同的闭锁条件进行保护，并进行充分考虑，有效保护装置配置、配合，避免出现防护死区。同时，变电器、发动机设备配置会有一定的差异，保护对象普遍是发动机、变电器等设备。在保护CT范围时，它不会出现其他刀闸。在全工况投入时无需闭锁，可以有效提升变压器性能，确保发电机组设备始终处于稳定的运行状态。技术人员还需针对发动机、变压器设备保护配置进行深入分析。一般交叉位置会有很多选择，技术人员应选择在GCB位置附近进行交叉。但是，在分析抽水蓄能界限的情况下，GCB和启动力之间不会预留更多的空间而影响安装工作，需要外移CT位置。因此，技术人员需要充分考虑这种配置方式，严格控制闭锁方式，避免保护功能整体处于闭锁状态。但是，技术人员不能只针对机组侧CT采样进行闭锁处理，还需要严格按照相关要求操作，才不会出现保护死区。

2.2 三次谐波定子100%接地保护

抽水蓄能电厂机组普遍处于复杂的工作环境中，极易受功率等因素的影响，为定子三次谐波保护工作带来了题。调查验证发现，三次谐波保护在抽水蓄能电厂机组中得到了有效应用，但三次谐波保护需要在机端CT配置开口三角绕组，而很多电厂不具备这种条件。新建的抽水蓄能电厂可以配置三次谐波定子接地保护装置。另外，GCB失灵保护主要是相过流元件和负序过流元件电流整体值较高，很多保护内容无法满足动作值要求，如接地保护、功率保护等，很难有效启动失灵保护。尤其在非电气保护如监控跳机信号等启动失灵的情况下，无法实现保护[2]。因此，抽水蓄能电厂机组应使用机端有压与GCB合位的电压型失灵判据，在遇到启动失灵信号的情况下，延时检测机组带压、GCB未断开以及失灵保护动作。这时动作可靠、无误，不与相关要求出现矛盾时可以使用。

3 抽水蓄能电厂机组实例及保护措施

3.1 实例分析

某抽水蓄能电厂中的机组情况是2台35 MW的混流可逆式水轮机发电电动机组。引水系统主要是一洞二机形式，主要作用是调峰，可以确保系统始终处于稳定的运行状态。一般情况下，发电机和变压器的接线方式普遍是单元接线方式，机组出口位置的电压为10.5 kV，设置了机端断路器，主变高压位置的接线形式是220 kV单母线。在实际启动过程中，普遍选择静止变频方式，还可以使用备用启动方式。除此之外，抽水蓄能电厂机组运行方式具有多样性特点，工况转换频率较快，一般在一次设备中可以增加抽水启动装置、换向开关和启动母线，为机组保护工作带来了难题。

3.2 保护措施

3.2.1 换向操作纵差保护

在换向操作纵差保护过程中，技术人员需要做好以下工作。首先，切换纵差保护二次回路，在进行换相的过程中，技术人员需要充分利用辅助触点，针对二次电流的切换情况予以控制，但极易出现换相开关辅助触点动作、连锁切换不稳定的问题，会导致纵差保护误动现象。其次，二次电流回路换相连锁切换较快，为了降低切换频率，纵差保护应在A、C两相安装2套，主要作用是抽水、发电。跳闸出口回路需要由换相开关辅助触点连锁切换，需要增加保护装置，但接触不良的情况下会出现保护误动。最后，技术人员应注重发电机组和主变纵差保护工作，并在A、C相设置电流互感器，使纵向保护二次电流能够从开关自动切换到另一相的CT。这时纵差保护无需各项附加条件，尤其在开关辅助触点未换相的情况下，具有很强的可靠性。在该抽水蓄能电厂机组运行过程中，发电电动机纵向保护范围是发电机中性点到换相开关，变压器差动保护范围是变压器高压侧到换相开关。两套纵差保护都需要作为换相开关的保护范围。

3.2.2 与相序有关的保护

与相序相关的保护具体体现在以下方面。第一，定子过负荷保护，针对单相电流进行保护、检测，在电流量取自工况变换的情况下不换相的B相。第二，转子表层过负荷保护，如负序过负荷应接入三相电流。在工况转换过程中，保护换相一般需要借助微机保护装置软件才能够实现。第三，返工率保护需要根据发电工况进行接线，一般应用到发电运行、点制动以及背靠背启动作电源的情况下，其他工况由微机保护装置内部软件进行闭锁。第四，失磁保护的主要构成内容是转子低电压判据和机端测量阻抗判据，按照0°接线，避免出现换相问题。

3.2.3 电压相序保护

在普通电厂运行过程中不会遇到相序变换的问题，其中发电机会向一个方向旋转，但抽水蓄能电厂的工况不断变化需要倒换相序，导致机组翻转。在旋转方向不一致的情况下，需要进行电压相序保护。这一保护装置是抽水蓄能电厂特有的，在其他工况下能够利用软件进行闭锁。

3.3 保护成效

一般而言，抽水蓄能机组是在常规发电机组保护的基础上进行转变的，并添加了很多辅助接电、工况判别以及特有保护装置，比常规机组保护更具复杂性。通过抽水蓄能电厂试运行发现，保护会出现误发信、误动作问题。通过分析、探索这些问题，可以通过修改保护逻辑和调整整定值给予有效解决。通常情况下，抽水蓄能电厂工况转换相对频繁，技术人员可以有效判别运行状况，并充分利用辅助接电的正确动作，提升抽水蓄能电厂机组的整体保护效果[3]。

4 结 论

综上所述，现代化社会发展有效应用了很多先进技术，使得常规技术得到了优化。抽水蓄能电厂是在常规电厂基础上进行优化形成的，在抽水蓄能电厂机组运行过程中会遇到很多问题，如运行工况转换频率大、换相等。相关部门必须做好保护工作，充分考虑换相、运行工况对保护带来的影响。一般可以选择可靠的换相方式、运行工况识别方式，以确保保护装置在各种运行方式下处于稳定的运行状态，避免出现保护误动等问题。