基于小型水电站继电保护动作时限配合引起的改造方案探讨

陈志仙

（福建安澜水利水电勘察设计院有限公司，福建 龙岩 364000）

小型水电站单机容量为1000～10000 kW的水轮发电机，针对发电机的短路事故和故障，作用于跳发电机出口断路器的保护，主要有纵联差动保护、复合电压启动的过电流保护以及过电压保护和失磁保护，其中纵联差动保护是反应发电机定子绕组及出线的故障，保护瞬时动作于跳发电机出口断路器及停机。现阶段采用的微机自并励发电机，在发电机及引出线上发生短路，根据短路电流的衰减特性，短路发生后经过半个周期，短路电流的瞬时值达到最大，短路电流持续1 s后就会有不同程度的下降，而后随着非周期分量的衰减，一般认为4 s后周期分量衰减而到稳态值，用单纯的过电流保护作为后备保护，灵敏度达不到要求，因此增加了短路点的负序电压和低电压判据来保障保护的准确动作，采用复合电压启动的过电流保护作为发电机断路器外部相间短路保护或者差动主保护因故拒动时的后备保护，同时作为相邻元件变压器、线路保护的远后备保护，延时跳发电机断路器。

采用复合电压启动过电流保护装置的电流整定和负序电压整定值在各种设计手册中均有明确的整定值整定计算，但其保护的时限整定在《电力工程电气设计手册（电气二次部分）》（能源部西北电路设计院编）［1］中没有说明，在《水电站机电设计手册（电气二次）》（水电站机电设计手册编写组）［2］中有一句话说明对时限整定的说明：“以较短的时限动作于缩小故障影响范围，以较长的时限动作于停机”，而在《小型水电站机电设计手册（电气二次）》（戴延年主编）［3］手册中有相对比较明显的说明。

从以上可以看出设计手册都没有对复合电压启动过电流保护给出一个较明确的整定时限计算指导，而在实际的小水电站中，发电机复合电压启动过电流保护的时间整定也是五花八门，各种时限整定的都有。

1 技改前存在的问题

闽西山区的引水式电站永定芦下坝水电站建于20世纪70年代，在增效扩容设计改造前，原装机容量为2×8750 kW，增效扩容后装机2×12500 kW，电站两回出线，一回110 kV线路与地调变电站联络，另一回近区35 kV出线是后期扩建直供乡镇35 kV变电站的企业负荷。原主接线如图1所示，受当时的设计理念和地形影响，前期建设没有考虑后期的扩建需求，后期扩建为了减少开挖方量、降低投资，近区变回路采用户外布置方式，经过户内的发电机母排搭接通过穿墙套管，架空跳线到布置在更高台阶、相对平坦的山头的柱上隔离开关、真空开关后经变压器升压后给35 kV近区馈线负荷。该电站处于山区多雷暴日区域，技改前多次出现该段跳线雷击电杆事件，绝缘子被击穿闪络放电，造成图1处d-1点的相间短路；另外电站还采用老式的GG（1A）-F高压开关柜，这种柜型是敞开式，发电机母线裸露在柜体上空，也曾经发生过小动物进入开关室短接母线引起火灾事件。这两种事故是电站多年运行中存在的较为严重的短路现象，技改必须着重解决。

图1 原主接线图

按照继电保护范围，上述d-1点和母线短路两种情况都属于发电机外部短路，发电机复合电压启动过电流保护装置应该动作，以较短的时限跳发电机出口断路器和变压器高压侧断路器，缩小故障范围，较长的时限动作于停机，无论跳发电机断路器还是停机，都将使厂用电消失。农村水电站线路的后备保护一般采用过电流保护，其保护装置时限按照选择性动作时限配合的原则，根据潮流的走向，电站的输电线路又与上一级送往负荷侧的线路的保护时限进行配合，经过这样一系列的时限级差的配合，在末端负荷侧的后备保护时限较短，靠近电站电源侧的线路后备保护动作时限就整定的较长。电站输电线路接入电网系统，电网公司按照上述的动作时限配合给定整定值。

根据以上原则，发电机的复合电压启动过电流保护实际上间接须要与线路的后备保护配合，永定芦下坝电站出线的保护后备保护装置经地方调度给定，过电流时限为6 s，变压器的后备保护又与线路的后备保护配合，经过一个级差后为6.5 s，而发电机的后备保护复合电压起动过电流保护同样也跟变压器的的后备保护的最大时限配合一个时限级差0.5 s，因此最后发电机的复合电压起动过电流保护时限7.0 s。这在《电力系统继电保护原理》（天津大学、贺家李、宋从矩编）［4］里也有说明类似发电机复合电力启动过电流保护以及负序过电流保护的动作时限应保证外部短路时动作的选择性，一般采用5～10 s。

在传统的发电机继电保护中，复合电压启动过电流保护作为发电机主保护的后备保护，很大意义上是保障差动主保护拒动时作为后备保护启动，随着微机继电保护装置的成熟利用，主保护拒动的概率很小。现阶段这种整定方式更大的意义，是本着动作选择性的原则，保证保护动作的选择性，保障电网供电的可靠性和连续性。因此无论作为发电机主保护的后备保护还是作为发电机外部相间短路的后备保护，在须要发电机复合电压启动过电流保护动作时，显然事故延续的时间较长。图1 d-1点的短路相当于母线短路，其短路电流与发电机端发生短路的短路电流大小基本一致，如果是不对称的雷击短路，定子负序电流所产生的负序旋转磁场对转子有2倍同步速的相对速度，将在转子励磁绕组、阻尼绕组、以及整个的转子表面感应电流，这些电流将会引起转子过热被烧毁的事故，发电机外部不对称短路除了产生较大幅值的短路电流，短路电流周期分量外还有非周期分量和负序两倍频率分量，这些分量长时间持续作用于机组，产生的交变电磁转矩作用在转子轴和定子基座上，会引起机组的振动，也会使定子绕组端部严重向外胀开弯曲，对发电机线圈端部固定结构破坏性也极大，容易留下隐患[5]。

芦下坝电站出现的雷击d-1点短路和母线短路，均处于发电机主保护差动保护范围外，须要后备保护复合电压启动过电流保护动作，根据整定时限，短路电流持续7.0 s后动作跳开断路器，切除故障点，短路电流持续时间较长，曾经出现过机组过热，绕组端部受到机械损坏松动，须要停电检修。

现代的发电机断路器制造水平的不断提高，固有分闸时间较短，以及微机继电保护装置根据输入电流电压算法的不断精准与完善，动作继电器的动作时限不断提高，整套继电保护装置自身的动作时间都力图缩短，以避免扩大事故后果。但是由于受如上的这种时限的配合，这些先进技术的设备和装置的优点没有体现出来。

因此，针对发电机的复合电压起动的过电流保护，本着从保护发电机组本体出发，作为发电机主保护的后备保护，其动作时间的整定，与主保护差动保护的动作时限进行配合对机组更有利；另一方面，从电网逐级保护的选择性动作来看，发电机的后备保护作为上一级元件的远后备保护，其整定时间必须配合电网线路的保护时间来整定，这个时间根据电网给定的时间配合级差，一般整定时间较长。

水电站中变压器是个大阻抗元件，变压器低压侧短路与变压器高压侧短路，发电机贡献的短路电流的大小差距很大，如果保护装置能够根据短路电流的大小识别短路故障点，在发电机外部变压器前发生短路时（如图1中d-1点），较大的短路电流情况下快速切除故障点，而在较小的短路电流情况下（如图中d-2点以外），作为上一级元件的远后备保护，根据保护的逐级选择性整定时间，以较大的时限来满足保护动作选型性要求。这种思路在现代的微机保护装置技术上，根据输入电流电压值进行算法分析，逻辑上是可以实现的。但是按照设计手册，复合电压启动的过电流保护是根据最大负荷电流整定，而实际上无论变压器前与变压器后发生短路，短路电流基本都大于正常的负荷电流。所以根据短路电流大小用两个时限来启动保护动作无法实施。

2 采用的技改方案

针对d-1点和母线发生短路的这两种情况，两种思路方式，一种是技改采取相应的措施，杜绝短路事故，另一种是即使发生该种短路情况，尽快把发电机从短路点切除出来，保护发电机。根据上面的思路，从尽可能减少短路事故的概率出发，显然原来的布置方式不妥，相当于把敞开式的发电机母线延长至户外，增加了事故的概率，技改时改造一次设备开关柜，结合原有的设备土建基础，把开关柜换成封闭式的XGN2-12型，把原来敞开式的母线布置在封闭的主母线室内，减少了外界因素短接母线的概率。原有的近区馈线回路户外布置方式，受雷电天气影响，成为事故的另一个因素，设计思路把该回路作为户内开关柜布置方式，可以有效地避免雷电冲击，但由于受原有高压开关室空间的影响，无法多布置一个回路的间隔。分析d-1点短路是在高处的电杆或导线上，使绝缘子闪络发生短路的情况较多，主要原因是该段线路绝缘水平低，技改增加该段跳线的绝缘子耐压水平，更换该段导线采用绝缘架空导线，把远处电杆的接地线延伸与主接地网连接，降低电阻。同时在近区变区域增加避雷针避雷措施，把雷击电杆概率尽量降低。原布置方式利用柱上开关内的电流互感器作为该回路的保护测量用电流互感器，布置于短路点d-1后面，无法反应故障点前面的电流，这使近区变馈线回路主保护失去保护作用，技改设计利用原有的布置特点，改造方案：把原发电机母线引出户外的穿墙套管更换为电流互感器。同时增加一组近区变的差动保护装置。把远处近区变柱上开关及刀闸移至引出线侧，使d-1点的短路在柱上开关后段。

改造布置参如图2所示，这样即使d-1发生短路，短路点发生在柱上开关后段，在近区出线主保护范围内，出线侧电流互感器和35 kV侧电流互感器检测到事故电流，差动保护瞬时动作跳开柱上开关，不须要发电机复合电压启动过电流保护装置启动后延时跳出口断路器以及停机，保障了厂用电的供电可靠性和发电机本体的安全，完成了继电保护动作的选择性。

图2 改造布置图

3 结束语

早期建设的农村水电站，受当时规划以及资金、观念的限制，存在着分期建设计不合理，枢纽布置没有统筹考虑，设备技术落后，布置空间局促等很多问题。因此，对于小型水电站的增效扩容技改中，不仅须要针对扩容进行设计，更须要针对电站多年运行中存在的问题和隐患进行分析，综合考虑电站设备的布置方式和保护配置，合理地在一次设备枢纽布置上和落后的技术设备进行全面地统筹考虑，消除电站外部环境和内部设备引起的事故隐患；灵活地配置各电气设备的继电保护装置，尽量保障发生在每个电气元件上的事故由主保护正确动作，避免事故时间延迟，保障水电站整体运行的安全性和可靠性。