变速抽水蓄能机组继电保护方案研究

2020-11-21梁廷婷徐晨博

水电与抽水蓄能 2020年5期

梁廷婷，王凯，陈俊，王光，徐晨博

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102；3.浙江省电力公司，浙江省杭州市 310007）

0 引言

随着电力系统的快速发展，风电、光伏发电、核电装机容量增长迅猛，抽水蓄能电站在调峰填谷、保障电网稳定运行方面的作用日益突出。近年来，国内配套建设的抽水蓄能电站均为定速抽水蓄能机组，自响水涧抽水蓄能电站采用国产化机组保护以来，国内已掌握了定速机组继电保护关键技术[1-6]。但是，世界抽水蓄能技术不断发展，可变速抽水蓄能成为新趋势。与定速抽水蓄能机组相比，可变速抽水蓄能机组具有有功功率调节范围大、有功功率调节速度快（几十毫秒级）、进相运行能力强、综合效率高等优点，正成为世界抽水蓄能电站建设的首选机型[7]。目前，日本、欧洲、美国均已有大量在运的变速抽水蓄能电站，技术成熟，运行稳定。与此相对的是，国内首座采用变速机型的抽水蓄能电站——河北丰宁抽水蓄能电站处于建设期，距投运尚需时日。

变速抽水蓄能机组结构复杂，造价昂贵，配置完善可靠的继电保护装置对机组的安全运行至关重要，当机组内部故障或运行异常时，保护装置自动、迅速地将机组跳闸或发出信号，避免机组进一步损坏。国内针对变速抽水蓄能机组继电保护技术的研究尚处于起步阶段，再加上现有文献数据库中涉及此技术内容的资料极为有限，保护技术研究存在较大困难。

本文基于国内变速机组继电保护技术发展的需要，针对变速抽水蓄能机组的电气主回路、交流励磁控制和水泵自启动方式等特点，分析其继电保护特殊之处，给出了应对策略和保护方案，并通过动模试验验证其有效性。

1 变速抽水蓄能机组介绍

1.1 变速抽水蓄能机组

变速抽水蓄能机组是一种隐极电机，定子侧接电网，三相分布式转子绕组镶嵌在圆筒转子铁心线槽内，在转子磁极绕组中通入交流励磁电流，产生相对于转子旋转的磁场，进而在电机气隙中形成同步旋转磁场。可变速机组转子磁场转速N0与转子机械转速Nm的关系如式（1）所示。

式中：N0——转子磁场转速；

Nm——转子机械转速；

Ne——交流励磁电流产生的磁场相对于转子的转速，可以与转子转向相同，也可以相反，分别对应于交流励磁发电机低于同步转速或者高于同步转速运行。

交流励磁系统通过控制励磁电压的频率、幅值及相位，可以控制励磁磁场的大小、相对转子的位置和旋转励磁磁场的转速，这极大增加了变速机组励磁控制的自由度，从而较常规同步电机有了更加优越的运行性能。

1.2 变速抽水蓄能机组运行特点及对保护的要求

变速抽水蓄能机组在运行控制、抽水启动方式等方面与定速抽水蓄能机组有所不同，具体包括：

（1）特殊的机组单元主接线形式，影响主设备差动范围选择和保护配置。典型的变速抽水蓄能机组单元接线如图1所示，与定速机组差异较大，主要表现在以下几个方面：机组主接线回路取消拖动开关和被拖动开关；主变压器低压侧无静止变频器（statistic frequency converter，SFC）拖动支路；励磁变压器容量显著增加等。

图1 典型的变速抽水蓄能机组单元接线Figure 1 Main wiring of typical variable speed pumped storage unit

（2）转子绕组为三相交流励磁绕组，可能发生相间、匝间和单相接地故障，而转子绕组处于旋转状态，电气量频率很低且难以测量，以往成熟的交流绕组故障保护方法难以适用。

（3）特殊的水泵自启动方式对保护提出新要求。定速机组需借助于外部设备，采用SFC启动或背靠背启动方式[8]。而变速机组可自主启动，在短接定子三相短路开关后，由交流励磁系统输出频率逐渐增加的励磁电流，利用电磁反作用力矩拖动机组。这一启动过程的控制流程和电气量特征均较特殊，需研究相应的保护方案。

2 变压器组内部故障主保护

2.1 主变压器差动保护

大型定速抽水蓄能机组抽水启动方式，一般以SFC启动方式为主，背靠背启动方式为辅。受拖动和被拖动电气回路的影响，常配置两种主变压器差动保护，保护范围仅包含主变压器的小差保护（图2中的“主变压器差动1”）和保护范围包含主变压器、换相开关或发电电动机断路器的大差保护（图2中的“主变压器差动2”）。计入差动保护的电流，除了主变压器高压侧电流、发电机电流和高压厂用变压器高压侧电流外，还包括SFC支路电流。由于励磁变压器容量很小，其高压侧电流无须计入主变压器差动保护[9]，如图2所示。对于大差保护，启动过程中差动保护应采取不计入机端电流或暂时闭锁的防误动措施。

图2 定速抽水蓄能机组主变压器差动保护Figure 2 Differential protection for main transformer of constant speed pumped-storage unit

变速机组的发电电动机与主变压器之间仅设置断路器和换相开关，无拖动开关、被拖动开关等与外部设备连接的电流支路，主变压器无须分设大、小差动保护，仅配置一套差动保护即可，如图3所示。由于变速机组励磁变压器容量较大，励磁变压器高压侧电流应计入主变压器差动保护。而取消SFC后，主变压器差动保护就少了SFC电流支路。

图3 变速抽水蓄能机组主变压器差动保护Figure 3 Differential protection for main transformer of variable speed pumped-storage unit

2.2 励磁变压器差动保护

相比定速抽水蓄能机组，变速机组励磁变压器容量要大得多，可达机组额定容量的20%。常规保护方案采用电流速断保护作为主保护，其定值按躲过励磁变压器低压侧最大三相短路电流整定，对一些低压侧绕组或端部相间短路故障存在灵敏度不足的问题。若改为差动主保护方案，对励磁变压器低压侧非严重短路故障也能灵敏反应，且保护动作速度更快。

3 变速抽蓄机组转子绕组内部故障保护

3.1 转子绕组内部故障型式

正常运行时，变速抽水蓄能机组励磁电压和电流更高，达数千伏和数千安培，且作为旋转部件，转子绕组内部故障概率高于定子绕组。其故障型式包括相间短路、匝间短路和单相接地短路[10]。

3.2 转子绕组相间短路和匝间短路保护

300MW级变速抽水蓄能机组正常运行时，转子侧交流励磁频率在±10%fn（-5～5Hz）范围内变化，额定励磁电压达3～4kV，额定励磁电流达6～8kA。在保护设计上，常规思路是采集励磁电流和励磁电压，通过识别转子绕组内部故障时的过电流、低电压等特征来反应故障。该思路在实现上存在以下困难：励磁电压和励磁电流的测量设备选型困难；频率极低且连续变化电气量的保护算法设计困难；由于励磁频率低导致的过电流动作速度较慢，与快速切除内部故障要求之间存在矛盾。

另一种保护的实现思路是，利用转子绕组内部故障时定子侧呈现出的电气量特征来设计保护。转子绕组发生相间短路和匝间短路时，内部产生不对称电流分量，通过气隙磁场的电枢反应作用，在定子侧感应出特定频率的间谐波分量。谐波电流的大小与转子绕组短路故障严重程度和机组结构有关。动模试验中变速抽蓄机组转子绕组匝间短路时定子侧电流及其频谱分析结果如图4所示。

图4 转子绕组匝间短路时定子侧电流及其频谱分析Figure 4 Frequency analysis of stator current when rotor winding inter-turn short circuit

从图4可以看出，其谐波频谱非常丰富，各个频率段均有分布。经研究发现，谐波电流的频率与转速和极对数有关，且很多频率分量偏离工频，而定子绕组内部短路时定子电流主要为基波成分，据此可以区分定子绕组内部短路和转子绕组内部短路。

3.3 转子绕组单相接地故障保护

变速抽水蓄能机组转子侧为不接地系统，单相接地故障时短路电流很小，可借鉴传统的零序过电压保护来反应此故障，动作判据如下：

在转子三相绕组端部安装霍尔式电压互感器，霍尔式电压互感器体积小，安装方便，成本低，可作为励磁电压测量设备。相应的，保护应采用适应低频且持续变化电气量的相量算法。

4 抽水启动过程保护

抽水蓄能机组主要用于调峰填谷，一般每天均有启停操作。抽水启动过程为：在机组静止状态短接定子三相短路开关，交流励磁系统向转子绕组中输出频率逐渐增加的负序电流，在电磁反作用力矩作用下，发电机转子正向旋转，且转速逐步升高至额定转速，启动并网流程。抽水启动过程时间较长，在数百秒左右，且启动之初即已加励磁[11]。因此，应重视抽水启动过程的保护配置。

4.1 低频过流保护

变速抽水蓄能机组抽水启动过程中，定子三相短路开关合上，等同于三相定子绕组被短路，发电机电压极低，使得发电机内部很难再出现短路故障。尽管如此，发电机励磁系统异常可能引起误强励，仍可能导致发电机的过电流。此时，由于发电机内部无故障，常规发电机差动保护不能反应，而相间后备保护在低频启动过程灵敏度降低，且频率越低，灵敏系数越低，因此增设专门针对抽水启动过程的低频过流保护。低频过流保护作为相间故障的后备保护，过电流定值应躲过启动过程中的最大定子电流。

4.2 定子绕组单相接地保护

不同于定速抽水蓄能机组，变速抽水蓄能机组中性点接地变压器隔离开关在启动过程中为合位状态，基于中性点零序过电压的保护原理仍然适用，只是过电压定值应根据启动过程中最大不平衡零序电压进行整定。三次谐波电压原理的定子接地保护则不再适用，其原因是此过程中定子电压频率低且不稳定，难以准确分离计算出三次谐波电压分量。

注入式定子接地保护的电阻判据在启动过程中同样需要退出运行，当注入信号频率为12.5Hz时，与运行频率过于接近，而注入信号为20Hz时，与三次谐波分量频率过于接近，同样难以准确分离计算注入频率的特征分量。尽管如此，注入式定子接地保护的电流判据由于不涉及不同频率分量的分离计算，仍然可正常投入。

4.3 抽水启动期间需闭锁的保护功能

抽水启动过程中，定子侧电气量频率等于滑差频率，即交流励磁频率与转子转速对应频率之差，该频率远低于工频，且机端电压很低，功率主要是无功分量，一些针对工频运行工况设计的保护功能在此过程中可能误动，应暂时闭锁，并网后再投入运行。例如，低频保护、低电压保护和低功率保护应闭锁[12]。

抽水启动时定子三相短路，无须投入失磁保护，常规的定子阻抗圆失磁保护原理反而有可能因电气量频率过低而误入动作阻抗圆内，因此应闭锁失磁保护，待发电机并网后再投入运行。

5 变速抽水蓄能机组保护典型配置方案

除非电量保护外，变速抽水蓄能电站发电电动机变压器组的保护应按双重化配置。发电电动机保护和主变压器保护分开配置，励磁变压器的保护功能集成于主变压器保护装置中。由于两台机组配置一台高压厂用变压器，考虑设备停运及检修方便，高压厂用变压器保护装置独立配置。整套保护按5面屏设计：主变压器和励磁变压器保护组3面屏，其中，电气量保护A、B套各1面屏，非电量保护和其他辅助装置1面屏；发电电动机保护A、B套各一面屏；高压厂用变压器保护独立配置。

300MW级大型变速抽水蓄能机组典型的继电保护配置见表1和表2。

表1 发电电动机保护功能配置Table 1 Protection configuration of generator-motor

续表

表2 主变压器和励磁变压器保护功能配置Table 2 Protection configuration of main transformer and excitation transformer

6 动模试验验证

为验证本文所提出的变速抽水蓄能机组保护方案的有效性，搭建如图5所示的动模试验系统进行验证。采用双馈发电机组模拟发电电动机，由交流励磁系统进行控制，同轴的直流电动机模拟水泵水轮机，发变组单元经过并网断路器和换相隔离开关与试验室电网（电力系统）相连。

图5 试验系统图Figure 5 Experimental wring diagram

双馈机组为3对极交流励磁电机，额定功率12kW，定子额定电压380V，额定电流18.23A，双分支的系数分别为33.33%和66.67%。转子采用单分支绕组，额定电压380V，额定电流5.66A。交流励磁系统采用三电平背靠背I型功率分支。主变压器容量15kVA，Yd11接线，变比为380V/380V。

主变压器差动、励磁变压器差动的保护原理和动作特性与常规机组近似，抽水启动过程的低频过流保护逻辑简单，均无须进行试验。本试验重点验证双馈机组转子绕组内部故障保护。动模机组并网后，励磁频率4Hz，机组功率逐步升高至30%额定功率，然后模拟转子绕组A相匝间短路（短路匝比1/3）和A、B相间短路故障（A相绕组中间位置与机端B相绕组位置短路），故障过渡电阻6Ω。获取定子绕组两个分支的三相电流，计算裂相横差电流，滤出其中的特定谐波分量构成过电流保护，过流门槛定值设置为0.15A，延时定值0.1s。两次试验的波形分别如图6和图7所示。图中，通道ia1和ia2分别为机组两分支a相电流，ida通道为裂相差动电流。