老挝南塔河1 号水电站高压限流熔断器组合保护装置与继电保护的配合设计

2021-04-23梁启东覃贵芳

装备制造技术 2021年12期

梁启东，覃贵芳，陈洋

（1.中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西南宁 530007；2.广西水利电力职业技术学院，广西南宁 530023；3.广西沿海铁路股份有限公司，广西钦州 535000）

0 引言

近年来，国内外新建大型水电站增速放缓，中小型水电站以其相对“短平快”的优势遍地开花，建设步伐加快。中小型电站与大型电站相比，规模小，投资少，但五脏俱全，特殊要求较多。对于中小型电站的用户而言，它们更多注重设备稳定、可靠，而不是过于强大、值得炫耀的装置。对设计院而言，既要针对各风格迥异的中小型电站提出有效、合理的设计方案，又要注意尽量控制成本。

为符合市场化思路，灵活适应不同规模、不同工程的要求，中小型水电工程以经济适用为设计理念。

老挝南塔河1 号（Nam Tha 1）水电站工程是由南方电网公司出资建设，老挝电力公司（EDL）参股的BOT 项目，中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司为设计单位。

本工程的高压限流熔断器组合保护装置（FU-R）与继电保护的配合方案，已在该工程中投入使用3年以上。本文主要介绍在厂用电分支采用高压限流熔断器组合保护装置时相关的继电保护如何配合的设计方案。

1 老挝南塔河1 号水电站基本情况

1.1 工程概况

老挝南塔河1 号水电站座落于老挝人民共和国的北部。电站为坝后式，坝址位于博胶省，距河口62 km。电站枢纽主要建筑物由混凝土面板堆石坝、溢洪道、发电引水系统、引水式发电厂房及进厂公路组成，属Ⅰ等工程。电站采用1 根压力钢管供3 台水轮发电机组的供水方式，主管为Y 型岔管，直径为8.20 m。电站厂房安装3 台混流式水轮发电机组，总装机容量为168 MW（3×56 MW）。

电站配置1 套计算机监控系统，按少人值班的要求设计。

1.2 主变高低压侧的接线形式及继电保护配置

以1 号主变压器为例，本工程的主变压器高压侧为115 kV，配置1 套115 kV 主变保护，含主保护、后备保护、非电量保护装置各1 套。低压侧：（1）发电机出口设1 台真空断路器，配置1 套发电机保护，含主保护、后备保护装置各1 套；（2）厂变、生活区变高压侧各配置1 台真空断路器，且均采用高压限流熔断器组合保护装置（FU-R），同时各配置1 套变压器测控保护装置。接线如图1 所示。

图1 老挝南塔河1 号水电站主变高低压侧的接线示意图

2 高压限流熔断器组合保护装置（FU-R）基本原理及优势

2.1 选择高压限流熔断器组合保护装置的原因

一般来说，如果厂用分支出现短路，只要继电保护装置动作，跳开厂用分支断路器即可。但短路情况不同，短路电流大小也不同。较为极端的情况下，当厂用分支出现短路，发电机、电网将作为两个强大的电源点向短路点提供电流，其短路电流很大，甚至超过发电机自身能提供的电流。为了应对这一情况，需要配置较高分断能力的厂用分支断路器，很可能与发电机出口断路器相同，或更大。有的大型水电站甚至采用SF6 断路器。而对于中小型电站来说，上述断路器造价高昂，而应对的仅仅是较为极端、出现概率极低的短路情况，大多数情况下厂用分支的短路电流较小，不需要如此高分断能力的断路器。因此，中小型水电站可以选择更为经济的高压限流熔断器组合保护装置+适中分断能力的断路器配合进行保护[1]。

2.2 高压限流熔断器组合保护装置的基本原理

高压限流熔断器组合保护装置（FU-R）主要由高压熔断器及非线性电阻组成。根据上述使用背景，可大致将厂用分支的短路电流分为大、小两种工况，以断路器分断能力作为分界：

（1）短路电流较小，低于断路器的分断能力，则只需要跳开断路器即可。

（2）短路电流较大，超过断路器的分断能力，此时断路器不应动作，以免损坏；同时应通过FU-R 中的熔断器熔断对故障回路进行保护。熔断器具有反时限特性，电流越大，熔断越快[2]。同时FU-R 中的非线性电阻起到限流作用。

（3）综上所述，断路器与FU-R 之间存在由谁优先切断短路电流的问题，也是需要解决的核心问题。

2.3 高压限流熔断器组合保护装置的优势

虽然在厂用分支出现大电流时会消耗1 个熔断器，但因其造价较低且易于更换，出现大电流短路故障的概率又极低，相比价格高的高分断能力的断路器，选择高压限流熔断器组合保护装置是一种较为经济的选择[3]。因此高压限流熔断器组合保护装置（FU-R）越来越广泛地应用于中小型水电站中。

2.应注意保持日粮组成的全价性，供给富含维生素B1的饲料。在大型饲养场，干饲料饲喂时，目前普遍采取补充维生素添加剂的方法。

3 高压限流熔断器组合保护装置（FU-R）与继电保护的配合方案

本工程厂用变压器保护以及主变压器保护（仅部分保护功能）动作都会发令给厂用分支断路器跳闸，而FU-R 不受继电保护装置的控制，因此断路器与FU-R 谁先切断故障电流的问题，实际上是继电保护装置与FU-R 的配合问题。

3.1 厂用变保护测控装置与FU-R 的配合方案

据了解，国内常见的几家继电保护厂家，其保护测控装置均有大电流闭锁功能。即可以给保护测控装置设定一个电流闭锁值，该值就是断路器的分断能力值。当保护测控装置检测到厂用分支的电流高于保护动作值且低于闭锁值时，保护动作，厂用分支断路器跳闸；当保护测控装置检测到厂用分支的电流高于保护动作值且高于闭锁值时，保护闭锁，只报警、不动作，即不发指令给厂用分支断路器跳闸，等待FU-R先熔断，切断故障电流。

该大电流闭锁功能足以解决厂用分支的保护测控装置与FU-R 的配合问题。

3.2 主变保护装置与FU-R 的配合方案

相比保护测控装置，主变保护往往缺少对支路的大电流闭锁功能。本工程采用“南瑞继保”的海外版主变保护装置，但厂家明确表示（当时的）主变保护装置没有大电流闭锁功能。据了解，国内几大继电保护品牌的主变保护装置也没有该功能。为了实现主变保护装置与FU-R 的配合，提出如下4 种方案：

（1）在主变保护装置中增加大电流闭锁功能。这在硬件上应该不存在困难，也不需要特殊的配置，但需要厂家修改保护装置的程序（软件），而保护装置的程序往往需要经过各种严格检验才正式投入使用，修改程序的办法虽然是最灵活的办法，却也可能会出现BUG。从安全及可靠性角度考虑，本工程放弃了修改保护程序的方案。

（2）主变保护动作时不跳厂用分支断路器。从原理上分析，厂用分支不是电源点，当主变范围内发生短路时，只要切断主变高压侧、发电机侧两个电源点即可切断所有短路电流。但厂用分支断路器作为主变低压侧的一台断路器，故障时不跳闸，不符合国标[4]及行标[5]中“跳主变各侧”的要求，且考虑到该项目建成后将由南方电网公司运营20 多年，应尽可能遵照中国标准。因此本工程未采用该方案。

（3）依靠时间配合。根据熔断器的资料复核，一个选型恰当的熔断器在出现大电流时的熔断时间应该在0.5 s 内，因此可以在主变保护的厂用分支跳闸出口设延时，比如1～2 s。通过时间配合，利用熔断器的反时限特性，理论上可以在出现大电流时让熔断器先熔断、断路器再跳闸。电流越大，熔断器熔断越快；电流较小，则熔断器熔断时间应远长于保护动作时间。目前不少电站主要采用该方案进行配合。

但该方案也存在过于理想化的问题。熔断器的实际熔断时间受到选型的影响，如选型略有偏差，则熔断器熔断时间可能更长。另外，随着时间的推移，熔断器的物理特性、断路器固有跳闸时间、微机型保护装置的性能都有可能发生微小的变化，进而造成原先设定的时间配合产生变化，如果时间差设置过短可能导致配合失误，如果时间差设置过长又达不到应有的继电保护效果。因此本工程未采用该方案。

（4）依靠硬接线闭锁。综合（2）和（3）的主要思路，我们发现主变保护动作时，厂用分支需要跳闸——可以跳闸但不急于瞬时跳闸。主变高压侧断路器、发电机出口断路器必须具备大电流分断能力，大电流时2台断路器可直接跳闸，而跳闸后实际已经切断了短路电流，此时厂用分支断路器再跳闸已无风险。即只要保证主变高压侧断路器、发电机出口断路器先跳闸，厂用分支断路器后跳闸即可。如果熔断器在此之前熔断，同样达到了断路器与FU-R 的配合目的。因此可在主变保护跳厂用分支断路器的硬接线回路中串入主变高压侧断路器、发电机出口断路器的分闸位置接点。同时为了防止跳闸命令提前消失，本工程要求“南瑞继保”将主变保护跳厂用分支断路器的出口脉宽调至最大（800 ms），且该发令时长不会导致厂用分支断路器的跳闸线圈损坏。

硬接线回路一直被视为比较可靠的控制回路，较为重要的回路一般都采用硬接线形式。因此本工程采用该方案。