CCS水电站继电保护设计特点分析

任岩

摘 要：厄瓜多尔CCS水电站总装机容量为1 500 MW，是厄瓜多尔国内最大的水电站，全部采用国际规范和标准进行设计。继电保护设计方案结合当地电网和设备的特点，主要设备的保护装置全部采用双重冗余配置，操作及出口回路全部采用继电器搭接完成逻辑功能，保护专网通信接口采用IEC61850规约。对工程的设计特点进行了分析，为适应外方业主和咨询公司的设计和使用习惯，设备参数、CT选择、操作回路和电源回路的设置等问题都通过设计方案的完善予以解决，对设计过程中出现的问题进行了总结和分析。2016年11月18日，电站机组正式投入商业运行，通过近4 a运行实践，继电保护系统运行完好，当站内设备和电网发生故障时，均能可靠动作并切除故障，保证了电站安全稳定运行。

关键词：继电保护;设计特点分析;CCS水电站

中图分类号：TM622;TV753   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.022

Abstract：Coca Codo Sinclair Hydropower Station （CCS）， with a total installed capacity of 1500 MW， is the largest hydropower station in Ecuador. The design scheme of relay protection combines the characteristics of local power network and equipment. The protection devices of the main equipment all adopt dual redundant configuration， and the operation and exit circuits all adopt relay overlap to complete the logic function， IEC61850 protocol is adopted for communication interface of protection network. This paper analyzed the design features of the project， in order to adapt to the design and use of foreign owners and consultants， equipment parameters， CT selection， operation loop and power loop setting were all solved through the improvement of design scheme， and the problems in the design process were summarized and analyzed. On November 18， 2016， the plant was put into commercial operation. Through 3 years operation practice， the relay protection system was running well. When the equipment and the power grid fail， it could operate reliably and remove the fault， which ensured the safety and stable operation of the power station.

Key words： relay protection; analysis of design features; CCS Hydropower Station

1 引 言

Coca Codo Sinclair水電站（简称CCS水电站）位于厄瓜多尔共和国北部Napo省和Sucumbios省交界处，距首都基多约140 km。CCS水电站总装机容量1 500 MW，占该国总装机容量的1/3左右。电站安装8台冲击式水轮发电机组，额定水头604 m，年发电量88亿kW·h。该电站按“无人值班（少人值守）”原则设计，电站主接线方式为：发电机与主变压器（以下简称主变）连接采用单元接线，主变升压至500 kV。500 kV电气系统采用双母线接线方式，以2回500 kV线路接入电力系统的圣拉菲（San Rafael）500 kV变电站。

CCS水电站设计原则不同于国内工程：①该工程为中外双方签订的总承包合同，很多技术条款是根据外方的习惯制定的，与国内的典型设计不同，必须严格执行;②设计需采用IEC、IEEE、ITU、ISO、ANSI、NEC、NFPA等国际标准和规范（当没有适用的国际标准时可使用中国国家标准，但必须有正式出版的外文版本）;③所有设计成果必须经业主及聘请的咨询方审查批准后才能实施。

在CCS水电站的设计过程中，设计方多次与业主、咨询公司针对继电保护设计方案进行沟通和修改，最终确定的保护配置方案、采购标书和施工设计得到了业主和咨询公司的批准。

2 继电保护设计方案

2.1 电站接线方式

电站8台机组采用发电机变压器组单元接线接入500 kV母线，发电机出口设置断路器。电站500 kV系统采用双母线接线方式，不是国内比较常见的3/2接线或者角型接线方式。500 kV配电装置采用六氟化硫封闭组合电器（简称GIS），电站以2回500 kV线路接入SAN RAFAEL变电站。

2.2 电站继电保护设备组成

CCS电站继电保护设备用来保护水电站的主要设备，其组成包括发电机、主变、厂用变压器（以下简称厂变）、500 kV GIS设备、500 kV母线和500 kV输电线路。发电机-变压器组、500 kV母线和500 kV输电线路均设置双重保护装置，采用100%冗余配置，所有保护装置均为微机型保护装置。本文主要介绍发电机-变压器组保护和500 kV系统保护的设计。

所有保护装置通过通信接口与电站计算机监控系统进行通信，通信规约采用IEC61850规约。

2.2.1 发电机-变压器组保护设计

CCS水电站装设8台容量184.5 MW的水轮发电机组，发电机出口电压为13.8 kV，发电机出口设断路器（GCB）。1台发电机接1组（3台单相）主变压器组成发电机-变压器单元接线，主变高压侧为500 kV。电站500 kV侧电气接线采用双母线接线形式，两段母线设联络断路器。厂用电源设2回，分别引自1#发电机机端和8#发电机机端。

根据电站装机规模和电压等级，每个发电机-变压器组单元配置2套完整的主保护和后备保护，采用100%冗余配置，设1套主变非电量保护，屏柜数量3面，安装在地下厂房发电机层机旁。发电机-变压器组保护配置见图1。

发电机-变压器组主保护和后备保护采用双重配置。发电机的主后备保护包括发电机差动保护（87G）、发电机横差保护（87GUP）、定子接地保护（64G）、失磁保护（40G）、负序过流保护（46）、逆功率保护（32）、定子过电压保护（59）、发电机低电压保护（27）、发电机过负荷保护（49）、发电机失步保护（78）、转子接地保护（64R）、发电机过激磁保护（24）、发电机过流继电器（51）、发电机零序过流保护（51N，50N）和断路器失灵保护（50BF）等[1]。

发电机励磁变压器为干式变压器，容量为1.7 MVA，励磁变压器的保护配置包括电流速断保护（50ET）、过电流保护（51ET）、过负荷保护（49R）、励磁变温度超高保护（49WT），保护功能包含在发电机后备保护内。

主变的主后备保护包括主变差动保护（87T）、主变高压侧复合电压过电流保护（51TV）、主变方向过电流保护（67）、主变高压侧零序方向过电流保护（67N）、主变高压侧阻抗保护（21）、主变零序电流保护（50N，51N）、主变过激磁保护（24）、主变过负荷保护（49）、主变速断过流保护（50）、主变低压侧零序过电压保护（64T）、主变高压侧断路器失灵保护（50BF）等[2]。

电站厂用电源分别引自1#发电机和8#发电机机压母线，厂变容量为6 MVA。2套厂变保护装置与1#和8#机组保护合并布置在机组保护柜内。配置包括纵联差动保护（87AT）、速断过流保护（50）、过负荷保护（49AT）、低电压保护（27）、过电压保护（59）、温度保护（49WAT）等。

该工程主变为分相变压器，A、B、C相分别设置非电量测量、信号装置，在主变现场设1台主变综合端子箱，将3台单相变非电量信号分别接至端子箱内，并引至发电机-变压器组保护柜。非电量保护信号均为开关量无源接点。非电量保护装置具有独立的电源回路和出口跳闸回路，与电气量保护完全分开。保护配置包括主变瓦斯气体保护（96）、主变油温超高保护（49T1）、主变绕组温度超高保护（49T2）、主变压力释放保护（63）、主变冷却故障保护（CF）、主变油位异常保护（95）等。

2.2.2 500 kV系统保护设计

CCS电站500 kV系统采用双母线接线方式，不是国内比较常见的3/2接线或者角型接线方式。500 kV配电装置地下采用GIS，经高压电缆引至地面出线场，2条500 kV出线引至SAN RAFAEL 500 kV變电站。系统保护装置包括500 kV线路保护、500 kV母线保护、母联保护等。

（1）500 kV线路保护。电站至SAN RAFAEL 500 kV变电站的2条线路，长度约7 km，2条线路不采用同塔并架。每回线路配置2套线路保护装置，采用100%冗余配置。每条线路的2套线路保护装置组2面线路保护柜（A、B柜），把光纤纵联差动保护作为主保护，以三段式相间与接地距离及四段零序保护为后备。

线路保护装置具有过电压保护功能，在线路出现不正常工频电压时，跳开500 kV断路器。保护动作后首先跳开本侧断路器，经一定延时发送远跳信号至线路对侧，跳开对侧断路器。

线路保护还具有远方跳闸功能，以有功功率、电流、零序电流变化为判据，当收到对侧跳闸信号且本地判据动作才允许跳闸[3]。

另外每条线路还配置1面断路器操作柜（C柜），配置线路重合闸、电压切换回路，实现线路重合闸功能，设置电压切换继电器。满足切换3组母线电压回路的要求。

CCS水电站至SAN RAFAEL 500 kV变电站2条500 kV线路的4套线路保护通道均采用专用光纤通道。

（2）500 kV母线及母联保护。电站500 kV系统为双母线接线，配置2套微机型母线保护装置，采用100%冗余配置。为防止误动作，保护设备配有完善可靠的电压闭锁装置，在倒闸操作时可快速切除母线上的故障，同时又能保证出现外部故障时不误动。500 kV母线保护系统的断路器失灵保护功能包含在2套母线保护柜中，500 kV线路保护、主变保护、500 kV母联保护的失灵启动接点启动断路器失灵保护。2套500 kV母线保护组设置2面保护柜（A、B柜），500 kV母联断路器设1面母联断路器保护柜（配置母联充电保护、过流保护装置和操作回路继电器）。

3 设计特点分析

CCS水电站作为国外建设的大型水电站，又处于严格遵守欧美标准和规范的地区，其继电保护设计具有下面几个主要特点。

（1）保护设备参数的选择。因为厄瓜多尔电网频率为60 Hz，因此继电保护设备的参数选择需要适应60 Hz频率的特点，如保护设备交流采样频率和保护动作时间都是根据周波设定，50 Hz一个周波为20 ms，60 Hz一个周波为16.7 ms，这样就比国内工程的设备参数要求高。

（2）保护用电流互感器的选择。CCS水电站采用发电机-变压器组单元接线，经500 kV一级电压接入电力系统，系统的一次时间常数较大，因此短路电流非周期分量的衰减时间长，短路电流的暂态持续时间长。为保证在实际短路工作循环中电流互感器不致暂态饱和，系统保护及主变差动保护电流互感器均采用TPY级电流互感器。TPY级电流互感器在准确限值条件下最大峰值瞬时误差不超过10%，满足该工程要求。

（3）500 kV断路器操作回路。国内项目220 kV及以上电压等级继电保护设备普遍采用分相或三相操作箱作为控制回路的标准配置。但经过业主和咨询公司审查，他们坚持国外工程普遍认可和采用的方式，即保护出口回路、切换回路和监视回路通过继电器的搭接完成逻辑功能并设置专用的复归继电器，实现相应的功能。

（4）试验插拔开关的设置。国内项目对于保护柜的电流和电压输入，经过电流电压试验型端子排后接入保护装置的输入端，通过功能压板来实现保护功能的投退和跳闸出口的投退。对于该工程，业主和咨询公司坚持使用试验插拔开关装置，保护柜的电流和电压输入、保护跳闸出口、失灵启动等回路先经过试验插拔开关装置后接入保护装置，可对回路进行试验和插拔，取消了硬压板，这也是一种可借鉴的方法。

（5）GIS气室气压低的处理措施。GIS气压报警属于设备故障需要检修报警，信号发到监控系统，由运行人员根据故障情况通过监控系统远方跳开断路器，使故障间隔退出运行，此为国内工程一般做法。但业主和咨询公司坚持要求每个间隔断路器气室的Ⅱ级压力过低信号应引至相应的保护柜启动跳闸回路跳开断路器，并发信号到监控系统，其他气室和断路器气室的I级压力低信号发到监控系统。如果压力过低信号未能被运行人员掌握，则故障时断路器可能出现拒动等严重问题，这样修改可以避免上述问题。

（6）保护柜直流电源双回路供电。业主和咨询公司要求每面保护柜上的保护装置直流电源都采用双回路供电并能自动切换，这样虽然可靠性提高，但相比国内每套保护装置专用1回直流电源的要求，直流馈线柜的馈线回路数量大大增加，对直流馈线数量配置提出了更高的要求。

4 设计问题总结和分析

CCS电站的继电保护设计工作虽然得以顺利完成，但是仍存在一些问题，笔者对其进行了总结和分析。

（1）中西方设计理念的沟通和交流。因为CCS水电站合同要求设计规范采用美国和欧洲规范，设计标准引用和设计习惯问题一直是与外方业主、咨询公司联系最多的方面。中国水电行业发展迅速，在技术研究和工程实践上都走在世界前端，但外方不太了解和相信我们的工程经验，存在疑虑。因此，在设计过程中出现技术差异时，应举出工程实例，引用相关的国际国内规范作技术支撑，使业主相信我们的工程经验和技术实力，这样才能够达到良好的效果。

（2）设计成果的形式。CCS水电站工程按照国际标准和规范完成设计，设计成果的形式也满足外方业主、咨询公司和运行人员的使用习惯，控制电缆表包含的内容有电缆编号、电厂标识系统编码、型号、截面、耐压等级、信号回路电压、起点、终点、起终点设备位置、电缆芯数及每芯的功能、敷设路径、长度和参考图号。控制电缆的所有信息都集中在一张图纸上，与电缆相关的设备原理图、电缆桥架布置图以及外部相关的图纸均在交叉索引信息栏内标识。施工技术人员能够很快查找到电缆的各种信息，减少接线错误。对于电站运行人员遇到的设备问题查根溯源也有很大的帮助。

（3）发电机定子接地保护的选型。该工程定子接地保护采用传统配置形式：机端基波零序电压和发电机两侧的三次谐波电压比较法[2]，应考虑配置1套能实现100%保护范围的外加电源注入式接地保护，外加电源频率为20 Hz。注入式定子接地保护更适用于该工程采用的发电机中性点经配电变压器高阻接地的方式，国内最新的《水力发电厂继电保护设计规范》也推荐采用这种保护方式，这在今后的工作中要注意改进[4]。

（4）对发电机频率保护的重视。由于CCS水电站装机容量占厄瓜多尔全国总装机容量的1/3左右，因此在电力系统稳定性较差的环境中应加强对机组频率保护的重视，以保证系统频率维持在一个合理的范围内。当系统内发电侧与负荷侧有功功率供需失去平衡后，调速器的调节能力或调节速度的限制无法满足系统的需求时，发电机的双重频率保护会确保在电网事故过程中可靠地将发电机组解列。

（5）发电机出口电流互感器布置问题。现场设备安装时发现机端保护用电流互感器布置的问题，变压器差动保护用的TPY型电流互感器布置在电气制动短路刀闸的下方，靠近发电机侧，制动时需要闭锁变压器差动，对于带厂变分支的1#、8#机就存在问题。但现场变更将涉及封闭母线厂家重新设计、重新加工制造及运输问题，会耽误较长工期。采用的解决办法是：停机时短时退出主变差动保护，由继电保护厂家修改其内部程序，其他各项保护如非电量、后备保护等仍保持运行。设计过程中忽视了这个问题，要引以为戒。

5 结 语

CCS水电站工程规模大、技术复杂，为保证电站的安全可靠运行，主要设备的继电保护均按照双重冗余方案设计。电站于2016年11月全部8台机组投入商业发电。经过近4 a的运行实践，当电站发生内外部故障时，保护设备都能准确切除故障，保证了电站和电网安全运行。

参考文献：

[1] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2002：23.

[2] 张琦雪，王祥珩，王维俭.大型水轮发电机定子中性点高阻抗接地暂态分析[J].电网技术，2004，28（1）：30-33.

[3] 陆路，陈雨，邬祥宏，等.光纤差动保护在500 kV线路保护中的应用[J].江苏电机工程，2009，28（2）：52-54.

[4] 毕大强，王祥珩，余高旺，等.高准确度外加20 Hz 電源定子单相接地保护的研制[J].电力系统自动化，2004，28（16）：75-78.

【责任编辑 张华岩】