乌东德水电站继电保护系统设计

刘月桥，毛 健

（1．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北省武汉市 430010；2．长江电力股份有限公司乌东德水力发电厂，云南省昆明市 651512）

1 概况

乌东德水电站位于云南、四川界河河段，右岸隶属云南省昆明市禄劝县，左岸隶属四川省会东县，是金沙江下游河段四个水电梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝中的第一个梯级，上距中游河段最下游梯级——银江水电站203km，下距白鹤滩水电站182.5km。

乌东德水电站以发电为主，兼顾防洪，是“西电东送”的骨干电源点之一。在系统中承担基荷、腰荷和部分峰荷，并承担少量事故备用。

乌东德水电站左、右岸厂房内各装有6台（套）发电机-变压器组，均采用单元接线方式，设置发电机出口断路器。左岸电站的1、2、5、6号机组及右岸电站的7、8、11、12号机组均配有高压厂用变压器。左、右岸500kV开关站接线完全相同，均采用3/2接线，各有3回出线及一组500kV并联电抗器[1]，以实现电力系统无功功率平衡。

乌东德水电站2015年底正式全面开工，2020年6月首批2台机组投产发电，2021年6月12台机组全部投运。左岸电站电气主接线图如图1所示（右岸电站接线相同）。

图1 左岸电站电气主接线图Figure 1 Key single line diagram for left bank HPP

2 主要电气设备保护配置概要

改革开放后，国家水电行业取得了长足进步，继电保护规程日益完善。但因各个电站发电机定子绕组结构各有特点、电气主接线有异且相关人员视角不同，落实现行规程、反事故措施采取不同方案也很常见。对于机组保护常规配置的保护功能，本文不一一罗列，重点介绍本站继电保护系统中具有特点的配置方案，希望对后续水电项目的设计具有借鉴意义。

2．1 发电机-变压器组继电保护

乌东德水电站左、右岸发电机-变压器组保护装置均由南瑞继保电气有限公司生产制造。每台发电机保护（含励磁变压器保护）、变压器保护（含高压厂用变压器保护）均按双重化原则配置电气量保护[2]，每套发电机、变压器的主保护及后备保护功能完整，能反应被保护设备的各种电气故障及异常状态，每台机组共设4块电气量保护盘，另设一块变压器非电量保护盘。

2.1.1 发电机主保护配置

左岸电站选用的是VOITH公司的发电机组，采用分数槽（q=9/2）叠绕组，每相11分支；右岸电站选用的是GE公司的发电机组，采用整数槽（q=4）半波绕组，每相8分支。

由于发电机定子结构不同，决定了其实际运行中发生各种故障的几率会有很大区别。为兼顾定子绕组短路和机端引线短路，需综合考虑各种指标，如中性点侧TPY型分支组电流互感器（TA）的数目和安装位置、主保护配置方案拒动故障数、两种不同原理主保护反应同一故障的能力等。在完成相同保护功能的前提下，应尽量减少主保护配置方案所需的硬件投资（中性点侧引出方式、铜环布置层数和TPY 型分支组TA的数目）和保护方案的复杂程度。

乌东德水电站机组容量大、定子结构复杂，简单依据现有规程配置发电机主保护难以实现上述目标。具有丰富水电开发经验的中国长江三峡集团公司，在项目可行性研究阶段就做出了邀请有实力和实际工程经验的高校或研究机构对发电机保护用TA组合方案及保护配置进行计算的正确决策。最终入围的清华大学利用其独创的多回路分析法，针对左、右岸电站的机组结构特点完成了《乌东德VOITH发电机内部故障主保护配置方案研究报告》[3]和《乌东德ALSTOM发电机内部故障主保护配置方案研究报告》[4]，为本站配置合适的主保护提供了理论支撑。下面为清华大学从多种方案组合中，经详细分析计算、综合比较后推荐的最终配置方案：

（1）左岸电站发电机TA组合及保护配置。

图2为乌东德水电站VOITH发电机的中性点及机端TA配置方案，将每相的第1、3、5、7、9分支接在一起，形成中性点O1；再将每相的2、4、8、10、11分支接在一起，形成中性点O3；最后将每相的第6分支单独引出，形成中性点 O2。

图2 左岸电站发电机中性点及机端TA配置方案Figure 2 Generator neutral point and terminal TA configuration scheme of Left Bank Power Station

在O1～O3、O2～O3之间接两个5P级电流互感器 TA01和 TA02，在每相的 1、3、5、7、9分支组和2、4、8、10、11分支组三相上分别装设TPY级电流互感器TA1～TA6，在机端配置TPY级相电流互感器TA7～ TA9。

左岸电站发电机单套主保护配置如下：

1）发电机不完全纵差保护（87GSP-1、87GSP-2）：TA1、TA3、TA5分别与 TA7、TA8、TA9构成第一组，TA2、TA4、TA6分别与TA7、TA8、TA9构成第二组不完全纵差。

2）发电机不完全裂相横差保护（87GVP）：由TA1、TA3、TA5分别与TA2、TA4、TA6构成。

3）发电机零序电流型横差保护（60G-1、60G-2）：由TA01、TA02分别构成。

乌东德水电站VOITH发电机实际可能发生的内部故障达9999种。由上述配置构成的主保护，不能动作故障数为1328（占内部故障总数的13.3%），不能动作的故障类型几乎都是同相同分支匝间短路（压差低导致绝缘击穿引起实际短路的可能性极低），对8275种内部故障（占内部故障总数的82.8%）有两种及以上原理不同的主保护灵敏动作。

（2）右岸电站发电机TA组合及保护配置。

图3为乌东德水电站GE发电机的中性点及机端TA配置方案，将每相的1、3、5、7分支接在一起，形成中性点O1；再将每相的 2、4、6、8 分支接在一起，形成中性点 O2（即将每相的相邻分支接至不同的分支组中）。

图3 右岸电站发电机中性点及机端TA配置方案Figure 3 Generator neutral point and terminal TA configuration scheme of Right Bank Power Station

在O1～O2之间接一个5P级电流互感器TA0，在每相的1、3、5、7分支组和2、4、6、8分支组三相上分别装设TPY型分支电流互感器TA1～TA6，且在机端配置TPY级相电流互感器TA7～TA9。

右岸电站发电机单套主保护配置如下：

1）发电机完全纵差保护（87G）：由TA1～TA6与TA7～TA9构成。

2）发电机完全裂相横差保护（87GUP）：由TA1、TA3、TA5分别与TA2、TA4、TA6构成。

3）发电机零序电流型横差保护（60G）：由于每台机仅有2个中性点汇集，配置1套零序电流型横差保护即可，由TA0构成。

乌东德水电站GE发电机实际可能发生的内部故障达17560种。由上述配置构成的主保护，不能动作故障数有400种（占内部故障总数的2.3%），不能动作的故障类型包括小匝数同相同分支匝间短路和相近电位的同相不同分支匝间短路（压差低导致绝缘击穿引起实际短路的可能性也很低），对17024种内部故障（占内部故障总数的96.9%）有两种及以上原理不同的主保护灵敏动作。

总之，大型发电机主保护的配置方案比选是一个极为复杂、繁琐的多变量设计优化课题，必须兼顾设计的科学性和实际可操作性，才能达到实施可行、投资最省、综合性能最优的目的。

2.1.2 发变组保护概要

（1）发电机断路器三相不一致保护。

现行保护规程[5-6]并未规定发电机断路器必须装设三相不一致保护。由于发电机出口断路器（GCB）为三相机械联动，不能提供分相位置接点构成断路器三相不一致保护。假如GCB某相连杆断裂导致该相未合上，将导致发电机非全相运行。依靠传统的负序电流和零序电流或零序电压保护，无法快速检测出该故障。由于负序旋转磁场造成的发电机剧烈震动和转子表层发热，可能危及发电机的安全。

文献[7]提出了基于断口两侧电压相量差的断路器非全相保护新原理，并在动模机组上进行了实验验证。该原理不依赖电流量大小和三相不一致接点，且不受电压互感器（TV）断线影响，在发电机空载和轻载工况时能快速、灵敏地识别断相故障，在发电机并网初期和解列时快速识别断路器非全相故障。乌东德水电站根据厂家建议，采用了这种具有前沿技术的保护。

（2）发电机断路器失灵保护。

现有规程明确要求300MW及以上容量发电机出口断路器配置断路器失灵保护[2]，文献[8]对GCB失灵保护引用的TA位置作过有益的比较。

图4中K1、K2、K3、K4分别发生短路事故导致GCB失灵时，失灵保护引用TA1或TA2的电流，都能准确采集故障电流，从而做出正确决策。

图4 GCB失灵保护用TA配置及故障点示意图Figure 4 TA configuration schematic diagram for GCB failure protection

为防止差动保护死区，变压器差动保护采用TA1电流，发电机差动保护采用TA2电流。发电机断路器失灵保护配置在发电机保护中，可以与发电机差动保护共用TA2电流。但由于发电机差动保护用TA2绕组为TPY型，虽具有良好的暂态特性，但故障切除后TA二次侧电流衰减较慢，即存在所谓的“TA拖尾”现象。而失灵保护的电流判别元件应快速返回，所以直接采用TPY型TA绕组不能满足失灵保护要求。虽然一些微机保护设备生产厂家可以通过软件算法等措施降低“TA拖尾”的影响，但这对继电保护提出了较高的要求。

为严格执行设计规范要求，本站单独为GCB失灵保护配置了P型TA绕组，不与发电机差动的TPY型绕组共用，因而做到了从电气一次设备上消除“TA拖尾”现象。

（3）励磁绕组一点接地保护。

第一套励磁绕组一点接地保护采用注入式原理[9]，如图5所示。

图5 方波注入原理示意图Figure 5 Schematic diagram for square wave injection principle

图5中Ur+、Ur-分别为励磁绕组正、负极，Uα为接地位置百分比（励磁绕组负极为0%，正极为100%），Rx为测量回路电阻，Ry为注入大功率电阻，Us为注入方波电源模块，Rg为转子绕组对大轴的绝缘电阻。双端注入式转子接地保护原理，是在励磁绕组的正、负两端与大轴之间注入一个低频方波电压，求解转子一点接地电阻值，实时反应发电机励磁绕组对大轴的绝缘电阻。注入式原理可实现未加励磁电压情况下的励磁绕组对地绝缘检测，对即将投运的新机组或大修后将投运的机组事先排除故障，提供了重要手段。

一点接地设有两段动作值，灵敏段动作于报警，普通段可动作于信号也可动作于跳闸，报警延时和跳闸延时可分别进行整定。

文献[10]明确要求将发电机励磁绕组一点接地保护装置及附件安装于励磁柜，有效避免了将转子正、负极引入保护柜不得不采用高绝缘电缆以及将励磁高电压引入发电机保护盘的棘手问题。

第二套励磁绕组一点接地保护采用乒乓式检测原理，同样安装于励磁柜。平时投入其中一套，另一套作为备用。

（4）失磁保护。

转子电压是确定发电机是否失磁的重要判据，该判据动作值随发电机所带有功负荷的大小而自动改变，可防止重负荷下发生低励故障时，保护被误闭锁。但是直接引入转子电压，存在着将转子电压，特别是强励时的高电压引入发电机保护装置引起电磁干扰，甚至击穿设备绝缘引起电气事故的风险。

本站发电机双重化失磁保护所需的两路转子电压均采用4～20mA模拟量接入，消除了上述潜在风险，将文献[11]的建议落到了实处。

（5）主变压器高压侧断路器闪络保护。

发电机-变压器组在通过主变压器高压侧断路器进行同步并列的过程中，作用于断路器断口上的两侧电压之间相角差δ不断变化。当δ=180°时其值最大，可能造成断路器断口闪络事故。

为了尽快排除断口闪络故障，在变压器保护装置设有断口闪络保护功能[2]。断口闪络保护动作的条件是断路器三相断开位置时有负序电流出现，动作于跳GCB。

（6）主变压器低压侧单相接地保护。

保护取主变压器低压侧22kV母线TV零序电压，动作于发信号。

GCB合闸位置时主变压器低压侧单相接地，发电机定子接地保护会动作跳闸。本保护主要作用就是主变压器倒送电且主变压器低压侧单相接地时发信报警。

（7）主变压器（或500kV并联电抗器）非电量保护。

本站主变压器（或500kV并联电抗器）为分相变压器（或电抗器），需要上送的非电量既有动作于跳闸的SOE信号，也有仅起预报作用的故障报警信号。通常情况下，SOE信号尽可能详尽，故障报警则是摘要或合并同类型信号上送。

本站则是将主变压器（或500kV并联电抗器）A、B、C三相动作于跳闸的同样类型的非电量保护SOE信号合并后再上送；将变压器报警信号分相上送，便于运行人员对有潜在故障风险的分相变压器做到心中有数。鉴于主变压器（或500kV并联电抗器）的分相台数达42台，由此节省了大量控制电缆。

2．2 500kV 开关站保护概要

2.2.1 变压器高压侧短引线保护

变压器差动所需电流可取自主变压器高压侧，也可取自GIS串上和电流。若取自主变压器高压侧，则主变压器高压套管需要配置TA；主变压器上方就是GIS室，从GIS串上取和电流，电缆增加的长度不多。考虑到地下厂房空间有限，本站主变压器未配置套管TA。在变压器退出运行、与串相连隔离开关断开时，短引线差动保护可（经隔离开关动断触点）自动或（经压板）手动投入运行，双重化短引线保护所需电流分别一一与主变压器差动所引串上电流共用。

2.2.2 500kV GIL T区保护以及500kV 隔离开关三相不一致保护

如同变压器与GIS串相连一样，与500kV线路相连的GIS串虽然可以配置短引线保护解决线路停运时的短引线保护问题，但在线路运行时如果GIL发生短路，将导致重合闸动作，引起GIL二次损伤。为避免这种情况的发生，每回出线GIL 配有双重化的T区保护，该保护动作跳闸时，会立即闭锁线路重合闸。双重化T区保护所需电流分别与两套线路差动所引串上电流共用，见图6。

图6 出线间隔TA配置图Figure 6 TA configuration diagram for outgoing line bay

分析图6如下：

（1）正常运行，线路侧隔离开关DS2、断路器侧隔离开关DS1均在合位时，投入“线路保护+T区保护（三侧差动）”。T区外线路故障，线路保护动作，T区保护不动，重合闸正常动作；T区内GIL故障，线路保护、T区保护同时动作，但T区保护闭锁重合闸。

（2）线路侧隔离开关DS2、断路器侧隔离开关DS1任一隔离开关闸分位时，线路保护退出，T区保护（三侧差动）自动切换为“两侧差动+线路侧过流”保护。

（3）T区保护动作或2）中的过流动作（反映线路侧TA与DS1之间短路故障）时，将发信远跳对侧断路器；短引线两侧差动仅跳本侧串上的2个断路器CB2、CB3。

2.2.3 500kV 隔离开关三相不一致保护

据了解，与本站同样结构的500kV GIS隔离开关有过某相连杆断裂的先例，且不止一次。如前所述，依靠传统的负序电流和零序电流或零序电压保护，无法快速检测出该故障；比较各隔离开关两侧电压相量差值原理，则需要额外配置大量的电压互感器，极大地增加了投资。

本站设计阶段就要求GIS设备厂家在各三相联动的隔离开关的被动相上，均配置动合、动断行程开关，构成三相位置不一致报警信号上送监控系统，从而在执行分、合命令时，若某相隔离开关连杆断裂，可快速报警。

3 结语

采用最新原理的GCB三相不一致保护、将发电机转子一点接地保护装置及附件安装于励磁柜、将失磁保护所需的转子电压经变送器输出、取消主变压器高压侧保护用套管TA、配置500kV 隔离开关三相不一致保护等，都是在广泛吸纳国内目前大型水电站实际运行经验、博采众多最新研究成果的基础上实施的最终方案。大型水电机组设备招标文件规定有资质的单位对发电机保护用TA组合方案及主保护配置进行多方案比选优化，尤其是一条值得推广的重要经验。

经过参建各方多年的紧张奋战，由业主精心组织、多方共同参与、凝结了集体智慧的乌东德水电站12台机组相继投入运行。