抽水蓄能电站机组继电保护配置及功能分析

抽水蓄能电站机组继电保护配置及功能分析
发布时间：2023-02-17T03:31:46.009Z 来源：《中国建设信息化》2022年10月19期作者：倪康傅强
[导读] 抽水蓄能机组具有快速启停的能力，在电网中承担着调峰、调频、调相、事故备用等任务，对电网安全稳定运行起着重要作用。

倪康傅强
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摘要：抽水蓄能机组具有快速启停的能力，在电网中承担着调峰、调频、调相、事故备用等任务，对电网安全稳定运行起着重要作用。

同时抽水蓄能机组设计复杂，运行工况较多，转换频繁，因此与传统机组相比保护配置和保护闭锁逻辑要复杂得多，必须根据不同运行工况对抽水蓄能机组进行保护配置，以确保设备的可靠运行。

本文主要研究抽水蓄能电站继电保护系统的配置和功能，鉴于我国抽水蓄能机组运行方式的频繁变化，阐明了相关的特殊功能要求，论述了抽水和背靠背运行条件下设备继电保护的作用，并提出了一些防误动措施。

关键词：抽水蓄能电站；发电机；继电保护配置；功能
随着碳达峰和碳中和技术被纳入生态文化和基于新能源的新能源系统的总体框架，抽水蓄能电站在能源系统中的重要性正在增加。

与传统水电站相比，抽水蓄能电站配置有双向可逆式机组，因此除了传统水电站配置的继电保护功能之外，还必须配置其他适当的保护。

如电压相序、低功率、低频、低功率保护等，如果它们处于电制动和抽水启动的中间阶段，一些保护措施可能会失去原有的功能，甚至导致误动。

一、保护装置的要求
1.电压相序保护：抽水蓄能电站机组与出口开关、换向刀闸、输变电设备等连接，通过换向刀闸来切换机组运行方向。

如需运行在发电方向，则闭合发电方向换向刀闸，发电机的相序与电网的相序相同，当机组的转速、电压、相位满足并列条件时合上出口开关实现并网，此时发电机的能量被传输到电网，在这个启动过程中保护装置必须确定换向刀闸处于发电还是抽水位置，以确定抽水蓄能机组的运行方向。

因此，在抽水蓄能机组启动期间，电压相位保护被用作换相开关误动保护。

2.低频保护：当水泵方向启动时，机组可以选择SFC或靠背模式启动，使机组在静止态被变频拖动到待并转速实现并网。

此时的机组把电力系统作为电源提供原动力，为防止电源突然消失，设置低频保护，是低功率保护的后备保护，保护动作于信号或跳闸。

此外，设备应配备适当的电压和电流互感器，以确保采样期间设备的精度符合标准。

3.低功率保护：当机组在水泵方向运行时如果发生严重的水力振荡，可能会导致轴承或是输水流道发生损坏。

当电网突然失去供电时，机组转速会降低，在水头的作用下，机组速度降至零乃至反转，如果主进水阀不能及时关闭，则装置将在水头功率作用下继续旋转，直到速度超过临界值。

这种情况对压力管道、上游水道和装置来说是危险的。

因此，抽水蓄能电站机组在水泵运行条件下，为了防止系统功率丢失，采用了低功率保护措施。

二、保护配置的特点
1.合理的保护配置：发电电动机的保护由两个独立的安全装置组成，每个安全装置都配有独立的电源和跳闸电路，即使一个保护装置在短时间内停止，另一个保护设备也可以在必要的保护下工作，以满足设备正常运行的要求。

2.调整保护相序：在机组发电运行期间，机组闭合发电工况刀闸，机组的电压和频率、相序与顺时针方向的电网相序一致后将通过出口开关连接到电网系统。

在电动模式下，机组闭合抽水工况刀闸，机组作为发动机运行，转子逆时针旋转，设备的工作电压和电流相序为逆时针，电源相序为逆时钟。

通过SFC或背靠背拖动机作为电源来提供动力，相关保护的投入判据也因此而改变。

3.使用逻辑闭锁：抽水蓄能机组具有不同的操作条件和工况转换，不同的运行工况下需要不同的保护，保护装置通过引入操作状态信号的逻辑控制投退来控制跳闸信号的开放、闭锁出口。

保护闭锁逻辑参数应满足电气系统的一次连接、保护配置、顺序控制逻辑等要求。

三、不同工况下的保护功能分析
1.抽水工况：电动机继电保护是指检测电机故障或异常运行状态，并使用安全操作指令或警报来消除自动技术和设备的故障。

可逆式机组是目前抽水蓄能站主要采用的机组形式。

当设备在发电条件下运行时，其继电保护要求与常规水电站相同。

机组处于泵工况时，抽水蓄能机组吸收电网的能量。

在这种情况下，出口侧电流检测由中性电流互感器采集的相反电流方向。

这可能会导致误动保护。

抽水蓄能电站保护和收集机组换相开关位置，确认机组的实际运行，自动切换，并选择适当的差动值，以避免运行误动。

为了使设备在启动后保持良好的工作状态，换相开关应检查具体工作状态，检查电压相位是否与旋转方向一致，并在将设备连接到电源之前启动保护装置运行，或使用输出开关的位置闭锁部分保护。

2.背靠背工况：抽水蓄能机组在背靠背启动过程中，需要由一个变频电源来将被拖动机组拖动到额定转速，在一般情况下由电站内配置的SFC系统作为电源。

当SFC故障时，将使用1台机组用作拖动机来拖动另1台机组，这种模式被称为背靠背模式。

将拖动机出口开关和拖动刀闸闭合，被拖动的被拖动刀闭合，两台机组形成电气连接，拖动机将被拖动机拖带到同步转速后并网。

当设备背靠背启动时，拖动机的中性点刀闸如果处于和位，则会与被拖动机的中性点形成回路环流，从而导致一系列保护误动。

因此，在背靠背的模式下，应拉开拖动机的中性点接地刀闸，以确保两个机组仅有一点接地，。

当被拖动机成功并网后，拖动机应自动合上中性点接地刀闸，以避免下次启动时保护误动。

四、继电保护装置误动
1.运行中误动：在电站机组发电工况运行停机过程中会使用电气制动模式，机组的功率保护可能会误动。

功率保护的原始逻辑是将发电机出口开关接点和发电机输出电流确定为保护的启动标准。

但是由于在电气制动模式时仍有低频电流，如果达到保护动作值，保护启动跳闸功能。

因此，保护装置将引入电气制动开关的辅助触电作为保护功能是否投入的判据，以避免保护误动。

2.检修时误动：抽水蓄能机组一次系统设计相对复杂。

如果一台机组出现故障时出口开关不能正常将机组解列，将导致事故扩大。

为了应对这种情况，抽蓄电站的机组保护一般都配置有联跳相邻机组保护用来将联合单元解列，将故障限定在一定范围内。

因此，在发电机保护装置检修期间测试保护装置，则存在误跳相邻机组风险，在检修开始前应将保护装置相关的功能压板和跳闸压板退出后进行试验，并在
试验完成后将压板恢复到检修前状态，以避免设备测试期间产生误动作风险。

五、在调试过程中的注意点
1.抽水蓄能了解机组不同运行模式的特点，了解不同的逻辑闭锁，并在测试过程中验证不同逻辑电路的正确性。

2.保护装置识别每个工况逻辑闭锁，提供的不同操作条件。

为了确保主要操作设备的保护逻辑和状态一致，除其他外，必须检查闭锁开入回路可靠性，以验证锁定逻辑是否正确。

3.抽水蓄能机组特点是具有大范围的频率变化。

在测试保护装置时，特别需要检查不同频率的保护动作是否正确。

4.机组具有不同的运行工况和特殊保护，应特别注意设置保护定值。

抽水蓄能站机组运行工况变化频繁，一次系统接线复杂，继电保护要求高。

在安装保护装置时，不仅应考虑不同工况对保护功能的影响，还应考虑各机组保护功能的协调，以确保抽水蓄能机组继电保护的可靠性，防止拒动、误动。

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