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水布埡水電站發(fā)變組保護(hù)的應(yīng)用及改進(jìn)

文檔作者：王田，萬亞濤文檔來源：湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年11月02日
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2011年第5期
20Il Number 5
水電與新能源
HYDROPOWER AND NEW ENERGY
總第97期
Total No．97
文章編號：1671—3354(2011)05—0021一05
水布埡水電站發(fā)變組保護(hù)的應(yīng)用及改進(jìn)
王田，萬亞濤
(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北宜昌443000)
摘要：介紹了清江水布埡水電站發(fā)變組保護(hù)的配置、功能及特點，并著重介紹了電站發(fā)變組保護(hù)為適應(yīng)現(xiàn)場設(shè)備運行狀
態(tài)所采取的應(yīng)對措施。隨著技改方案的具體落實，電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運行得到有力的保證。
關(guān)鍵詞：大型水輪發(fā)電機(jī)；發(fā)變組保護(hù)；繼電保護(hù)；功能
中圖分類號：TM64；TM77 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
The Application and Improvement of Generator-Transformer Protection
at Shuibuya Hydropower Station
WANG Tian，WAN Yatao
(Hubei Qingjiang Hydropower Development Co．，Ltd．，Yiehang 443000，China)
Abstract：This paper introduces disposition，function and features of the generator-transformer protection at Shuibuya
Hydropower Station．It also deals with the corresponding measures taken when the generator-transformer protection adapts
to the situations of the equipment functioning on site．With the technical transformation implemented，the safety
and stability of generator functioning will be made sure of．
Key words：large—scale hydrogenerator；generator-transformer protection；relay protection；function
1 概述
水布埡水電站位于湖北省巴東縣境內(nèi)，是清江流
域三級梯級開發(fā)中最上一級水電站。電站總裝機(jī)容量
4×460 MW，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻的重要作用。
電站采用500 kV一級電壓接入系統(tǒng)，出線2回，
送至約5 km處的500 kV開關(guān)站。發(fā)電機(jī)和變壓器的
組合方式為單元接線，在變壓器高壓側(cè)裝設(shè)500 kV斷
路器，2、3號發(fā)電機(jī)機(jī)端設(shè)有發(fā)電機(jī)出口斷路器
(GCB)，兩組單元接線組成聯(lián)合單元接線，并在兩組
聯(lián)合單元接線之間設(shè)連接跨條(跨條上裝2組隔離開
關(guān))。電氣主接線見圖1。
2保護(hù)組屏及配置
發(fā)變組保護(hù)裝置為奧地利維奧機(jī)電設(shè)備有限公司
生產(chǎn)制造的緊湊型數(shù)字保護(hù)繼電器DRS—COMPACT2
(Digital Relay System)，及多功能保護(hù)數(shù)字繼電器
500 k
●
5
500 kv水漁II叫線500 kV水漁I回線
Il母
圖1 電站電氣主接線簡圖
DRS—LIGHT。
根據(jù)水布埡電廠的一次系統(tǒng)構(gòu)成，遵照《電力系
統(tǒng)設(shè)計規(guī)程》和最新反措《“防止電力生產(chǎn)事故的二十
收稿日期：2011—04—22
作者簡介：王田，男。工程師，從事水電工程項目建設(shè)技術(shù)管理工作。
2l
萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源2011年第5期
五項重點要求”繼電保護(hù)實施細(xì)則》的要求，每臺發(fā)變
組(含高壓廠用變壓器和勵磁變壓器)按雙重化原則
配置保護(hù)。
整個發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)配置共分三塊盤柜(分
別命名A柜、B柜、C柜)，如圖2所示。其中A柜、B
柜為電氣量保護(hù)盤，各配置一套基本相同主保護(hù)和后
備保護(hù)，C柜為非電氣量保護(hù)盤。
段孌糾侏護(hù)A扣
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圖2保護(hù)屏配置示意圖
安裝在盤柜上的保護(hù)數(shù)字繼電器順序編號：
SGll一SG20。
因為A柜100％定子接地保護(hù)采用外加20Hz電
源注入式，所以A柜需安裝20 Hz諧波發(fā)生器(西門
子7XT33)及濾波器(西門子7XT34)。由于SGl5僅
負(fù)責(zé)20 Hz電源注人式100％定子接地保護(hù)的測量、計
算、判斷，為節(jié)約成本，而采用僅為DRS—COMPACT2
1／2價格的DRS—LIGHT。
由于A、B柜同時配置的原理為采用外加低頻信
號法的勵磁繞組一點接地保護(hù)，兩套同時投入會相互
干擾．因此在A柜裝有一切換開關(guān)用于控制投入兩套
保護(hù)中的任意一套。
非電量保護(hù)由中間繼電器和信號繼電器實
現(xiàn)”。5，動作出口同時作用于兩個跳閘線圈。由于重
瓦斯、冷卻器全停等非電量信號只有一個，為提高非電
量保護(hù)的可靠性，在非電量保護(hù)控制電源中設(shè)計了雙
電源切換回路。
水布埡電廠配備了繼電保護(hù)故障及信息管理系
統(tǒng)，可遠(yuǎn)程讀取繼電保護(hù)設(shè)備的啟動、動作信息。水布
埡電廠為地下式廠房，發(fā)變組保護(hù)所在的發(fā)電機(jī)層與
繼電保護(hù)故障及信息管理系統(tǒng)相距400余m，為減小
二者之間連線的干擾而采用光纖連接。先將每臺機(jī)組
發(fā)變組保護(hù)SGI 1一SG2．0共計10個模塊分別用光纖
尾纖連接至安裝在C柜的專用通信模塊，再通過專用
22
光纖連接至信息管理系統(tǒng)。
每套保護(hù)裝置的交流電流、交流電壓分別取自電
流互感器和電壓互感器互相獨立的二次繞組，其保護(hù)
范圍應(yīng)交叉重疊，避免死區(qū)。兩套完整的電氣量保護(hù)
和非電氣量保護(hù)的跳閘回路同時作用于斷路器的兩個
跳閘線圈。
3保護(hù)繼電器性能
3．1 DRS—COMPACT2
緊湊式數(shù)字繼電器系統(tǒng)(DRS—COMPACT2)適用
于各種類型的發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)變壓器組及變電站變壓
器的保護(hù)。
DRS—c0MPAc億保護(hù)裝置為一個集成式的機(jī)
箱，包括了所有的外圍設(shè)備，諸如開關(guān)量輸入板(光電
隔離板)、中央處理器板、報警及跳閘模板、模擬量輸
人處理板、直流逆變電源板、液晶顯示面板、信號燈標(biāo)
簽板等。該保護(hù)系統(tǒng)軟件與硬件具有自動檢測功能、
連續(xù)監(jiān)視功能、容錯功能和動作記錄存儲功能。某一
子系統(tǒng)的部分軟件或硬件故障均不影響該系統(tǒng)其他部
分的正常工作。
保護(hù)面板上配有LED信號燈，用以指示不同的故
障信息。信號燈分紅黃兩列，其含義可由用戶通過軟
件矩陣自由定義，一般紅色用來指示跳閘信息，黃色用
來指示報警信息。
DRS—COMPACT2保護(hù)裝置配有三個串行通訊
口，如圖3所示。第一個通訊口用于連接就地的Pc
機(jī)，該Pc機(jī)主要用來對保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化、定值修
改、狀態(tài)監(jiān)視、調(diào)試維護(hù)、故障分析等。第二個通訊口
用以實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊，通訊規(guī)約為
IEc608705103。第三個通訊口用于與DRS—COM的
通訊。DRS—COM是一種通訊裝置，通過該裝置和
Modem，可實現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)信息的遠(yuǎn)傳。
f1 -t RS232
8
疊
羔
8 -d RS485
文
蓉—{sT光纖
圖3 DRS—COMPACT的通訊
輸入、輸出設(shè)計完善：同時提供10個電流輸入、5
個電壓輸入和可選特殊輸入如轉(zhuǎn)子接地、軸電流及變
萬方數(shù)據(jù)
王田．等：水布埡水電站發(fā)變組保護(hù)的應(yīng)用及改進(jìn)2011年9月
送器。24個可編程輸出接點，可滿足不同用戶的
需要。
DRS—COMPACT的故障記錄功能可記錄最多達(dá)
256個事件，5次255周波的波形，并可通過專用軟件
DRS—win對其進(jìn)行顯示、分析、打印。
3．2 DRS—LIGHT
數(shù)字繼電器DRS—LIGHT是DRS系列產(chǎn)品中的
一個多功能保護(hù)繼電器，適用于饋線、電機(jī)、小型變壓
器、小型發(fā)電機(jī)等的保護(hù)，也可用作其他保護(hù)的后備
保護(hù)。
可通過一個19”機(jī)架安裝在保護(hù)屏上，高6 w寬
21 U，可盤面嵌人式安裝或盤面安裝。
DRS—LIGHT可提供4路電流、4路電壓模擬量
輸入，4路開關(guān)量輸入，4路開關(guān)量輸出2路跳閘、2路
告警。
跳閘或報警輸出以及盤上各種信號燈的指示，均
可由用戶通過軟件DRS—WIN矩陣自由定義。
廠家為DRS系列繼電保護(hù)裝置提供了PC機(jī)操作
軟件DRS—win，定值的修改、跳閘輸出邏輯的修改都
很方便，在運行中還可以實時監(jiān)測保護(hù)裝置的輸入、輸
出和報警情況，極大地方便了繼電保護(hù)工作人員的
工作。．一
保護(hù)裝置在下列情況下不會誤動：電壓互感器二
次回路開路；發(fā)電機(jī)啟動過程和停機(jī)過程；直流電源投
切操作；直流回路一點接地；保護(hù)裝置元件故障。
4保護(hù)功能簡介
4．1發(fā)電機(jī)差動
由于水布埡電廠發(fā)電機(jī)每相有5個分支，第1、2
分支為“第1分支組”，第3分支為“第2個分支組”，
第4、5分支為“第3分支組”，所以發(fā)電機(jī)定子繞組主
保護(hù)由發(fā)電機(jī)縱差、不完全裂相橫差、不完全縱差保護(hù)
組成。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及差動保護(hù)配置簡圖如圖4所示。
機(jī)端電流互感器TAal、TAbl、TAel變比為
20000／1，中性點側(cè)第1、3分支組電流互感器TAa2、
TAa4、TAb2、TAb4、TAe2、TAc4變比為8000／I，中性點
側(cè)第2分支組電流互感器TAa3、TAb3、TAc3變比為
4000／1。
差動動作特性為三折線比例制動。比例制動曲線
的拐點及第一段斜率根據(jù)差動保護(hù)功能型號不同為默
圖4發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及差動保護(hù)配置簡固
認(rèn)固定值，該折線的最后一段折線斜率為可以整定部
分。差動電流的二次諧波分量(或五次諧波分量)和
基波分量之比超過了定值，將閉鎖跳閘，這樣可以避免
變壓器空載投切時差動保護(hù)誤動作，但是如果差動電
流超過高電流整定值，則無論二次或五次諧波值多大．
都不制動差動保護(hù)。
測量值逐相將兩側(cè)電流相加形成差動電流，測量
值逐相將兩側(cè)電流絕對值相加得到制動電流。保護(hù)內(nèi)
部有CT平衡系數(shù)供調(diào)試人員現(xiàn)場整定，能夠補償由
于CT變比引起的不平衡電流。
發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)：采集發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點側(cè)每
相電流，它能反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組各種相間(包括機(jī)
端相間)短路故障。
發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)：保護(hù)采集發(fā)電機(jī)端全電
流和發(fā)電機(jī)中性點側(cè)第3分支電流，反應(yīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部
匝間短路、相問短路及分支斷線故障。
不完全裂相橫差保護(hù)(87GUP)：保護(hù)采集發(fā)電機(jī)
中性點側(cè)每相二組即1、2分支和4、5分支的電流，能
反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子相間短路故障、定子匝間短路故障及
分支斷線故障。
4．2失磁保護(hù)
在A、B柜均配有失磁保護(hù)，為提高保護(hù)的可靠
性，失磁保護(hù)A套采用異步阻抗原理，B套采用功角
原理。
(1)失磁保護(hù)功角原理。失磁保護(hù)用于同步發(fā)電
機(jī)和同步電動機(jī)的勵磁系統(tǒng)故障，可以防止設(shè)備損壞
和系統(tǒng)功率振蕩。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度0和勵磁電流h
作為跳閘判據(jù)：轉(zhuǎn)子角度0超過定值失磁保護(hù)將起動，
23
萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源2011年第5期
經(jīng)過設(shè)定好的時間后跳閘。
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度0可通過發(fā)電機(jī)電流lgen和發(fā)
電機(jī)電壓Vgen用圖5簡化向量圖計算?？偟霓D(zhuǎn)子角0
是“并網(wǎng)發(fā)電機(jī)電勢EMF”與“系統(tǒng)電壓Vsystem”之間
的角度差，它決定了實際運行中發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定極限。
可以由內(nèi)轉(zhuǎn)子角和外轉(zhuǎn)子角相加得到。外轉(zhuǎn)子角由系
統(tǒng)電抗Xn決定，內(nèi)轉(zhuǎn)子角由Xq發(fā)電機(jī)同步電抗
決定。
圖5發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度0簡化向量圖
(2)失磁保護(hù)阻抗原理。失磁保護(hù)阻抗原理以異
步阻抗圓元件和勵磁低電流作判據(jù)檢測發(fā)電機(jī)失磁。
發(fā)電機(jī)失磁后，由于有功功率維持不變而無功功率由
送出向吸收變化，故機(jī)端測量阻抗一定由第l象限向
第4象限變化，發(fā)電機(jī)失步后便進(jìn)入異步阻抗圓內(nèi)，因
此用異步邊界阻抗元件可以檢查發(fā)電機(jī)失磁運行，如
圖6所示。
圖6異步阻抗圓原理示意圖
注：以為發(fā)電機(jī)同步電抗；x：為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗。
當(dāng)保護(hù)機(jī)端測量阻抗落入異步阻抗圓內(nèi)時，保護(hù)
動作。為避免保護(hù)在系統(tǒng)振蕩等情況下誤動作，引入
勵磁電流作為輔助判據(jù)。
4．3失步保護(hù)
發(fā)電機(jī)的失步保護(hù)采用的是遮擋器原理，通過測
量發(fā)電機(jī)機(jī)端阻抗穿過預(yù)先設(shè)定的阻抗區(qū)域的軌跡并
計算穿越整個區(qū)域的時間和次數(shù)來檢測是否失步。
失步保護(hù)取一個偏移阻抗圓，內(nèi)角為6的兩條平
行于綜合阻抗的直線為一組遮擋器，從而取得三個阻
24
抗區(qū)域。當(dāng)測量阻抗依次穿越“R1右側(cè)_Rl_+(R1一
舵)一砣一股左側(cè)”這五個區(qū)域并滿足停留時間設(shè)置
要求時，被認(rèn)為是一次有效的滑極次數(shù)計數(shù)。計數(shù)達(dá)
到整定值，保護(hù)動作出口于信號或跳閘，如圖7所示。
呀越啦靴量一
％∥一
圖7 ELIN失步保護(hù)特性圖
4．4勵磁繞組一點接地保護(hù)
本保護(hù)與轉(zhuǎn)子直接相接，監(jiān)視范圍不僅是轉(zhuǎn)子回
路，還包括與之相連的勵磁系統(tǒng)。通過UAKB模塊，
一個約50 V的低頻電壓加于轉(zhuǎn)子回路來檢測轉(zhuǎn)子絕
緣狀況。該模塊的輸出為一個近似直流電壓量，通過
兩個47 K電阻耦合到勵磁回路來測量對地絕緣電阻，
這個電壓通過“特殊模擬量輸入”進(jìn)入處理單元VE進(jìn)
行處理，當(dāng)勵磁回路線路斷開該信號無法測量時保護(hù)
會報警。
4．5 20 Hz注入式定子接地保護(hù)
外加交流20 Hz電源發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)是
在發(fā)電機(jī)定子回路對地之間外加一個交流20 Hz電
源，發(fā)電機(jī)正常運行時，20 Hz電源幾乎不產(chǎn)生電流，
發(fā)生定子單相接地故障時對地絕緣被破壞，20 Hz電
源將產(chǎn)生電流，其原理接線圖如圖8所示。
圖8 20 Hz注入式定子接地保護(hù)原理接線示意圖
通過％、k計算接地故障電阻，當(dāng)接地故障電阻
計算值低于電阻的高整定值時保護(hù)發(fā)信號告警，當(dāng)接
地故障電阻計算值小于電阻的低整定值時保護(hù)動作于
跳閘。
萬方數(shù)據(jù)
王田，等：水布埡水電站發(fā)變組保護(hù)的應(yīng)用及改進(jìn)2011年9月
4．6三次諧波定子接地保護(hù)
該保護(hù)可以檢測發(fā)電機(jī)中性點附近約10％的接
地故障，保護(hù)比較發(fā)電機(jī)機(jī)端開口三角的三次諧波電
壓和發(fā)電機(jī)中性點PT電壓的三次諧波的幅值，當(dāng)機(jī)
端三次諧波電壓與中性點Pr的三次諧波電壓差超過
整定值則保護(hù)動作。正常運行時兩個電壓保持一定的
比例，可以通過系數(shù)調(diào)整使電壓差為最小，當(dāng)發(fā)電機(jī)中
性點發(fā)生接地時中性點側(cè)三次諧波電壓減小，而機(jī)端
三次諧波電壓增大，二者差增大超過整定值動作。該
保護(hù)和基波零序電壓式定子接地保護(hù)共同構(gòu)成100％
定子接地保護(hù)。
5 誤上電保護(hù)誤動作分析及改進(jìn)
2008年4月水布埡電廠1、3號機(jī)各帶有40
萬kW滿負(fù)荷運行，運行人員執(zhí)行廠房220 V直流由
I、Ⅱ段聯(lián)絡(luò)運行倒為分段運行操作，由于直流系統(tǒng)不
完善導(dǎo)致在倒換過程中Ⅱ段直流電源出現(xiàn)瞬時失電，
在電源恢復(fù)正常的瞬間1、3號機(jī)組保護(hù)B柜“發(fā)電機(jī)
誤上電保護(hù)”誤動作，導(dǎo)致1、3號機(jī)異常解列，l、3號
機(jī)各甩40萬kW負(fù)荷。
誤上電保護(hù)誤動原因分析H．5】。由于發(fā)變組保護(hù)
B柜直流電源瞬時消失，在電源恢復(fù)的瞬間，裝置的所
有延時重新開始從零開始計時，機(jī)組帶有滿負(fù)荷正常
運行(電流電壓均為額定值)。保護(hù)裝置邏輯判斷
如下：
(1)，=0．74 A：，>0．35 A條件滿足，邏輯判斷
為l。
(2)U=100 V：U>75 V有1 S延時(裝置失電后
恢復(fù)的瞬間認(rèn)為時間小于I s)，經(jīng)過取反邏輯運算，邏
輯判斷為1。
(3)U=100 V：U<75 V，經(jīng)過取反邏輯運算，邏輯
判斷為1。
(4)斷路器一直處于合閘，電制動一直未投入，且
存在3．5 S延時(裝置失電后恢復(fù)的瞬間認(rèn)為時間
3．5 s)，經(jīng)過取反邏輯運算，邏輯判斷為l。
根據(jù)圖9所示的事故發(fā)生時誤上電保護(hù)邏輯框圖
可知，機(jī)組在超過保護(hù)電流定值的較大負(fù)荷運行情況
下，保護(hù)裝置在停電后恢復(fù)運行時誤上電保護(hù)的電壓
閉鎖因為裝置對延時閉鎖的時間判斷錯誤而開放，誤
上電保護(hù)就會誤動作。
I>O．35A為l
U>75V為I
U<75 V為0
斷路器合閘為l
電制動投入為l
誤I：電保
護(hù)fl；I-I
圖9事故發(fā)生時誤上電保護(hù)邏輯
事故發(fā)生后，對誤上電保護(hù)的程序邏輯進(jìn)行了修
改，修改后的誤上電保護(hù)原理如圖10所示。在誤上電
保護(hù)的閉鎖條件中增加一個保護(hù)軟件內(nèi)部常為l的閉
鎖信號B128(只要保護(hù)裝置一運行這個閉鎖就為1)，
延時4 8(電壓大于75 V延時1 8后閉鎖保護(hù)，斷路器
合或電制動投入3．5 S后閉鎖保護(hù)，因此為可靠閉鎖
保護(hù)取延時4 S)后解除此閉鎖，以防止保護(hù)裝置在停
電和寫參數(shù)后恢復(fù)運行時誤上電保護(hù)動作。
圍lO最終修改后的誤上電保護(hù)原理
誤上電保護(hù)原理改進(jìn)后，經(jīng)過廠家試驗，然后在水
布埡電廠經(jīng)過長時間運行驗證，改進(jìn)后的誤上電保護(hù)
運行狀況良好。
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