水力发电厂机组继电保护的配置及运行维护

国家电力投资集团五凌电力株溪口电厂 龚胜平

在目前的水力发电厂中，采用发电机的振荡监控和继电保护，可以使机组的工作状况得到及时的反馈，从而防止事故的进一步发展。继电保护系统的工作性能，决定了其运行的可靠性，因此必须加强维护，使其在电力系统中的安全运行得到有效的保障。随着水力发电行业的发展速度越来越快，对继电保护的重视程度越来越高，发电厂采取了多种措施，以保证安全运行的可靠性、降低能源的浪费。

1.1 水力发电机组继电保护的功能介绍

继电保护是指在电力系统出现异常情况或故障时，迅速地进行故障处理或排除并向有关人员发出警告，以降低事故的负面影响，保证电力系统的可靠和顺畅。同时，当系统发生故障后必须有选择地进行断开动作，并将距离最近的断路设备进行断开，以保证不会对系统中其它无故障部分的正常工作造成影响。它可对电源系统中的电气元件的故障和不正常的操作作出反应，从而开启开关或者发送信号。在电力系统的运行过程中，存在着多种故障和非正常工作状态，其中以相间短路、接地短路等多种短路最为常见。

在水力发电站的安全运行中，保护设备的工作质量是影响机组能否正常使用的关键因素，其保护的灵敏度、可靠性、快速性、选择性等特点在电力系统的安全运行中起着举足轻重的作用：在电力系统发生短路的情况下，能自动、快速、选择性地切断被破坏的部分，从而防止对其继续造成损害，确保其他非故障部件迅速地恢复正常工作，在电力系统中的电器装置不能正常工作时，按照操作和维修的要求发出信号、跳闸进行保护。这时通常不需要快速保护，只需按当时的电气设备和部件的危险程度设定一段延迟，避免误操作。因此，在保证电力系统安全可靠运行的前提下，继电保护是构成电力系统的一个必不可少的环节[1]。

1.2 水力发电机组继电保护的特性与要求介绍

要确保水力发电机组的运行安全、可靠，须注重继电保护设备的安装、调试和设计，所有的操作都是准确有效的，不能有任何差错。继电保护设备的每一个部件都要符合设计的质量要求，在运行过程中各环节都能起到很好的作用，并能对系统进行简单的核查，从而使继电保护得到更好的发挥。

为降低设备的损伤、改善系统的运行稳定性，须从选择性、速度、灵敏度、可靠性三方面寻找好的途径：速度的基本需求。水力发电继电保护的快速性，是指当设备出现故障时其处理的时机应更佳，能有效地减少对设备的损害，减少操作负荷，提高电力系统的安全与稳定；
基本的敏感性。在水力发电继电保护中，灵敏度是指当出现故障时其响应速度快、反应速度快，一般用灵敏系数来衡量，当与继电保护有关的工作数值被确定后，它就会按照一定的数值工作并达到相应的要求；
基本的可靠性需求。在电力系统中，继电保护对可靠性的要求也越来越高，在一定的范围内，当有关的设备出现故障时须可靠地工作。

基于此，根据目前国内电站机组的实际状况和特性总结出几个主要特征：必须采取两种或两种以上的设计方案，并根据不同的保护原则实施特定的保护作业，从本质上保证了保护的有效性；
对防护设备的性能指标提出了更高的要求。由于其自身的体积大、结构复杂，如果发生故障后果会很严重，因此必须对其进行合理的性能参数优化；
从整个系统的角度考虑，对以前使用的单一保护方式进行优化，从而保证设备的有效性和稳定性。

2.1 水力发电继电隐患分类

在实际工作中电力系统中存在着多种潜在的潜在干扰，影响着水力发电厂的正常工作：首先是闪电的影响。闪电会给水力发电厂的设备带来巨大的损害，并且有多种不同的自然雷击方式，当发电站的避雷和接地部件遭受闪电攻击时，电力公司的地网就会立即变得高阻，使得地网中的高频电流处于上升的状态，降低了其灵敏度；
其次是频率的影响。在电力系统中，如果电源内部的绝缘开关动作过慢或过长，就会产生过电压和高频电流，从而影响到继电器的工作；
最后是辐射系数。为了更好地适应电力系统运行和生产的要求，水力发电厂内部供电系统必须安装通讯设备，通讯设备所产生的辐射会对保护工作产生一定的干扰，从而产生虚假的信号，影响到设备的安全运行[2]。

2.2 故障分析

首先，在保护设备出现故障时会出现继电器跳闸的情况。这是因为变压器在工作中引起了“主变压器差动部件故障”的信号，从而直接造成了事故；
其次，在主变压器的内部部件出现故障时，输入设备的电流和输出设备的输出之间存在着一定的差值时，差流的保护作用就会产生一个“保护操作”信号，然后使发电机跳闸。这是两种常见的故障产生的原因。

2.3 故障检测

首先，对二次回路绝缘、接线方法和二次回路的接线进行测试。第一个步骤是检查二次电路的绝缘，如果二次电路没有任何问题，接下来对主要变压器进行检验，当变压器两端处于“合位”时，输入电流和输出电流之间的位差也是正常的；
其次，对差动回路的接地进行检测。试验差分触头，发现Y形接线处的各电流互感器两端的主变压器仅有一个接地点，而差动回路则是多点接地。

对定值进行保护检验。A、B和C的三相流量差为0.39~0.88A，保护设备将会显示一个“差动原件故障”的信号。如果A、B、C三相电流的差分达到1.5，出口就会受到保护。当设定值与操作值相同时则会被视为“差动原件故障”信号；
对差动电流的探测。如，在整个设备正常工作的情况下，差速器两边的电流分别是1.05A和0.98A，两者之间的电压相差在0.05A到0.06A之间，不满足N1/N2=I1/I2的关系，这意味着有问题；
对谐波刹车因数进行检测。假设设备二次谐波刹车系数为12.13%，检查前检查时刹车系数为l8.5%和17.6%，说明谐波制动器电路中的某些部件的性能发生了变化[3]。

3.1 转子绕组保护

针对水力发电厂各机组的运行中发电机的转子发生的绕组短路，可以分为匝间短路和接地短路两种，可以采用直流和交流双注入式电子点地保护，实现双组结构工作，此结构可分为两个阶段并能设定时限：在低电压下，水电机组的短路延长时间较短。在高定量值的情况下可以缩短信号的发送。火力发电装置的特殊功能是发出信号，它可以根据水力发电和水泵的运行情况，通过改变相位顺序来实现工作状态的转换。在进行继电器配置运行时，必须充分考虑实际工况要求，保证电机在启动状态下的定子绕组参数发生变化，以保证电机的速度发生变化。另外，电压、电流等变化对系统运行状态的影响也要充分考虑，以防止故障发生时发生故障。

3.2 轴向电流防护

在实际安装时必须考虑以下几个方面：断路器不全相保护；
过流阻塞；
发电机停止运行并启动电子刹车装置等，且防护结构必须满足相关法规及相关反措施的要求。对水力发电厂来说，进行继电保护的基本目标就是要对主要电压源和机组进行有效的保护。在实施发电机轴流保护时，必须采用ABB产品，采用较高的效率和品质，并采取适当的措施以建立完整的继电器保护体系。对于非电量保护的主变压器和发电机，可以在E柜中进行特定的安装。非电量保护一般有单独的断开输出和保护供电电路。

3.3 微机的继电保护

水力发电厂的机组与微机继电保护的有机结合，通过对数字信号进行处理，实现了各种参数的校验，提高了设备的维修效率，并采用各种处理软件，以保证其工作更加灵活、稳定，从而使这种继电保护的实用性得到了最大程度的提高。另外，利用计算机、信息技术等手段，能够对设备的运行状态进行自动判别，减少误动作，使保护设备在实际运行中的有效性得到了充分的体现。

3.4 SSJ-9000配置

SSJ-9000作为中央控制系统，可以充分利用振动保护装置的数据进行信息的交换，有效地分析传感器的相关数据，并根据不同的传感器类型进行有效的配置。除了数据的采集，本系统还具有较好的实时监测能力，能够对机组的实际工作状态进行分析。根据水力发电厂机组的实际工作，在实际使用电涡流传感器时，由于励磁引线的作用造成了输出信号的畸变。在该设备的配置运行中，建立了一套完整的机组保护体系，使其保护性能得到了极大的改善[4]。

3.5 水力发电厂机组继电保护的运维措施分析

继电器应按规范操作，不能无自动安全装置，防护设备的运行必须符合规定并得到许可；
具有AC电压环的保护器，在任何情况下都不能无电压；
在继电器、压力板、测试端子、信号灯、电源开关等的装置上都要做标识；
要有充足的保险丝储存；
设备图纸和技术数据要有完整的文件，以便于发现和改善继电保护，同时也要预先进行试验，并批准和记录修改后的计划；
当对保护设备的安全有疑问时，要向继电器专家报告，以确定有无故障，以及是否要停止保护；
在投入使用前，应与操作人员进行相关检查，确认后方可投入使用。一旦发生意外，应立即报告有关部门进行调查处理，不得擅自行动；
继电保护工作结束后，要对继电器进行检查，看看有没有烫伤，值班人员应认真地进行巡查、检查，并将其记录在案，以便及时处置。其具体运维措施如下：

一是实施设备的高品质问题处理。常用方法有2种：变换方法(transfer)。通过这种方法可以进行故障的检查，特别是用相同型号的元件代替现有的保护装置监控和观察元件的实时工作，明确元件的实际情况以及故障的具体情况。这种方法不需要拆卸设备，使用方便，能确保更换部件的功能正常发挥；
按项目进行检查。这种方法虽然耗费了大量的时间，但是可以更好的保证测试的精度。在实际的测试中，要将与故障线路相连的线路一一拆卸，然后逐一检查，直到检查完毕，发现问题得到了有效的解决，才能重新安装。

二是做好常规的视察。在实际工作中，通过状态检修和在线监测等手段，可以了解设备的具体操作状态，并对其进行相应的故障处理，从而达到与继电保护相适应的目的。另外，还要成立一个独立的日常巡检工作团队对设备进行有效的监督，采取有效的解决措施，同时重视设备的清洁，避免各种病人、污物等对设备的正常使用造成负面影响，从而使继电器的实际效果更加充分地发挥，保证运行维护工作具有很高的实效。在微机设备上，要重视设备的高品质维护、系统密码和参数的科学设置，保证设备的可靠和稳定。同时，要认真探索和分析设备跳闸故障，对故障原因、表征等进行了细致的记录，注重实践经验的总结，以便更好地发挥各个环节的运维管理操作的实效性[5]。

随着信息化的来临，计算机软件和硬件也在不断的发展和应用，因此，要改进和改进计算机的保护功能是一个不容忽视的问题。在水力发电厂机组的实际操作中，应根据实际机组的实际工作状况，对各种类型的保护设备进行科学的设置，并运用信息技术和计算机技术对其进行有效的设计，从而达到提高整个机组的实效性。除此以外，还需要进一步加强其他功能的要求，如加强数据处理能力强、通讯能力、网络资源共享等能力，这些都是继电保护的发展趋势，让水力发电厂机组继电保护的配置及运行维护真正焕发生机。