抽水蓄能电站机组继电保护配置及功能分析

沈浩琦，谢晨茜

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

0 引言

抽水蓄能电站是一种具有启动快、负荷跟踪迅速和反应快速的特殊电站，可以利用其进行调频和调峰等作业，能够促进电网的安全稳定运行。随着国家把碳达峰和碳中和纳入生态文明建设整体布局，构建以新能源为主体的新型电力系统，抽水蓄能电站在电网中的重要性日渐凸显。与常规水电站相比，抽水蓄能电站多了一个水泵工况，因此它除了配置一些常规水电站机组保护外，还应配置相应的其他保护。如电压相序保护、低频保护、低功率保护等等。如果其处于电气制动、水泵工况启动过程中等阶段，一些保护将会失去其原本的功能，甚至还会产生误动的问题。

1 保护装置的要求

1.1 电压相序保护

抽水蓄能机组会把出口开关、电网等设备联接在一起，这时就需要通过换相开关来控制机组的状态，当电网需要我们发电时，合发电换相开关，此时发电机组相序与电网的相序一致，则向电网输送功率，转子顺时针方向旋转。当电网需要我们抽水时，合抽水换相开关，此时机组的相序与电网的相序保持着相反的状态，转子逆时针方向转动。保护装置需要判断哪个换相开关在合位，以此来判定抽水蓄能机组处于何种工况。因此电压相序保护作为沙河抽水蓄能电站机组运行时换相开关误动作的保护。动作后果：跳开关、灭磁、停机、关进水阀。

图1 换相开关连接图

1.2 低频保护

抽水蓄能机组在抽水启动过程中，可选择使用SFC或背靠背来启动机组抽水，把机组从静止拖动同步至额定速度，在此过程中机组的频率是由低到高变动的。当电气制动时，机组会以低频的状态运转一段时间，在常规保护下，低频分量不能可靠动作，所以装置必须分析实时工作的频率，对其频段加以适当调节，以此来保护其使用功能，并且还应当配备相对应的电压互感器及电流互感器等，让装置在采样时的精确度达标。因此低频保护作为沙河抽水蓄能电站机组水泵工况时频率过低的保护。动作后果：跳开关、灭磁、停机、关进水阀。

1.3 低功率保护

抽水蓄能机组在作为水泵工况运行时，若电网电源突然丢失，机组转速降低，此时水头的作用力与机组旋转的方向相反，机组将会产生剧烈的水力振荡，严重时可能出现轴承损坏的情况。若机组在水头的作用力下转速降至零后不能及时停机关主阀，机组将在水头的作用力下朝着反方向转动直至过速。这种情况的发生对压力钢管、上游水道及机组都很危险。因此低功率保护作为沙河抽水蓄能电站机组在水泵工况时失去系统电源造成机组飞逸的保护。动作后果：跳开关、灭磁、停机。

2 沙河抽水蓄能电站的保护配置

沙河抽水蓄能电站所使用的发电电动机由法国ALSTOM公司生产，机组型号为SFD50-20/630，可实现发电空载、发电空转、发电、抽水、停机5种工况转换操作。沙河抽水蓄能电站设2套RCS-985微机发变组成套保护装置，A屏配置1套RCS-985GW发电电动机保护装置、1台CJX-12操作箱和1台打印机；B屏配置1套RCS-985GW发电电动机保护装置、1套RCS-985U注入式定子接地保护辅助电源装置和1台打印机。1套RCS-985GW装置可完成发电电动机及励磁变全部保护功能，2套RCS-985GW可以实现主保护、异常运行保护、后备保护的全套双重化，操作回路和非电量保护装置单独配置。2套RCS-985装置取不同组TA,主保护、后备保护共用一组TA,出口对应不同的跳闸线圈。

3 不同工况下的保护功能分析

3.1 抽水工况

抽水蓄能机组处于水泵工况下运转时，其需要在电网当中吸收有功功率，此时出口侧电流互感器采集的电流方向就会和中性点侧电流互感器采集的电流方向相反，进而形成保护误动的现象。沙河抽水蓄能电站保护装置采集机组换相开关位置，以此来确认机组实际的运行工况，自动切换并选择合适的差动数值，避免发生误动现象。要想让机组能够在启动后保持平稳的运行状态，就要让换相开关对某些工况进行检查，查看其电压相序和旋转方向是

否一致，而且保护要在机组未并网之前就投入使用，或者利用出口开关位置接点来闭锁某些保护。

3.2 背靠背工况

抽水蓄能机组在执行抽水命令时，一般会由SFC将机组拖动到同步转速之后再进行并网，如果SFC一旦发生故障，则会采取背靠背的形式启动。其中1台机组作为拖动机去拖动另外1台机组，拖动机出口开关和拖动开关合闸，把2台机组连接在一起，并把拖动机作为原动机，使其能够以同步转速并网。当机组在背靠背启动过程中，拖动机的中性点接地闸刀在合位，其中性点和接地保护的电源相连接，构成回路形成环流，进而引发一系列的保护误动。所以背靠背启动阶段，必须要引入拖动开关的位置接点，对保护进行闭锁，在构建电气回路前，就必须先将拖动机的接地闸刀分闸，使2台机组仅有一个接地点，扩大保护装置的保护范围，并在拖动机出口开关分闸之后，中性点接地闸刀又可以重新恢复合闸的状态，避免其保护误动。

4 保护故障分析及处理过程

4.1 故障描述

某日，2号机组水泵工况操作停机，在转速＜50%投电气制动过程中，2号机组保护屏SR489-2保护装置动作，机组转紧急停机。

4.2 动作原因分析

（1）磁场开关合后，定子电流1 100 A左右，差动保护动作，此时如果相关中间继电器未能闭锁出口，则磁场开关分，电气量消失，不会再有后面的“次同步过流动作”和“低电压动作”。

（2）磁场开关合后，经200 ms次同步过流动作，此时如果相关中间继电器未能闭锁出口，则磁场开关分，电气量消失，不会再有后面的“低电压动作”。

（3）磁场开关合后，经2 s低电压动作，保护出口，磁场开关分，电气量消失，机组转紧急停机，此后保护装置中没有其他报文。

综上所述，本次事件一定是低电压功能出口。电气制动过程中，定子电压为0 V，定子电流在950～-1 150 A，低电压保护逻辑中I＞0.075 CT和U＜0.75 Un这2个条件一直满足，而在电气制动过程中，机组出口开关已分，“机组并网”条件不满足，低电压保护应该不动作。“机组并网”条件由机组出口开关位置辅助触点送至保护屏后，经编号009XL中间继电器（型号CS-ZO6AB）扩展，该继电器第1副接点送SR489-1，第2副接点送SR489-2，本次事件SR489-1中低电压未动作，SR489-2中低电压动作，说明编号009XL中间继电器第2副接点接触不良。低电压功能逻辑如下：

图2 低电压功能逻辑图

4.3 故障处理

用备品更换编号009XL中间继电器后，2号机组开空转停机，电气制动过程中，SR489-1和SR489-2中只有“差动动作”和“次同步过流动作”报文，未有“低电压动作”报文。

5 结语

综上所述，抽水蓄能机组运行工况转换频次高、接线复杂，所提出的保护装置要求严苛。在进行配置保护装置时，需要分析各类工况对保护功能所形成的影响，同时还要确保各个保护功能之间处于完美的配合状态，提升其机组保护的安全可靠度，避免其产生误动或者拒动等问题。