500kV亭子口水电站不全停扩建工程二次系统试验方案

李泳龙 方 圆 汪凤月 熊中浩 赵国亚

（1. 大唐水电科学技术研究院有限公司，成都 610073；2. 嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 广元 628400）

0 引言

水电站并网发电后长期进相运行会对水轮机组造成一定的损害。频繁低负荷进相运行，水轮机组振动大，容易造成水轮机过流部件的气蚀，转轮产生裂纹，不利于水轮机组安全稳定运行。为了避免水电站频繁进相运行来平衡线路充电功率，可以在水电站加装高压电抗器。

并联电抗器能削弱空载或轻载时长线路的电容效应所引起的工频电压升高，有效补偿线路充电功率，避免低谷时段过多容性无功流向变电站侧，有利于电网调压。由于亭子口水电站早期取消了高压电抗器的系统设计，而在实际运行过程中，电网又要求亭子口公司水轮发电机组频繁低负荷进相运行来平衡线路充电功率[1]。为此，亭子口电站需增设母线高压电抗器。

出于经济效益及确保区域电网电源可靠性的因素考虑，水电站往往采用不全停的方式进行扩建，而此方式下的试验安全风险大，技术复杂，需要对二次系统保护配置的情况进行全面考虑，对继电保护试验人员要求极高，稍有疏忽就容易引起在运设备的误动[2-3]。因此，研究出一套安全可控的不全停方式下的扩建试验方案尤为迫切。本文以亭子口水电站为例，介绍水电站在扩建工程试验方案中，继电保护二次系统需要重点研究的问题，提出因保护配置变化而需要拆除的回路连线，以及二次安全措施布置等调试工法，以期能切实指导各水电站圆满完成扩建。

1 扩建的方式

亭子口电站总装机容量为1 100MW，4台机组，发变组采用单元接线方式，两台机组并接入500kV侧，500kV出线一回，升压站500kV形成三角形接线[4]。此次扩建是在预留扩建段增加一组断路器，高压侧由三角形接线变为四角形接线，母线上电抗器出线与并联高压电抗器油气套管连接。新增间隔划分示意图如图1所示（点划线部分为新增设备）。

图1 新增间隔划分示意图

亭子口电站主接线存在“T区接线”形式，即线路/主变进出线的电压互感器（potential transformer, PT）接于两组断路器之间的情况，如图2所示。这种接线方式下，必须配置T区保护装置，保护配置的配合较为复杂[5]。新增电抗器及断路器时应充分考虑改造期间两台机组保持发电的安全性和经济性，并在保证试验安全的前提下进行安措布置。

图2 存在T区接线的电气主接线示意图

2 扩建实施方案

2.1 停电操作及带电范围

此次扩建计划将1、2号发变组停电，3、4号机组继续发电并通过5002断路器向电网供电，原三角形电气接线中的5001、5003断路器（5004断路器左右两侧）及1、2号机组，1、2号变压器配合停电。基于此分析，停电操作顺序为：①断开5003断路器；②断开5001断路器；③断开2号主变高压侧刀开关；④断开1号主变高压侧刀开关；⑤断开5001断路器T区侧刀开关；⑥断开5001断路器线路侧刀开关；⑦断开5003断路器3、4号主变侧刀开关；⑧断开5003断路器1、2号主变侧Ⅰ刀开关；⑨断开5003断路器1、2号主变侧Ⅱ刀开关；⑩合上5001断路器线路侧接地开关； ⑪合上1号主变高压侧T区侧接地开关；⑫合上2号主变高压侧T区侧接地开关；⑬合上5003断路器3、4号主变侧接地开关。按此顺序进行断电操作，可有效实现计划停电部分的断电，将其在一次设备上与带电设备部分完全隔离。

停电操作结束后，5001、5002、5003断路器不带电，1、2号机组停电。剩余站内的带电部分为：3、4号机组继续发电，经由5002断路器到线路间隔，以此方式向对侧线路输送电能。带电区域如图3所示（颜色较浅部分为带电设备）。

图3 带电区域示意图

2.2 保护配置分析

未新增电抗器、断路器间隔前亭子口全站主要保护配置包括：①发电机保护，4台机组每台分别配置；②主变保护和主变非电量保护，4台主变每台分别配置；③T区保护，1、2号主变与5001、5003断路器之间配置一套，3、4号主变与5002、5003断路器之间配置一套；④断路器保护，5001、5002、5003断路器分别配置；⑤短引线保护，5001、5002断路器与线路之间配置。

扩建后全站保护配置发生了变化，原保护配置之间的联系也相应有所改变，具体变化见表1。

表1 扩建后原保护配置变化情况

此次新增5004断路器和电抗器后，新增的保护配置包括5004断路器保护、电抗器保护、高压电抗器非电量保护、5003、5004断路器和电抗器之间增加T区保护。新增后的保护配置与其相关联的间隔见表2。

表2 扩建新增保护配置与其关联间隔

2.3 二次系统试验流程

由以上分析可以看出，扩建后保护装置之间的回路连线存在很多改动，调试单位需根据扩建后的设计重新检查回路，对相关联的保护需要重新调试，试验内容及流程包括：①拆除新增间隔后不用的电缆连线；②二次安措布置，断开停电需试验的设备与运行设备之间的回路连线；③二次回路检查；④保护装置单体试验；⑤分系统试验；⑥二次通流试验；⑦恢复安措，电流电压回路检查；⑧投运及带负荷测试。

二次系统试验流程如图4所示。停电后，新增的保护装置应按照二次系统试验流程逐一进行试验，发生变化的保护装置应着重检查回路间的变化关系，其中拆除扩建后原保护配置不再使用的电缆连线及二次安全措施的布置最为复杂，直接关系到整个保护系统试验过程的安全性及正确性，是试验方案的研究重点。

2.4 回路电缆的拆除

回路电缆的拆除意味着该段回路不再使用，在保护配置发生变化的情况下，若不拆除这些不再使用的回路，则会引起扩建后保护装置的误动，造成不必要的损失。

图4 二次系统试验流程

在5001断路器、5003断路器之间，新增5004断路器和电抗器后，发生变化的回路连线众多，其中不再使用的二次回路用途具体表现在：①1、2号主变T区保护采5003断路器电流；②1、2号主变T区保护跳5003断路器出口；③5003断路器失灵联跳1号发变组；④5003断路器失灵联跳2号发变组；⑤1、2号主变保护跳5003断路器出口；⑥1、2号主变非电量保护跳5003断路器出口。

5003断路器作为原接线方式中高压侧T区联络断路器，在三角形接线中与四台机组全部产生了联系，所以与其相关联的变化回路最多，需拆除的连线主要集中在5003断路器相关回路。扩建后需拆除回路如图5所示，“”表示需拆除的连线。扩建后不再使用的关联回路见表3。

图5 扩建后需拆除回路示意图

表3 扩建后不再使用的关联回路

2.5 二次安全措施的实施

新增5004断路器和电抗器后，除了需要将以上提到的回路连线拆除外，在试验进行前，还需要进行二次安措布置，断开需停电设备与运行设备之间的二次回路连线，确保试验不影响带电设备的正常运行。需要断开的回路连线具体包括：①5001断路器保护启线路保护远跳；②5001断路器保护失灵跳5002断路器；③短引线保护跳5002断路器；④5003断路器保护失灵跳5002断路器；⑤5003断路器保护跳3号发电机出口断路器；⑥5003断路器保护跳4号发电机出口断路器；⑦高压电抗器保护采线路电压；⑧高压电抗器保护采5004断路器、5003断路器电流；⑨高压电抗器T区保护采高压电抗器本体、5004断路器、5003断路器电流；⑩高压电抗器保护采高压电抗器首端、尾端电流。

其中第①～⑥条，一旦因没有断开而误发信号，会直接引起带电设备动作，有严重的安全风险。第⑦条如未断开，高压电抗器保护会采集53PT的电压，一方面会对保护单体试验加量产生影响，另一方面试验过程也会影响到53PT的一次电压。第⑧～⑩条，主要是高压电抗器T区保护的电流采样，高压电抗器保护的电流采样断开后方能使用继电保护测试仪对保护装置进行正确的加量校验。安全措施布置示意图如图6所示，“”表示需要断开的连线。二次安措实施回路见表4。

2.6 投运带负荷试验

按照要求，新安装的高压电抗器投入运行前，应在额定电压下做空载全电压冲击合闸试验[6]。投运前需确保电气二次电流电压回路已完成通电检查，继电保护和自动化回路已进行模拟试验，5004断路器保护、高压电抗器保护及高压电抗器T区、1、2号主变T区保护带断路器传动试验已验证了动作的正确性，所有的安全措施恢复到位。

表4 二次安措实施回路

图6 安全措施布置示意图

投运步骤说明：①先断开5002断路器；②5001转热备用，合上5001断路器，利用5001断路器对1、2号主变冲击受电，合闸后对500kV 51PT二次核相正确，在监控系统检查5001断路器采集到的同期回路电压数据，在5001断路器保护装置，核实1、2号主变上来自51PT的同期电压值并核相正确；③5002转热备用，合上5002断路器，利用5002断路器对3、4号主变冲击受电，合闸后对500kV 52PT二次核相正确，在监控系统检查5002断路器采集到的同期回路电压数据，在5002断路器保护装置，3、4号主变上核实来自51PT的同期电压值并核相正确；④5003转热备用，合上5003断路器，利用5003断路器对电抗器进行冲击受电试验，在电抗器冲击受电过程中，应检查1、2号主变保护装置的差流，5003断路器保护装置，电抗器T区保护装置电流电压采样及差流情况；⑤5004转热备用，合上5004断路器，对站内500kV系统合环运行；完毕后应检查电抗器T区保护装置差流正常，电流电压回路采样及差流正常，检查1、2号主变T区保护装置差流正常，3、4号主变T区保护装置差流正常，检查电抗器非电量保护装置无告警信号，主变保护装置差流正常，检查从51PT、52PT采得的交流电压和同期电压的相位和幅值保持一致，检查亭中线线路保护装置数据正常，与对侧数据交换正常，显示负荷潮流正常。

3 结论

综上所述，为了防止水电站扩建期间弃水及保障区域电网的稳定性，水电站的站内扩建工程一般采用不全停的方式，尽可能减少配合停电的间隔。由于一次设备的调整导致保护配置变化及二次回路变更，扩建过程中二次安全措施的布置与恢复是整个扩建工程的关键，直接影响站内带电设备的安全稳定运行，甚至影响区域电网的安全稳定。上述案例中升压站采用四角形接线方式，其二次系统保护配置复杂、二次回路繁多、变更间隔与原二次设备联系多，试验方案必须进行全面的考虑与验证。本文基于500kV水电站角形接线气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）设计特点及二次保护设备的配置情况进行分析，结合500kV水电站不全停扩建改造的调试经验，提出了500kV水电站不全停方式下新增电抗器、断路器的试验方案。通过500kV亭子口水电站不全停电方式下的扩建，证实了该方案安全性高、可靠性强，为今后水电站的扩建提供了一定的参考。