柴河水库电站继电保护系统优化设计

康代红，王 杰，纪庆周

（1.沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159；2.铁岭县现代农业发展服务中心，辽宁 铁岭 112000；3.辽宁省柴河水库管理局有限责任公司，辽宁 铁岭 112000）

0 引 言

柴河水库电站坐落于辽宁省铁岭市铁岭县的熊官屯镇，为坝后式水电站。发电机组总共有3台，其总容量达7 030 kW，1974年动工建设，1976年投产运行，至今已累计完成发电量4亿kW·h，平均年上网销售电量达890万kW·h。经过了40多年的运行，整体设备已经老化损坏，故障陡增，亟需更新改造。本次更新改造的重点是对电站继电保护系统进行了优化设计，采用由微处理器构成的数字式保护装置，使发电设备得以更可靠、更安全的运行。

1 柴河水库电站继电保护系统存在的问题

电站现有保护装置采用的电磁式继电器大多数已使用将近50年之久，厂家已不再生产。老式继电器已难以保证继电保护要求的可靠性及灵敏性，且接线复杂。此外，原继电保护使用的元器件数量多，发生故障后大大增加了解决故障的时间，同时原继电保护本身误动作的概率也大大增加，已无法满足电站自动化水平要求，更无法实现“无人值班、少人值守”的运行目标。

2 柴河水库电站继电保护优化设计

2.1 继电保护优化设计原则

本次继电保护系统优化设计是按照“无人值班、少人值守”原则进行的总体设计，本着安全、少花钱、技术领先、使用方便以及便于维修的原则进行配置。选用的核心器件为由处理器构成的数字式保护装置，即微机保护系统，既有独立性、完整性及成套性特点，又能满足继电保护的可靠性、选择性、灵敏性以及速动性要求[1]。

微机保护系统采用启动/闭锁或双重化措施，避免内部元件损坏引起误动；主保护和后备保护分设在不同的保护装置内；微机保护装置设硬件闭锁回路，防跳跃闭锁保护；保护装置运行时由于某种故障的干扰，引起的后果导致程序无法正常运行时通过自复位电路工作，使保护装置正常运行[2]。采用单元式组合，可方便地进行保护配置和功能的扩充，系统模件通用性和互换性好，抗干扰能力强；微机保护软件具有通用性和灵活性，对于不同运行场合、工况可任意整定，无需改动软件。微机保护设计原理如图1所示。

图1 微机保护设计原理

2.2 微机保护系统特点和优势

（1）微机保护系统采用成熟的保护理论，利用一体式机箱将保护装置和监控单元进行密闭，抗干扰效果好。屏幕可以放在一起，也可以分散安装在开关屏柜上。（2）人机接口及可视化屏幕友好，显示屏可实时显示电压、电流以及功率等必要的电气量数据，还可以直观地设置保护定值。（3）保护模块具有较好的稳定性功能，配置合理。当装置正常工作中某一单独硬件发生故障无法运行时，受到保护的单元或设备可以继续正常工作。（4）采用全波差分傅氏算法以及“看门狗”设计，计算的精度较高，抗干扰性能好。（5）采用以太网及RS485通信接口通信，并设置一个调试接口，可稳定地与计算机监控系统传输信号，具有较完善的纪录、报告、巡检、录波、自检以及后台可视监控等功能。

2.3 发电机保护功能配置及技术参数

2.3.1 发电机保护功能配置

发电机组的安全稳定运行对于保障电力系统的稳定运行起到关键作用，发电机作为机组的重要组成部分，需按照其不同部位、不同类型的故障和非正常运行的设备状态来配置继电保护[3]。

柴河水库电站继电保护优化设计选择配置发电机差动保护和后备保护两个单元，具体配置保护设备为DMP320C1F差动保护单元、DMP321C1F后备保护单元。保护单元设置纵联差动保护、过流保护、失磁保护、过压保护、过负荷保护、差动回路断线保护、定转子接地保护以及故障录波等保护功能。

2.3.2 发电机保护主要技术指标

（1）差动保护。纵联差动保护至关重要，是发电机的主保护，主要作用于发电机内部相间短路故障的保护。整组动作时间≤50 ms（2.0倍额定电流）；电流互感器（Current Transformer，CT）线路中断可选择将差动保护出口闭锁，也可选择仅发出报警信号；电流定值误差＜5%；比例差动制动系数可调。（2）复压过流。作为发电机后备保护的重要组成部分，作用于外部和相邻元件相间短路的保护，I段动作于解列，发事故信号；II段动作于停机，发事故信号[4]。动作电流整定范围为0.5～100 A，误差不超过±2.5%；动作延时整定范围为0.1～99 s；低电压整定范围为10～100 V，误差不超过±2.5%；负序电压整定范围为10～100 V，误差不超过±2.5%；出口方式可配置。（3）负序过流。当发电机出现不对称过负荷、外部不对称短路、非全相运行时，将触发负序过电流保护。动作电流整定范围为0.5～100 A，误差不超过±2.5%；动作延时整定范围为0.1～99 s；固有延时≤70 ms（1.2倍定值）；出口方式可配置。（4）失磁保护。作为发电机励磁发生故障，出现电流异常下降、电流完全消失时的失磁保护，由静稳边界阻抗元件、闭锁元件、母线低电压元件3部分组成。固有延时≤70 ms；阻抗定值误差≤5%；出口方式可配置。（5）转子一点接地告警、两点接地保护。一点接地保护主要动作于发预告信号，正常运行时，发电机转子绕组对地绝缘，励磁系统对地绝缘，当以上两处发生一点接地时，并不能够形成电流通路，对发电机不会有直接危害。但若不及时处理，转子回路对地电压增大则有可能导致转子两点接地，危及发电机和系统安全。（6）定子接地保护（基波零压、基波零流判据）。当定子线圈发生单相接地时，将触发接地保护，动作于发预告信号。整定范围为10～110 V；固有延时≤70 ms；3次谐波滤过比大于100%；定值误差不超过±2.5%；出口方式可配置。（7）逆功率保护。动作区在90°～270°的误差不小于3°；延时整定范围为I段70 ms～40 s，II段100 ms～15 min；出口方式可配置。（8）过负荷保护。主要作用于发出报警信号，在发电机运行时所带负荷超过额定负荷很长时间时动作。电流定值误差≤5%；延时整定范围为0.1～99 s；时间定值误差≤20 ms；出口方式可配置。（9）过电压保护。作为发电机定子线圈内产生异常过电压时的保护，当机组发生甩负荷事故或者出现带时限切除外部故障时容易触发过电压保护，主要作用于跳开发电机出口断路器、跳灭磁开关、发出事故报警信号。动作电压整定范围为100～200 V；延时整定范围为0.1～99 s；固有延时≤70 ms。（10）电压互感器二次回路断线保护。防止电压互感器二次回路断线可能引起保护装置的误动。动作于发预告信号，使连接线断开的二次电压回路闭锁，使可能引起误动作的保护不再动作。（11）差动回路断线保护。防止电流互感器二次回路连接线断开可能引起保护装置的差动保护误动。动作于发预告信号，并闭锁差动保护。（12）故障录波。记录事故前后100个周波数据。

2.4 主变压器保护功能配置及技术参数

2.4.1 主变压器保护功能配置

柴河水库电站主变压器保护配置和发电机保护配置一样，主要配置DMP320C1B差动保护单元和DMP321C1B后备保护单元两部分。主要保护内容包括差动保护、瓦斯保护、温度保护、差动速断保护、故障录波、间隙零序电流电压保护、中性点零序电流保护、过负荷保护、压力释放保护、过流启动风扇保护以及风扇故障保护等[5]。

2.4.2 主变压器保护主要技术参数

（1）差动保护。当主变压器绕组及其引出线发生了相间短路故障时，主用变压器两侧的断路器瞬时动作跳开，发出事故报警信号，联动相应机组维持空载[6]。差动速断时间≤50 ms（15倍额定电流）；二次谐波比例差动时间≤50 ms（2.0倍额定电流）；CT连接线断开可以使差动保护出口闭锁，也可以只发出报警信号；电流定值误差＜5%；比例差动制动系数可调；二次谐波制动系数可调。（2）复压过流。动作电流整定范围为0.5～100 A，误差不超过±2.5%；动作延时整定范围为0.1～99 s；低电压整定范围为10～100 V，误差不超过±2.5%；负序电压整定范围为10～100 V，误差不超过±2.5%。（3）过负荷保护。主变压器运行时所带负荷超过额定负荷时的保护，动作于延时发预告信号。电流定值误差≤5%；延时整定范围为0.1～99 s；时间定值误差≤20 ms；出口方式可配置。（4）过电压保护。动作电压整定范围为100～200 V；延时整定范围为0.1～99 s；固有延时≤70 ms。

3 微机保护屏柜设计

选用分布式单元机箱结构来完成保护设计，选用32位中央处理器（Central Processing Unit，CPU）及数据处理系统（Data Processing System，DPS）处理芯片的高性能保护装置。保护屏布置紧凑，便于观察、调试和检修，机柜正面上部为保护单元，下部为压板，机柜背面最上端为电源开关安装层，上部为保护单元的端子，下部为压板接线端子，最下端为接地铜排，两侧为竖排接线端子[7]。柜内强弱电端子分开布置，安装单元在柜内上方顶部标注，试验端子用于交流电流端子，各种端子之间采用隔板隔离开。盘柜的正面安装控制开关和复归按钮。分布式单元机箱如图2所示。

图2 分布式单元机箱

4 结 论

柴河水库电站继电保护系统的优化设计将原有的电磁式继电保护系统优化改造为数字式保护装置的微机保护系统，使水库电站继电保护的可靠性、选择性、灵敏性以及速动性大大提高，是水库电站正常运行的有力保障，也已满足了电站自动化水平要求，实现了“无人值班、少人值守”的运行目标。