某抽蓄电站机组保护装置国产化改造分析

引言

某抽水蓄能电站总装机容量1000MW,发电电动机与变压器组合方式为单元接线,每两个机组一变压器单元在主变500kV侧组成联合单元。机组保护由ABB公司提供,运行时间超过13年,一方面保护系统设备已经达到了合理的改造年限,另一方面现运行的保护系统设计与规程规范及反措要求多有不符之处,因此,为了提高机组正常稳定运行的可靠性,该抽水蓄能电站更换了4台机组的保护装置,采用南瑞继保公司产品,经过半年的运行,未发生误动现象。ABB公司和南瑞继保公司这两种保护装置有些功能在原理的应用上存在较大的不同,为了能够更深刻地理解两者在某些功能上的区别,加快国产化改造后保护装置的调试以及机组保护动作后的故障分析速度,有必要针对两者的差异进行分析比较。

本文结合ABB公司REG216机组保护系统和南瑞继保公司RCS一985机组保护系统实际运行特点,重点分析两者在某些保护功能原理上的差异,针对发电机处于不同工况下的闭锁逻辑进行分析,可为其他抽水蓄能机组保护改造提供一些借鉴。

1原ABB保护存在的问题

依据国内各规范要求及相关标准,结合ABB机组保护在实际应用中的分析,原有保护在以下几个方面存在一定的缺陷:

(1)原有机组保护仅部分保护功能实现双重化,多种保护功能为单套配置,包括机组失步保护、低功率保护、逆功率保护、过激磁保护等,原有保护未按照标准配置齐全的保护功能,如电流不平衡保护、误上电保护。

(2)断路器失灵保护所用电流互感器取自机端中心点侧,会导致保护动作后回路中仍有电流,且断路器失灵保护的电流判据只采用相电流元件,缺少负序电流元件,易导致失灵保护误动。

(3)保护装置从调试至今已运行13年,该ABB产品为20世纪80年代产品,保护装置无人机界面仅有板卡指示灯可观测,且该型号产品已经停产,维护不便,尤其是最近两年,曾发生定子注入式电源装置故障、保护装置输出板卡损坏直接引起事故停机的情况。

鉴于以上问题,对该抽蓄电站进行保护改造,选用南瑞继保公司RCS一985系列机组保护装置。

2两种保护装置的应用分析

2.1发电机注入式定子接地保护

ABB定子接地保护由100%定子接地保护和95%定子接地保护构成,采用低频信号注入的原理。100%接地保护是通过注入单元REx010和注入变压器REx011(即中性点接地变压器,二次侧接串联电阻RES、RPS),从变压器二次侧(电阻RPS)注入幅值为100V的12.5Hz低频方波信号。发生接地故障时,装置利用从接地变二次侧电阻RES反映回来的低频位移电压计算接地电阻,与定值比较决定是否动作出口跳闸,保护装置计算得到的接地电阻值就是实际的接地电阻数值。95%接地保护是通过计算定子接地时中性点出现的位移电压来实现的,利用接地故障时从接地变二次侧电阻RES反映回来的基波零序电压与定值比较决定是否动作出口跳闸。当保护装置计算出接地故障电流大于5A时自动断开注入信号,以免注入单元受到高电压损害,全部任务交由95%定子接地保护来处理。由于注入单元REx010使用直流220V作为工作电源,所以它在停机状态下也能起到保护作用(图1)。

南瑞继保定子接地保护构成(图2)与ABB基本相同,只是注入的是20Hz交流电压,当定子绕组无接地或绝缘正常时,流过定子绕组对地电流为电容电流,当定子绕组对地绝缘受到破坏,出现接地现象时,注入的电流将流过接地点,出现电阻性电流。南瑞保护装置RCS-985U定子接地保护辅助电源装置检测注入的低频电压、电流,可准确计算出接地过渡电阻阻值,计算电阻阻值与定子接地故障位置无关,可以直接反映发电机100%的定子绕组单相接地故障。南瑞继保为该保护单独配置独立的辅助电源装置。低频电压通过机组中性点接地变,注入到发电机定子上,供保护测量使用。在发电机发生定子接地故障时,负载电阻回路上可能有较大的工频电压,带通滤波器可阻止该工频电压对方波电源形成冲击。

装置输出的低频电压加在发电机中性点接地变压器负载电阻两端,通过接地变将低频信号注入到发电机定子绕组上。通常设置接地电阻判据反映发电电动机定子绕组接地电阻的大小,实际现场应用中设两段接地电阻定值,高定值段作用于报警,低定值段作用于延时跳闸,延时可分别整定[2]。原ABB保护注入式定子接地保护仅采用电阻判据作为跳闸判据,南瑞继保装置增加了电流判据,注入式定子接地保护中的零序电流判据采用与频率无关的算法,在发电机低频状态时投入。同时,当机组处于背靠背主拖机工况时,中性点接地变隔离闸刀根据机组顺控设计会被拉开,此时被拖动机组接地变隔离闸刀在合闸位置,保证背靠背运行时电气轴有一个接地点,此时中性点零序电流约为0,可闭锁注入式定子接地保护。

机组定子中性点接地方式及接地变压器参数大小对于保护灵敏度具有重要影响,对于保护改造,不同装置对该参数要求也不尽相同。该抽蓄电站发电机中性点采用经接地变压器高阻接地的运行方式,在改造设计中发现原有接地变压器二次电阻较小,只有0.2320,且定子绕组对地电容较大,而接地变压器二次电阻的大小对于保护测量精度具有明显影响。根据南瑞继保工程设计和经验,只有在接地变压器二次电阻大于10时,其保护装置测量精度才能满足要求,因此该抽蓄电站采用了加装隔离变压器的方案,新增一个变比为150V/300V的隔离变压器,提高分压电阻,从而提高接入保护装置的二次电阻,进而提高保护装置检测灵敏度。

2.2发电机注入式转子接地保护

ABB转子接地保护通过REx010注入单元和分别连接在转子绕组两极的两个电容以及两个串联电阻REr、RPr注入12.5Hz低频方波信号。发生接地故障时,装置利用从电阻REr反映回来的低频位移电压计算接地电阻,与定值比较后决定是否动作发信或跳机,保护装置计算得到的接地电阻值就是实际的接地电阻数值。该电站转子一点接地保护定值设置两段,高值作用于报警,低值作用于延时程序跳闸。

南瑞继保的转子接地保护可根据现场转子绕组的引出方式,选择双端注入式或单端注入式转子接地保护原理,在转子绕组的正负两端(或负端)与大轴之间注入一个低频方波电压,实时求解转子一点接地电阻,保护反映发电电动机转子对大轴绝缘电阻的下降。注入式转子一点接地保护与运行工况无关,不经任何工况闭锁,该电站采用双端注入,外加电源转子接地保护原理,能够测量一点接地位置。在发电机静止不加励磁电压的情况下,保护也能检测出接地电阻。

为使保护正常工作,南瑞继保设有注入电源监视功能,当注入电压小于80%正常工作电压时,瞬时闭锁保护并延时告警。在实践应用中,南瑞继保通过加装霍尔电流互感器,实现转子断线检测功能,这一监视功能是原有ABB保护不具备的。南瑞继保注入式转子一点接地保护分压电阻装设在机组保护盘柜内,模拟量测量通过保护装置单独插件实现,无须独立装置,且保护校验时模拟试验简单。

2.3发电机PT断线检测

ABB的PT断线检测功能只动作于告警,它的动作原理是从两个电压互感器采集电压信号,并通过计算获取线电压,比较两个电压互感器各线电压幅值的关系,判定电压互感器是否发生断线。

南瑞继保PT异常判别判据如下:(1)正序电压小于18V,且任一相电流大于0V0.In:(2)负序电压3U2大于8V。发电电动机机端PT满足以上任一条件,延时10S发相应PT断线报警信号:异常消失,延时10S后信号自动返回。在发电电动机未并网前,PT断线报警或闭锁功能自动退出。

两者区别:改造前ABBPT断线需检测两组PT电压值进行判断,改造后南瑞继保装置仅接入一组机端PT即可。

3其他改进的保护功能分析

抽水蓄能机组处于电气制动工况时,发电机机端三相电压基本为0,发电机机端电流控制接近额定电流,电气制动末期机组三相电流的不平衡分量增加。原ABBREG216机组保护系统未全面考虑电气制动过程对保护的影响,未配置电流不平衡保护。为了电气制动正常执行,南瑞继保配置了电流不平衡保护,主要目的是当电气制动开关端头接触不良时,三相电流出现不平衡现象,利用最大相电流与最小相电流比值构成电流不平衡保护判断原理,延时动作于切断电制动励磁电流,防止定子绕组电制动开关的短接端头接触不良而烧毁。

抽水蓄能机组在水泵启动过程之始已加励磁,且持续时间较长,需配置具有一定灵敏度的保护功能来反映机组相间故障和定子接地故障。但机组处于水泵启动过程中,需闭锁可能误动的部分保护。ABB保护装置保护功能的算法在额定频率下进行优化,偏离额定频率会产生另外的误差。在频率发生严重的偏离时,可用频率功能的输出,闭锁误动保护功能。南瑞继保装置针对水泵工况启动的过程增设低频差动保护、低频过流保护、低频定子接地保护、闭锁常规差动保护等,使水泵启动过程的保护更加完善。

原ABB保护装置无误上电保护,考虑以下3种情况增设误上电保护:(1)发电电动机盘车时,未加励磁,断路器误合,造成发电电动机异步启动:(2)发电电动机启停过程中,已加励磁,但频率低于定值,断路器误合:(3)发电电动机启停过程中,已加励磁,但频率大于定值,断路器误合或非同期等。误上电保护在机组并网后,低频、低压元件和断路器辅助接点判别条件均不满足,自动退出,当机组处于黑启动工况时闭锁。

原ABB保护装设单元件横差保护,仅为简单的过流元件,且未按照实际不平衡电流整定,灵敏度低。改造后的保护装置装设了横差保护灵敏段保护,具有防外部短路时误动的技术措施(电流比例制动),灵敏段的动作电流只需按躲过发电电动机正常变频启动过程中的最大不平衡电流整定即可,电制动工况下的匝间短路故障由高值段来应对。

ABB保护装置对于不同的工况状态,通过逻辑判断,输出相应的开入量直接闭锁或开放相应的保护功能。南瑞继保装置亦是通过外部开入量直接闭锁相应保护功能。在特定工况下,某些保护功能不适用或可能导致误动,需依据工况判别结果闭锁相应保护。ABB保护装置和南瑞继保装置工况划分简洁,闭锁逻辑均可整定。综合实际应用发现,南瑞继保装置闭锁逻辑考虑更加细致,原ABB小差保护在任何工况下均开放,南瑞继保装置单独划分低频和工频下的差动保护。南瑞继保装置有开关与辅助接点位置异常判别逻辑,当换相开关位置异常、被拖动开关位置异常、机端断路器位置异常、电制动开关位置异常时均会发出报警。南瑞继保装置还配置了.个外部大功率重动开入信号点,解决了经长电缆外部开入受干扰的问题。此外,南瑞继保装置在硬件结构设计方面采用两个独立的数据处理单元,分别为保护DSP板和启动DSP板,采用与门逻辑出口方式,任一板卡出现故障,装置闭锁并发出告警信息,杜绝了因硬件故障引起的保护误动现象,解决了硬件可靠性问题。

4结语

本次改造项目依据国内规程规范和保护专业反措要求,改进原有机组保护缺陷,改造通过优化国产保护装置,新增某些保护功能,极大地提高了机组保护性能。通过分析比较进口和国产两种保护应用原理和功能的差异可知,随着国产抽蓄机组保护的发展,国产保护设备无论在保护配置、开入开出量处理,还是状态信号处理等方面都有明显进步,在确保抽水蓄能继电保护可靠性、选择性、灵敏性、速动性的前提下,国产机组保护各参数设置灵活性优于进口保护装置,同时保护装置国产化以后,运维成本和后期技术服务成本也大幅降低。