某抽蓄電站機(jī)組保護(hù)裝置國產(chǎn)化改造分析

引言

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量1000MW,發(fā)電電動(dòng)機(jī)與變壓器組合方式為單元接線,每兩個(gè)機(jī)組一變壓器單元在主變500kV側(cè)組成聯(lián)合單元。機(jī)組保護(hù)由ABB公司提供,運(yùn)行時(shí)間超過13年,一方面保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了合理的改造年限,另一方面現(xiàn)運(yùn)行的保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)程規(guī)范及反措要求多有不符之處,因此,為了提高機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性,該抽水蓄能電站更換了4臺(tái)機(jī)組的保護(hù)裝置,采用南瑞繼保公司產(chǎn)品,經(jīng)過半年的運(yùn)行,未發(fā)生誤動(dòng)現(xiàn)象。ABB公司和南瑞繼保公司這兩種保護(hù)裝置有些功能在原理的應(yīng)用上存在較大的不同,為了能夠更深刻地理解兩者在某些功能上的區(qū)別,加快國產(chǎn)化改造后保護(hù)裝置的調(diào)試以及機(jī)組保護(hù)動(dòng)作后的故障分析速度,有必要針對(duì)兩者的差異進(jìn)行分析比較。

本文結(jié)合ABB公司REG216機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)和南瑞繼保公司RCS一985機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn),重點(diǎn)分析兩者在某些保護(hù)功能原理上的差異,針對(duì)發(fā)電機(jī)處于不同工況下的閉鎖邏輯進(jìn)行分析,可為其他抽水蓄能機(jī)組保護(hù)改造提供一些借鑒。

1原ABB保護(hù)存在的問題

依據(jù)國內(nèi)各規(guī)范要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合ABB機(jī)組保護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中的分析,原有保護(hù)在以下幾個(gè)方面存在一定的缺陷:

(1)原有機(jī)組保護(hù)僅部分保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)雙重化,多種保護(hù)功能為單套配置,包括機(jī)組失步保護(hù)、低功率保護(hù)、逆功率保護(hù)、過激磁保護(hù)等,原有保護(hù)未按照標(biāo)準(zhǔn)配置齊全的保護(hù)功能,如電流不平衡保護(hù)、誤上電保護(hù)。

(2)斷路器失靈保護(hù)所用電流互感器取自機(jī)端中心點(diǎn)側(cè),會(huì)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作后回路中仍有電流,且斷路器失靈保護(hù)的電流判據(jù)只采用相電流元件,缺少負(fù)序電流元件,易導(dǎo)致失靈保護(hù)誤動(dòng)。

(3)保護(hù)裝置從調(diào)試至今已運(yùn)行13年,該ABB產(chǎn)品為20世紀(jì)80年代產(chǎn)品,保護(hù)裝置無人機(jī)界面僅有板卡指示燈可觀測(cè),且該型號(hào)產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn),維護(hù)不便,尤其是最近兩年,曾發(fā)生定子注入式電源裝置故障、保護(hù)裝置輸出板卡損壞直接引起事故停機(jī)的情況。

鑒于以上問題,對(duì)該抽蓄電站進(jìn)行保護(hù)改造,選用南瑞繼保公司RCS一985系列機(jī)組保護(hù)裝置。

2兩種保護(hù)裝置的應(yīng)用分析

2.1發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)

ABB定子接地保護(hù)由100%定子接地保護(hù)和95%定子接地保護(hù)構(gòu)成,采用低頻信號(hào)注入的原理。100%接地保護(hù)是通過注入單元REx010和注入變壓器REx011(即中性點(diǎn)接地變壓器,二次側(cè)接串聯(lián)電阻RES、RPS),從變壓器二次側(cè)(電阻RPS)注入幅值為100V的12.5Hz低頻方波信號(hào)。發(fā)生接地故障時(shí),裝置利用從接地變二次側(cè)電阻RES反映回來的低頻位移電壓計(jì)算接地電阻,與定值比較決定是否動(dòng)作出口跳閘,保護(hù)裝置計(jì)算得到的接地電阻值就是實(shí)際的接地電阻數(shù)值。95%接地保護(hù)是通過計(jì)算定子接地時(shí)中性點(diǎn)出現(xiàn)的位移電壓來實(shí)現(xiàn)的,利用接地故障時(shí)從接地變二次側(cè)電阻RES反映回來的基波零序電壓與定值比較決定是否動(dòng)作出口跳閘。當(dāng)保護(hù)裝置計(jì)算出接地故障電流大于5A時(shí)自動(dòng)斷開注入信號(hào),以免注入單元受到高電壓損害,全部任務(wù)交由95%定子接地保護(hù)來處理。由于注入單元REx010使用直流220V作為工作電源,所以它在停機(jī)狀態(tài)下也能起到保護(hù)作用(圖1)。

南瑞繼保定子接地保護(hù)構(gòu)成(圖2)與ABB基本相同,只是注入的是20Hz交流電壓,當(dāng)定子繞組無接地或絕緣正常時(shí),流過定子繞組對(duì)地電流為電容電流,當(dāng)定子繞組對(duì)地絕緣受到破壞,出現(xiàn)接地現(xiàn)象時(shí),注入的電流將流過接地點(diǎn),出現(xiàn)電阻性電流。南瑞保護(hù)裝置RCS-985U定子接地保護(hù)輔助電源裝置檢測(cè)注入的低頻電壓、電流,可準(zhǔn)確計(jì)算出接地過渡電阻阻值,計(jì)算電阻阻值與定子接地故障位置無關(guān),可以直接反映發(fā)電機(jī)100%的定子繞組單相接地故障。南瑞繼保為該保護(hù)單獨(dú)配置獨(dú)立的輔助電源裝置。低頻電壓通過機(jī)組中性點(diǎn)接地變,注入到發(fā)電機(jī)定子上,供保護(hù)測(cè)量使用。在發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障時(shí),負(fù)載電阻回路上可能有較大的工頻電壓,帶通濾波器可阻止該工頻電壓對(duì)方波電源形成沖擊。

裝置輸出的低頻電壓加在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器負(fù)載電阻兩端,通過接地變將低頻信號(hào)注入到發(fā)電機(jī)定子繞組上。通常設(shè)置接地電阻判據(jù)反映發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組接地電阻的大小,實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中設(shè)兩段接地電阻定值,高定值段作用于報(bào)警,低定值段作用于延時(shí)跳閘,延時(shí)可分別整定[2]。原ABB保護(hù)注入式定子接地保護(hù)僅采用電阻判據(jù)作為跳閘判據(jù),南瑞繼保裝置增加了電流判據(jù),注入式定子接地保護(hù)中的零序電流判據(jù)采用與頻率無關(guān)的算法,在發(fā)電機(jī)低頻狀態(tài)時(shí)投入。同時(shí),當(dāng)機(jī)組處于背靠背主拖機(jī)工況時(shí),中性點(diǎn)接地變隔離閘刀根據(jù)機(jī)組順控設(shè)計(jì)會(huì)被拉開,此時(shí)被拖動(dòng)機(jī)組接地變隔離閘刀在合閘位置,保證背靠背運(yùn)行時(shí)電氣軸有一個(gè)接地點(diǎn),此時(shí)中性點(diǎn)零序電流約為0,可閉鎖注入式定子接地保護(hù)。

機(jī)組定子中性點(diǎn)接地方式及接地變壓器參數(shù)大小對(duì)于保護(hù)靈敏度具有重要影響,對(duì)于保護(hù)改造,不同裝置對(duì)該參數(shù)要求也不盡相同。該抽蓄電站發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變壓器高阻接地的運(yùn)行方式,在改造設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)原有接地變壓器二次電阻較小,只有0.2320,且定子繞組對(duì)地電容較大,而接地變壓器二次電阻的大小對(duì)于保護(hù)測(cè)量精度具有明顯影響。根據(jù)南瑞繼保工程設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn),只有在接地變壓器二次電阻大于10時(shí),其保護(hù)裝置測(cè)量精度才能滿足要求,因此該抽蓄電站采用了加裝隔離變壓器的方案,新增一個(gè)變比為150V/300V的隔離變壓器,提高分壓電阻,從而提高接入保護(hù)裝置的二次電阻,進(jìn)而提高保護(hù)裝置檢測(cè)靈敏度。

2.2發(fā)電機(jī)注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

ABB轉(zhuǎn)子接地保護(hù)通過REx010注入單元和分別連接在轉(zhuǎn)子繞組兩極的兩個(gè)電容以及兩個(gè)串聯(lián)電阻REr、RPr注入12.5Hz低頻方波信號(hào)。發(fā)生接地故障時(shí),裝置利用從電阻REr反映回來的低頻位移電壓計(jì)算接地電阻,與定值比較后決定是否動(dòng)作發(fā)信或跳機(jī),保護(hù)裝置計(jì)算得到的接地電阻值就是實(shí)際的接地電阻數(shù)值。該電站轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)定值設(shè)置兩段,高值作用于報(bào)警,低值作用于延時(shí)程序跳閘。

南瑞繼保的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子繞組的引出方式,選擇雙端注入式或單端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理,在轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)兩端(或負(fù)端)與大軸之間注入一個(gè)低頻方波電壓,實(shí)時(shí)求解轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地電阻,保護(hù)反映發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)大軸絕緣電阻的下降。注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)與運(yùn)行工況無關(guān),不經(jīng)任何工況閉鎖,該電站采用雙端注入,外加電源轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理,能夠測(cè)量一點(diǎn)接地位置。在發(fā)電機(jī)靜止不加勵(lì)磁電壓的情況下,保護(hù)也能檢測(cè)出接地電阻。

為使保護(hù)正常工作,南瑞繼保設(shè)有注入電源監(jiān)視功能,當(dāng)注入電壓小于80%正常工作電壓時(shí),瞬時(shí)閉鎖保護(hù)并延時(shí)告警。在實(shí)踐應(yīng)用中,南瑞繼保通過加裝霍爾電流互感器,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷線檢測(cè)功能,這一監(jiān)視功能是原有ABB保護(hù)不具備的。南瑞繼保注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)分壓電阻裝設(shè)在機(jī)組保護(hù)盤柜內(nèi),模擬量測(cè)量通過保護(hù)裝置單獨(dú)插件實(shí)現(xiàn),無須獨(dú)立裝置,且保護(hù)校驗(yàn)時(shí)模擬試驗(yàn)簡(jiǎn)單。

2.3發(fā)電機(jī)PT斷線檢測(cè)

ABB的PT斷線檢測(cè)功能只動(dòng)作于告警,它的動(dòng)作原理是從兩個(gè)電壓互感器采集電壓信號(hào),并通過計(jì)算獲取線電壓,比較兩個(gè)電壓互感器各線電壓幅值的關(guān)系,判定電壓互感器是否發(fā)生斷線。

南瑞繼保PT異常判別判據(jù)如下:(1)正序電壓小于18V,且任一相電流大于0V0.In:(2)負(fù)序電壓3U2大于8V。發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)端PT滿足以上任一條件,延時(shí)10S發(fā)相應(yīng)PT斷線報(bào)警信號(hào):異常消失,延時(shí)10S后信號(hào)自動(dòng)返回。在發(fā)電電動(dòng)機(jī)未并網(wǎng)前,PT斷線報(bào)警或閉鎖功能自動(dòng)退出。

兩者區(qū)別:改造前ABBPT斷線需檢測(cè)兩組PT電壓值進(jìn)行判斷,改造后南瑞繼保裝置僅接入一組機(jī)端PT即可。

3其他改進(jìn)的保護(hù)功能分析

抽水蓄能機(jī)組處于電氣制動(dòng)工況時(shí),發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓基本為0,發(fā)電機(jī)機(jī)端電流控制接近額定電流,電氣制動(dòng)末期機(jī)組三相電流的不平衡分量增加。原ABBREG216機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)未全面考慮電氣制動(dòng)過程對(duì)保護(hù)的影響,未配置電流不平衡保護(hù)。為了電氣制動(dòng)正常執(zhí)行,南瑞繼保配置了電流不平衡保護(hù),主要目的是當(dāng)電氣制動(dòng)開關(guān)端頭接觸不良時(shí),三相電流出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象,利用最大相電流與最小相電流比值構(gòu)成電流不平衡保護(hù)判斷原理,延時(shí)動(dòng)作于切斷電制動(dòng)勵(lì)磁電流,防止定子繞組電制動(dòng)開關(guān)的短接端頭接觸不良而燒毀。

抽水蓄能機(jī)組在水泵啟動(dòng)過程之始已加勵(lì)磁,且持續(xù)時(shí)間較長,需配置具有一定靈敏度的保護(hù)功能來反映機(jī)組相間故障和定子接地故障。但機(jī)組處于水泵啟動(dòng)過程中,需閉鎖可能誤動(dòng)的部分保護(hù)。ABB保護(hù)裝置保護(hù)功能的算法在額定頻率下進(jìn)行優(yōu)化,偏離額定頻率會(huì)產(chǎn)生另外的誤差。在頻率發(fā)生嚴(yán)重的偏離時(shí),可用頻率功能的輸出,閉鎖誤動(dòng)保護(hù)功能。南瑞繼保裝置針對(duì)水泵工況啟動(dòng)的過程增設(shè)低頻差動(dòng)保護(hù)、低頻過流保護(hù)、低頻定子接地保護(hù)、閉鎖常規(guī)差動(dòng)保護(hù)等,使水泵啟動(dòng)過程的保護(hù)更加完善。

原ABB保護(hù)裝置無誤上電保護(hù),考慮以下3種情況增設(shè)誤上電保護(hù):(1)發(fā)電電動(dòng)機(jī)盤車時(shí),未加勵(lì)磁,斷路器誤合,造成發(fā)電電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng):(2)發(fā)電電動(dòng)機(jī)啟停過程中,已加勵(lì)磁,但頻率低于定值,斷路器誤合:(3)發(fā)電電動(dòng)機(jī)啟停過程中,已加勵(lì)磁,但頻率大于定值,斷路器誤合或非同期等。誤上電保護(hù)在機(jī)組并網(wǎng)后,低頻、低壓元件和斷路器輔助接點(diǎn)判別條件均不滿足,自動(dòng)退出,當(dāng)機(jī)組處于黑啟動(dòng)工況時(shí)閉鎖。

原ABB保護(hù)裝設(shè)單元件橫差保護(hù),僅為簡(jiǎn)單的過流元件,且未按照實(shí)際不平衡電流整定,靈敏度低。改造后的保護(hù)裝置裝設(shè)了橫差保護(hù)靈敏段保護(hù),具有防外部短路時(shí)誤動(dòng)的技術(shù)措施(電流比例制動(dòng)),靈敏段的動(dòng)作電流只需按躲過發(fā)電電動(dòng)機(jī)正常變頻啟動(dòng)過程中的最大不平衡電流整定即可,電制動(dòng)工況下的匝間短路故障由高值段來應(yīng)對(duì)。

ABB保護(hù)裝置對(duì)于不同的工況狀態(tài),通過邏輯判斷,輸出相應(yīng)的開入量直接閉鎖或開放相應(yīng)的保護(hù)功能。南瑞繼保裝置亦是通過外部開入量直接閉鎖相應(yīng)保護(hù)功能。在特定工況下,某些保護(hù)功能不適用或可能導(dǎo)致誤動(dòng),需依據(jù)工況判別結(jié)果閉鎖相應(yīng)保護(hù)。ABB保護(hù)裝置和南瑞繼保裝置工況劃分簡(jiǎn)潔,閉鎖邏輯均可整定。綜合實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn),南瑞繼保裝置閉鎖邏輯考慮更加細(xì)致,原ABB小差保護(hù)在任何工況下均開放,南瑞繼保裝置單獨(dú)劃分低頻和工頻下的差動(dòng)保護(hù)。南瑞繼保裝置有開關(guān)與輔助接點(diǎn)位置異常判別邏輯,當(dāng)換相開關(guān)位置異常、被拖動(dòng)開關(guān)位置異常、機(jī)端斷路器位置異常、電制動(dòng)開關(guān)位置異常時(shí)均會(huì)發(fā)出報(bào)警。南瑞繼保裝置還配置了.個(gè)外部大功率重動(dòng)開入信號(hào)點(diǎn),解決了經(jīng)長電纜外部開入受干擾的問題。此外,南瑞繼保裝置在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理單元,分別為保護(hù)DSP板和啟動(dòng)DSP板,采用與門邏輯出口方式,任一板卡出現(xiàn)故障,裝置閉鎖并發(fā)出告警信息,杜絕了因硬件故障引起的保護(hù)誤動(dòng)現(xiàn)象,解決了硬件可靠性問題。

4結(jié)語

本次改造項(xiàng)目依據(jù)國內(nèi)規(guī)程規(guī)范和保護(hù)專業(yè)反措要求,改進(jìn)原有機(jī)組保護(hù)缺陷,改造通過優(yōu)化國產(chǎn)保護(hù)裝置,新增某些保護(hù)功能,極大地提高了機(jī)組保護(hù)性能。通過分析比較進(jìn)口和國產(chǎn)兩種保護(hù)應(yīng)用原理和功能的差異可知,隨著國產(chǎn)抽蓄機(jī)組保護(hù)的發(fā)展,國產(chǎn)保護(hù)設(shè)備無論在保護(hù)配置、開入開出量處理,還是狀態(tài)信號(hào)處理等方面都有明顯進(jìn)步,在確保抽水蓄能繼電保護(hù)可靠性、選擇性、靈敏性、速動(dòng)性的前提下,國產(chǎn)機(jī)組保護(hù)各參數(shù)設(shè)置靈活性優(yōu)于進(jìn)口保護(hù)裝置,同時(shí)保護(hù)裝置國產(chǎn)化以后,運(yùn)維成本和后期技術(shù)服務(wù)成本也大幅降低。