陈 勇，李晓春
(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)
摘 要：结合乐昌峡水利枢纽电站主接线，针对电站继电保护系统的设计原则和系统结构，依次阐述了发电机、主变压器、母线、厂用变及管理区变的继电保护设计方案，对国内同等类型的水电站继电保护系统设计具有一定参考意义。
关键词：乐昌峡; 电站；继电保护；设计
乐昌峡水利枢纽工程位于广东省乐昌市境内，是一项以防洪、发电为主的综合性工程。乐昌峡水利枢纽电站位于枢纽大坝左侧山体内，为地下电站。电站装有3台单机容量为44 MW的立轴式水轮发电机组，总装机容量为132 MW，年利用小时数为 3 136 h[1]。电站接入系统电压等级为220 kV，归属广东省中调调度。
电站发电机额定电压为10.5 kV，其中1#机组与2#机组组成扩大单元接入10.5 kV Ⅰ段母线，3#发电机接入10.5 kV Ⅱ段母线；Ⅰ段母线与Ⅱ段母线各经2台10.5/0.4 kV干式变压器，为厂用负荷及管理区负荷供电，枢纽另设有一回外来电源作为厂用备用电源。电站设有2台220 kV/10.5 kV主变压器，容量分别为100 MVA和50 MVA，主变低压侧分别接入10.5 kVⅠ段和Ⅱ段母线，主变高压侧接入电站220 kV GIS设备。220 kV母线采用“两进一出”的单母线接线方式，出线由一回220 kV高压电缆经电缆洞接至大坝左侧地面开关站，再经单回架空输电线路接入廊田变电站220 kV侧母线。乐昌峡水利枢纽电站电气主接线示意见图1。
乐昌峡水利枢纽电站继电保护配置根据主接线形式按被保护对象设置，分别设有发电机/励磁变保护、主变压器保护、220 kV母线保护、220 kV线路保护(属电力系统配置)、厂用变压器保护及管理区变压器保护，保护装置全部采用数字式微机型继电保护产品。
图1 乐昌峡水利枢纽电站主接线示意
发电机保护、主变压器保护、220 kV母线及220 kV线路保护均独立组屏，厂用变压器及管理区变压器分别设置了1块厂用变压器保护屏及1块管理区变压器保护屏，电站所有保护屏均布置于地下厂房副厂房二次设备室。
根据规程规范，10 MW及以下发电机保护宜采用单套配置方式，主保护及后备保护采用相互独立的保护装置；220 kV及以下主变压器、母线及线路继电保护采用双重化配置(非电量保护除外)，双重化配置的每套保护装置均应能实现主变压器主保护及后备保护功能。各保护装置通过硬布线分别与电站监控系统对应的LCU屏柜连接，输出重要的保护动作信号和报警信号。
电站建立了继电保护管理信息系统网络，配置保护管理工作站，负责采集整个电站保护装置的保护和录波信息，建立实时数据库，负责对各保护装置进行管理。在工作站可查询各电气设备的保护状态、实时事件、历史事件、故障录波分析等数据[1]。根据电力系统二次防护的有关规定，在生产控制大区与管理信息大区之间必须设置经指定部门检测认证的电力专用的横向安全隔离装置[2]，继电保护管理信息系统网络方可接入枢纽计算机监控系统。乐昌峡水利枢纽电站继电保护系统系统结构如图2所示。
图2 乐昌峡水利枢纽电站继电保护系统结构示意
短路电流计算是继电保护整定和灵敏度校验的重要依据，根据系统提供的阻抗参数、各电气设备的阻抗标幺值计算，结合乐昌峡水利枢纽电站主接线图，电厂正序、负序阻抗图如图3～4所示。
图3 乐昌峡水利枢纽电站正序阻抗示意
图4 乐昌峡水利枢纽电站负序阻抗示意
根据实际工程，需要3个短路电流计算点，分别为220 kV母线(d1)，1#(2#)发电机出口处(d2)，3#发电机出口处(d3)。分别针对以上短路点，按照公式(1)、公式(2)进行大方式三相短路电流、小方式两相短路电流的计算，结果见表1。
大运行方式下，d点三相短路电流计算：
(1)
小运行方式下，d点两相短路电流计算：
(2)
表1 电站短路电流计算
大方式三相/小方式两相短路电流计算短路点短路点平均电压/kV基准电流/kA分支线名称分支线基准电流/kA分支线等值电抗标幺值本分支供短路电流值/kA本分支供相对于短路点电压等级的电流/kAd1点220kV 母线出口故障2300251系统02510046/0065456/36235456/36231#发电机54990558/04189855/110620495/05552#发电机54990558/04189855/110620495/05553#发电机54990558/05589855/83480495/0419短路点总电流(以220kV计算) 6942kAd2点1#主变低压侧、1#(2#)发电机机端、1#厂用变、1#生活变高压侧出口故障1055499系统02510197/02001274/108727914/238111#发电机54990278/027819781/1639321759/188432#发电机54990278/027819781/1639321759/188433#发电机54992395/06982296/67032526/7373短路点总电流(以10kV计算) 73958kAd3点2#主变低压侧、3#发电机机端、2#厂用变、2#生活变高压侧出口故障1055499系统02510376/03400668/063914625/140071#发电机54994557/06981207/67031328/73732#发电机54994557/06981207/68231328/75053#发电机54990278/027819781/1639321759/18032短路点总电流(以10kV计算) 3904kA
电站220 kV设备包括主变压器、母线等微机型保护装置按双重化配置(主变非电气量除外)，保护系统要保证2套发电机变压器组的微机型保护装置(包括出口跳闸回路)应完整、独立安装在各自的屏内，之间没有任何电气联系，当运行中的1套保护因异常需退出或检修时，应不影响另1套保护的正常运行。此外，每套保护装置均应配置完整的差动及后备保护，每套保护的交流电压和交流电流应分别取自电压互感器和电流互感器互相独立的绕组，其保护范围应交叉重迭，避免死区[3]。
电站发电机保护采用单套配置，但主保护、后备保护由独立的微机型保护装置完成；对于厂用变保护，其保护配置较为简单，则采用单套配置的一体保护装置。
4.1 发电机/励磁变继电保护配置
电站发电机装机容量为44 MW，额定电压等级为10.5 kV，中性点为每相2分支接线结构，接地方式为经配电变压器高阻抗接地。
根据相关规程规范，应对发电机定子绕组及其引出线相间短路、定子绕组匝间短路、定子绕组接地、发电机外部相间短路、定子绕组过电压、过负荷等各种故障及异常状态，配置相应的主保护及后备保护。
1) 发电机完全纵差保护(87 G)
主要反应发电机定子绕组相间(包括差动保护电流互感器范围内机端相间)故障的主保护。完全纵差保护采用发电机机端和中性点侧的相电流和，反应发电机内部各种相间短路故障。保护瞬时动作于解列、停机、跳灭磁开关。
差动保护作为发电机的主保护，具有分段制动的保护特性(如图5所示，其中纵轴为动作电流，横轴为制动电流)。
其中，差动启始动作电流整定值采用0.2Ie，差动速断动作整定值取6Ie，在第一制动段AB段中，制动系数Kr1=0.05，在第二制动段BC段中，制动系数Kr2=0.5。则可计算动作值为：
Idz.B=(4Ie/na-1Ie/na)×0.05+0.2Ie/na=0.269 A
(3)
(4)
其灵敏度校验按发电机未投入系统时机组两相短路来校验，查表1并换算成二次侧电流为：
(5)
根据发电机差动保护特性图5，其对应动作电流为：
(6)
灵敏度校验为：
Ksen=5.384/1.426=3.776>2
(7)
图5 发电机差动保护特性示意
2) 发电机单元件横差动保护(51 IT)
主要反应发电机内部匝间短路、也可反应相间短路及分支断线等故障。横差动保护判据取自发电机中性点连接线上的电流互感器。横差动保护分为高定值段和灵敏段，其定值可随机组功率浮动，同时保护装置应具备3次谐波滤过功能。保护瞬时动作于解列、停机、跳灭磁开关。
3) 发电机复合电压过电流保护(46/51/27 G)
主要作为发电机外部相间短路故障和主保护的后备保护。保护复合电压(包括负序电压和线电压)取自机端电压互感器，作为保护起动闭锁条件，电流取自中性点测相电流和。保护带有2段时限，以较短时限动作于发出信号和解列，以较长时间动作于停机、跳灭磁开关。
4) 发电机定子一点接地故障(64 S)
当发电机中性点采用经配电变有效接地方式时，应装设保护区为100%的定子单相接地保护。保护中性点侧判据取自发电机中性点侧高阻接地变1次侧基波零序电流，可保护由中性点向机端方向90%范围；机端判据，取自发电机机端基波零序电压，可保护由机端向中性点方向90%范围；以上2种判据的保护范围交叉共同构成100%定子接地保护[4]。100%定子接地保护瞬时动作于解列、停机、跳灭磁开关。
5) 转子一点接地保护(64 R)
主要反应发电机定子绕组的异常过电压，当转子发生一点接地故障时，虽然不会对发电机本体造成直接危害，但若再相继发生两点接地，则将严重威胁发电机安全。转子接地保护判据采用发电机转子电压，利用切换采样原理(乒乓式)，通过反映发电机转子对大轴绝缘电阻的下降来判断是否发生转子接地。保护延时动作于解列、停机、跳灭磁开关。
6) 定子过电压保护(59 G)
主要反应发电机定子绕组的异常过电压，判据取机端线电压。保护延时动作于解列、灭磁及发信号。
7) 定子过负荷保护(49 G)
主要反应对于定子绕组非直接冷却的发电机超过长期允许的出力，判据取发电机中性点和电流。延时动作于发信号。
8) 失磁保护(40 G)
保护反应发电机励磁电流异常下降或完全消失。用阻抗元件作为低励磁和失磁故障的主要判别元件，按凸极机静稳边界整定；以母线低电压元件监视母线电压；以励磁低电压元件作闭锁元件，该元件动作值应随发电机出力而浮动。保护延时动作于解列及发信号。
9) 励磁变压器过电流保护(51 ET)
作为励磁变范围内发生短路故障的主保护，保护取励磁变高压侧电流。保护延时动作于解列、停机、跳灭磁开关及发信号。
10) 励磁变压器过负荷保护(49 ET)
反应励磁变压器长时间超过额定负荷的工作状态，判据取励磁变高压侧电流。保护延时动作于发信号。
11) CT/PT断线保护(95/96)
包括电流互感器断线保护及电压互感器断线保护。保护动作于发信号，并根据需要闭锁相应的保护开出。
发电机/励磁变继电保护系统配置示意见图6。
图6 发电机/励磁变继电保护配置示意
4.2 主变压器保护配置
乐昌峡水利枢纽电站2台主变压器接线方式为YN，d11，系统选择其中1台主变压器中性点有效接地。虽然容量有所不同，但电站2台主变压器的继电保护配置是基本相同的。
根据规程规范要求，220 kV电压等级电气元器件保护(非电量保护除外)应遵循双重化配置原则。双套保护装置功能完全独立，其中1套保护因异常需要退出或需要检修时，不影响另1套保护的正常运行。双重化配置电气量保护装置无任何电气联系，每套保护装置的可交流电流、交流电压分别取自电流互感器和电压互感器的互相独立的2次日绕组，其保护范围应交叉重叠，避免死区，2套电气量保护装置及非电量保护装置的出口跳闸回路均同时作用于断路器的2个跳闸线圈(见图7)[5]。
1) 主变压器差动保护(87 T)
反应主变压器内部绕组及其引出线相间短路故障，作为主变压器的电气主保护，判据取主变压器高低压侧电流差动回路(经变比换算后)。保护动作于跳开主变压器两侧断路器及发信号，主变压器差动保护的整定及校验计算与发电机类似。
图7 主变压器继电保护配置示意
2) 主变压器零序电流保护(51 TN)
反应当主变压器通过中性点接地刀闸直接接地运行时，220 kV系统发生接地故障，在主变压器中性点的过电流，判据取主变压器中性点零序电流。保护动作于跳主变压器两侧断路器及发信号。
3) 主变压器间隙保护(51/59 TN)
保护反应当主变压器中性点接地刀闸断开以非有效接地方式运行时，220 kV系统发生接地故障，考虑到中性点间隙击穿时，不接地零序电流和零序电压的交替出现，保护判据同时取间隙零序电流及主变压器高压侧零序电压并可并行开出，使得保护更加可靠，该保护需要经过主变压器中性点接地刀闸位置接点闭锁。保护动作于跳开变压器两侧断路器及发信号。
4) 主变压器复压闭锁过流保护(46/51/27 T)
主要反应主变压器外部短路故障，作为主变压器及其相邻元件的后备保护，判据取主变压器高压侧电流并经高压侧复合电压(负序电压高或线电压低)闭锁，也可选择同时经低压侧复合电压闭锁以提高灵敏度。保护延时动作于跳开主变压器两侧各断路器并发信号，也可根据与系统保护的时限配合，设置多段定值以扩大保护范围。
5) 主变压器过负荷保护(49 T)
保护反应在实际运行中出现的长期荷载过大造成主变压器绝缘加速老化的现象，保护判据取高压侧电流。延时动作于发信号，并可结合主变压器现地控制系统启动或加大冷却。
6) 变压器低压侧为非有效接地系统(64 T)
保护反应主变压器低压侧包括10.5 kV母线段及与其有电气联系的非有效接地部分的单相接地故障，保护判据取10.5 kV母线剩余绕组零序电压。保护延时动作于信号。
7) 非电量保护
主变压器非电量保护为单套配置，对于主变压器内部故障，应配置瓦斯保护。瓦斯保护分为重瓦斯保护和轻瓦斯保护，当变压器壳内故障，由于绝缘油分解排出大量气体，使变压器油面急剧降低时，重瓦斯保护动作，跳开主变压器两侧断路器；当变压器内部故障不甚严重时，轻瓦斯保护动作，发出故障信号。此外，变压器还需配置其他非电量保护，如为反映变压器温升，配置变压器本体温度保护；为反映变压器油箱内压力，配置压力释放保护等。
4.3 母差保护及断路器失灵保护
220 kV母线保护配置应遵循双重化配置原则，2套保护装置的工作电源、跳出出口、信号回路等均完全独立，且安装在不同的保护屏中(见图8)。
1) 母线差动保护(87 B)
母线差动保护反应母线及与其有电气联系的支路部分单元的短路故障，保护取所有与母线有电气联系的支路电流构成差动回路，保护瞬时动作于跳开所有与母线直接相连接的断路器。
图8 220 kV母差保护保护配置示意
2) 断路器失灵保护
当输电线路、母线、主变压器或其他电气设备保护装置动作并发出了跳闸指令，但相应的断路器因各种原因拒绝动作，称之为断路器失灵，断路器失灵会造成主设备损坏、停电范围扩大等严重后果[2]。因此，对本电站包括1TMQF、2 TMQF及1YXQF在内的所有220 kV断路器配置断路器失灵保护。从动作逻辑区分，断路器失灵保护由失灵启动及失灵开出组成。失灵启动由各对应保护装置保护跳闸动作于该断路器的同时，开出启动开关量至220 kV母差保护装置失灵开入回路，同时为避免失灵开出出口继电器误动作或由于操作人员误操作，失灵保护开出的同时还需要开出解除复压闭锁接点。失灵开出则由母差保护装置对相应失灵启动回路的电流量及220 kV母线电压量进行判断，满足条件时经延时后开出，按整定跳开各断路器。失灵保护连跳主变压器低压侧所有断路器是通过母差保护失灵开出至主变非电量保护装置，将其作为一个跳闸非电量开入量来实现。以线路保护装置A跳线路分相断路器1YXQF为例，失灵启动及开出逻辑回路示意如图9所示。
图9 线路断路器1YXQF失灵保护动作逻辑示意
4.4 厂用/管理区变压器保护配置
厂用变压器/管理区变压器均为干式变压器，变比为10.5/0.4 kV，D，Yn接线，容量为 1 250 kVA。在厂用变压器/管理区变压器高压侧发生短路时，因为电压较低的缘故，流过变压器断高压侧断路器的短路电流极大，若采用断路器切除需要非常大的开断能力，在经济性上不划算。因此，乐昌峡水利枢纽电站在所有10.5 kV变压器高压侧配置了高压限流熔断器，通过参数配置可在极短的时间内通过熔断来断开事故回路，故厂用变压器/管理区变压器没有配置电流速断保护。
1) 过电流保护(51TS)
延时动作于跳开低压联络断路器，再延时跳开变压器高低压侧断路器。
2) 过负荷保护(49 TS)
反应变压器在不允许长期工作的状态下工作，判据取变压器高压侧电流。保护延时动作于发出告警信号。
3) 温度保护(T°)
反应变压器温度超过允许长时间工作设定值。保护动作于延时发出告警信号。
目前，乐昌峡水利枢纽电站3台机组已全部并入电网运行数年，继电保护系统经调试后运行至今情况良好。在试运行期间曾发生过1次主变低压侧隔离开关闪络故障，继电保护系统按设计有效、正确动作，避免了事故的扩大化，证明本工程继电保护系统设计满足可靠、选择、速动、灵敏的基本要求。
本文以乐昌峡水利枢纽地下电站主接线结构为基础，介绍了电站继电保护系统网络结构，并详细论述了发电机、主变压器、220 kV母线、厂用变、管理区变的继电保护配置，本文对于国内同类型水电站的继电保护系统工程设计具有一定程度的参考意义。
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[4] 张保会，尹项根. 电力系统继电保护[M]. 北京：中国电力出版社，2009：207-208．
[5] 陶守元，邓鹏. 亭子口水利枢纽电站继电保护系统设计[J]. 水利发电，2013，39(6):44-48．
(本文责任编辑 王瑞兰)
CHEN Yong, LI Xiaochun
(Guangdong Hydropower Planning&Design Institute, Guangzhou 510635, China)
Abstract：The main wiring of Lechangxia Hydropower Station is briefly discussed, then the design principle and system structure of the relay protection system for power plant is introduced, and the detailed design of generators, main transformers and plant power transformers are introduced one by one. It has some reference value for the design of relay protection system of the same type of hydropower stations.
Keywords：Lechangxia; hydropower station; relay protection; design
收稿日期：2017-03-06;
修回日期：2017-03-24 作者简介：陈勇(1985)，男，硕士，工程师，从事水利水电工程电气二次设计工作。
中图分类号：TM774
文献标识码：B
文章编号：1008-0112(2017)006-0048-07
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