水电站继电保护的配置及整定计算

一、概述

      本文以小水电比较常见的2机1变1出线主接线为例，对农村水电站继电保护的配置及整定计算进行了详细介绍。电站主接线见图1。

      在图1中，两台发电机出线电压为6.3kV（小水电也有0.4kV），联结到6.3kV母线上，经过1台10kV/6.3kV（实用中也有35kV/6.3kV）主变升压后送出与系统联接。

    图1  农村水电站一般接线

二、水轮发电机保护配置和整定计算

1、差动保护（一般型式比率差动）

      保护发电机内部及引出范围内的相间短路，由发电机中性点侧电流互感器2和出线侧电流互感器5接线组成（2号机组由2＇、5＇接线组成）。

      一般动作门槛电流取（0.3-0.4）Ⅰe，Ⅰe为发电机的额定电流；

      差动制动门栏电流取1.0Ⅰe；

      保护中性点侧和出线侧的平衡系数相同：

      比例制动系数一般取0.2-0.3；

      二次谐波制动系数一般取0.15-0.2；

      差动速断动作电流按躲开正常运行时电流互感器二次回路断线不会误动整定，一般取（1.3-1.5）Ⅰe；

      差动保护动作时限零秒，保护动作结果：灭磁，跳开发电机出线开关K1、停机。

2、复合电压启动的过电流保护

      本保护作为发电机差动的后备保护和主变的后备保护，由发电机中性点侧电流互感器1和电压互感器1YH接线组成（2号机组由1＇和2YH接线组成）。

      过电流整定值一般取（1.40-1.50）Ⅰe，Ⅰe为发电机一次额定电流；

      低电压额定值一般取0.70Ue，Ue为发电机额定线电压；

      负序电压闭锁值一般取4-6V；

      动作时限按相邻元件保护的最大时限+Δt （即应大于10kV线路过电流保护和主变过电流保护的时限）；Δt为时间级差，一般取0.3秒；

      保护动作结果：灭磁、跳开发电机出线开关K1。

3、过电压保护

      作为发电机因运行中突然甩负荷等原因引起转速升高而产生定子过电压的保护，由电压互感器1YH接线组成（2号机由2YH接线组成）。

      过电压整定值一般取1.50-1.70Ue，Ue为发电机额定线电压；

      保护时限一般取0.5秒，以躲过暂态的过电压；

      保护动作结果：灭磁、跳开发电机出线开关K1。

4、失磁保护

      发电机在运行中，如果突然失去励磁，将引起电压下降，输出无功功率减少，系统向发电机输入无功，使发电机进相运行变成异步状态，机组不稳定，应加以保护，解列发电机。有两种情况：

    （1）运行中如果灭磁开关因各种原因跳闸引起失磁，可以用灭磁开关的辅助常闭接点连锁跳闸发电机出线开关K1，解列发电机。

    （2）其他原因引起励磁减少或失磁，可以装设失磁保护阻抗继电器，它由电流互感器1和电压互感器1YH接线组成，利用发电机失磁以后，发电机电抗由感性变成容性的特点，阻抗继电器的动作特性圆的整定值ZA和ZB的二次值计算如下：

      式中，Ue为发电机额定线电压(kV)；Pe为发电机额定容量(MW)；NLH为电流互感器变比；NYH为电压线圈变比；Xd＇为发电机直轴暂态电抗（标幺值）；Xd为发电机直轴同步电抗（标幺值）。

      保护动作时限按躲过系统振荡周期整定；

      保护动作结果：跳开发电机出线开关K1。

5、转子一点接地保护

      水轮发电机在转子线圈发生一点接地情况下，再发生另外一点接地时，必将引起转子线圈短接，使励磁畸变，引起发电机剧烈震动，所以对转子线圈发生一点接地时应发告警信号，这时迅速查明原因，及时消除，如不能消除，要安排停机检查。一般转子回路的一点接地阻抗达到15KΩ及以下时，经过2～3s发告警信号。

6、过负荷保护

      当发电机负荷超过额定负荷约1.15-1.20倍时，由电流互感器1接线组成的过负荷保护经过时限 5 s发出告警信号。

7、6.3kV系统单相接地保护

      由电压互感器3YH低压侧开口三角形零序电压接出构成单相接地保护，整定值一般取零序电压3Uo=15V时，保护动作时限一般取5 s。

      保护动作结果：发告警信号，这时应查明原因，加以消除，一般运行时间不超过2 h。

三、主变压器保护配置及整定计算

1、 瓦斯保护

      规范规定800kVA及以上的充油变压器都装设瓦斯继电器，内有重瓦斯和轻瓦斯的接点输出。重瓦斯反应油面迅速下降及内部故障使油膨胀油流速达0.6m/s时动作结果跳闸变压器高低压侧开关，轻瓦斯反应内部气体积聚量达一定数量时动作，发出警告信号。这时要注意气体分析及产生气体的时间间隔以判断内部故障的性质。瓦斯保护是主变压器内部故障的主保护。

2、 差动保护（比率差动）

接线型式一般有两种：

      （1）主变低压侧有安装开关K3时；由电流互感器7、9接线组成差动保护，保护范围为变压器内部及引出线的相间短路。

      （2）主变低压侧没有安装开关K3时；由电流互感器5、5＇、9接线组成，大差动保护范围为变压器内部及6.3kV母线、开关等的相间短路。

      整定值计算如下：

      计算变压器高（低）压侧的平衡系数Ks高及Ks低

      差动启动电流一般取0.3-0.4Ⅰe，Ⅰe为变压器的额定二次电流；

      差动速断一般取（6-8）Ⅰe；

      若差动保护以6.3kV侧为基准，则Ⅰe为变压器6.3kV侧的额定二次电流，电流制动特性曲线斜率一般取0.4-0.6；

      二次谐波制动系数一般取0.15-0.2；

      保护动作时限为零秒；

      保护动作结果，跳开变压器高低压侧开关K1、K2、K4或K3、K4。

3、过电流保护

      过电流保护作为差动保护的后备保护，并通过低电压闭锁。

（1）低压侧过电流保护

      由电流互感器8和电压互感器3YH接线构成低电压闭锁过电流保护，过电流整定值一般取（1.40-1.50）Ⅰe低，Ⅰe低为低压侧额定二次电流，低电压闭锁取线电压70V；

      动作时限按相邻元件保护的最大时限+Δt ，即应大于高压侧过电流保护的时限；

      保护动作结果跳开变压器低压侧开关K3和高压侧开关K4。

（2）高压侧过电流保护

      由电流互感器10和电压互感器4YH接线拼成。

      过电流整定值一般取（1.40-1.50）Ⅰe高，Ⅰe高为高压侧额定二次电流。

      低电压闭锁取线电压70V；

      动作时限按相邻元件保护的最大时限+Δt ，即应大于10kV线路过电流保护的时限； Δt为时间级差，一般取0.3秒；

      保护动作结果跳开变压器高压侧开关K4和低压侧开关K3。

4、过负荷保护

      由电流互感器8接线构成，过电流整定值一般取（1.20-1.30）Ⅰe低，Ⅰe低为主变压器低压侧额定二次电流。

      保护时限一般取5秒，保护动作结果发告警信号。

四、送出线路保护

      农村水电站由于装机容量都比较小，送出线路大多是10千伏或35千伏，一般保护的配量及整定计算如下：

（1）Ⅰ段过电流保护（电流速断），以10kV出线为例：

      由10kV侧电流互感器11接线构成。

      一般二次电流整定值取：

      式中，1.5为可靠系数；5500A为基准短路容量100MVA下的10kV基准电流；Z发为换算到100MVA时的发电机电抗标幺值：

      ，Xd＂为发电机次暂态电抗标幺值，Se发为发电机额定容量（MVA）；Z主变为换算到100MVA时的主变电抗标幺值

      ，UK为主变压器的短路阻抗标幺值，Se变为变压器额定容量（MVA）；Z线路为换算到100MVA时的送出线路阻抗

      ，Z为10kV送出线路阻抗值，一般取电缆线路0.08Ω/每公里，架空线路0.4Ω/km，Z=0.08L1+0.4L2(Ω)， L1L2为按电缆线路、架空线路的长度（km）； KLH为电流互感器变比。

      Ⅰ段过电流保护， 范围仅是送出线路全长的（70～80）%；

      保护动作时限为零秒；

      保护动作结果跳开10kV出线开关K4。

（2）Ⅱ段过电流保护

      由10kV侧电流互感器11接线构成。

      一般二次电流整定值取：

      另外：Ⅱ段过电流的保护范围不能伸出下级10kV负荷变压器及其低压侧。

      动作时限按相邻保护的最大时限+Δt （即应大于相临10kV线路Ⅱ段过电流保护时限），如没有相临10kV线路，则可取0.3秒。

       Δt为时间级差，一般取0.3秒；

      保护动作结果跳开10kV出线开关K4。

（3）Ⅲ段过电流保护

      由10kV侧电流互感器11接线构成。

     一般二次电流整定值取（1.3-1.5）Ⅰe/KLH。

     Ⅰe为10kV线路最大运行电流。

     动作时限按相邻保护的最大时限+Δt ，及本线线路保护Ⅱ段过电流时限+Δt。（即应大于相临10kV线路过电流保护时限及本线Ⅱ段过电流的后备保护），如没有相临线路保护，则可取0.6秒；

     Ⅲ段过电流的保护范围已延伸到下10kV负荷变压器及其低压侧；

     保护动作结果跳开10kV出线开关K4。

（4）10kV系统单相接地保护

     由10kV母线上电压互感器4YH低压侧开口三角形零序电压接出构成单相接地保护。

     一般取零序电压整定值15V，动作时限5秒，动作结果发警告信号。

（5）低周解列保护

     一般农村水电站通过输出线路与系统并网运行，由于系统大周波平稳，所以水电站运行也相当稳定，一旦系统由于各种原因发生解列，水电站成为孤岛运行，会出现二秐情况：一种是负荷减少了，发电机周波上升，引起发电机过电压，这时由发电机过电压保护动作来解列发电机，另一种情况是负荷过大了，发电机周波下降，端电压下降，不能继续维持稳定运行，这时候必须靠低周解列保护动作来断开出线开关K4，一般低周解列整定频率为48-49HZ，整定时限为0.2-0.5秒。

（6）带光纤电流差动保护

     有双电源的并网水电站，线路不很长可以配置带光纤电流差动保护作主保护，应用于10kV或35kV架空线路和电缆线路。

     由线路二端的电流互感器接线构成纵差保护，由光纤作传输回路。差动定值可以按照大于2.5倍电容电流整定，按照最小运行方式内部故障时有足够的灵敏度进行校验。对于短线路，由于线路电容电流很小，差动保护有较高的灵敏度，此时可适当抬高分相差动保护定值。

     保护动作时限为零秒。

     保护动作结果跳开线路两端的开关。

五、结 语

     本文对农村水电站的继电保护配置及整定计算作一般的介绍，各农村水电站都有自身的特点，在选配继电保护装置及整定计算时要因地制宜。