基于光学CT的选择性定子接地保护在“两机一变”扩大单元接线方式的应用

杜晶晶

摘要：蜀河水力发电厂为灯泡贯流式水轮机，采用“两机（机组）一变（主变）”扩大单元接线方式，发电机定子接地保护采用基波零序电压与三次谐波电压原理构成，无选择性问题，导致事故范围扩大。安装全光纤的零序电流互感器（光CT）实现选择性，防止事故范围的扩大。此原理已在蜀河水力发电厂发电机上投入使用，总结、积累操作实际经验，为同类型机组调试技术管理提供技术经验。

关键字：两机一变扩大单元接线；定子接地保护；选择性

1 引言

蜀河水电站位于陕西省旬阳县境内的汉江上游，是汉江上游的第六个梯级电站。电厂共安装6台灯泡贯流式机组，总装机容量 270MW，单机容量为45MW。发电机出口采用13.8KV电压等级，“两机一变”扩大单元接线方式，由110KV电压等级三回出线并入陕西电网[1,2]。定子接地保护采用基波零序电压与三次谐波电压原理构成。对于扩大单元接线方式的发电机组，均存在无选择性或选择性差的问题，即任一台发电机发生定子接地故障时，所有并列运行的发电机定子接地保护均将动作，存在事故范围扩大、无法及时故障定位、排查故障耗时长等问题[3,4]。机组保护装置采用的是南京南瑞继保工程技术有限公司PCS-985RS装置。保护系统配置RCS-985RS主保护及后备保护装置各一台，共计1面保护控制柜。

蜀河水力发电厂定子接地保护因无选择性的问题分别于2012年一号发电机出口母排A相接地造成一号机定子接地保护动作，导致同一单元二号机定子接地保护动作和2014年六号发电机A相定子金属性接地造成六号机定子接地保护动作，导致同一单元五号机定子接地保护动作，扩大事故范围、无法及时故障定位、排查故障耗时长等问题。2020年蜀河水力发电厂结合保护装置改造对定子接地保护因无选择性的问题，克服现有定子接地保护原理在扩大单元接线机组上无选择性的不足，避免在“两机一变”扩大单元接线方式下并联运行的发电机，由于任意1台发电机发生接地故障而导致所有发电机的定子接地保护均动作，造成发电机非停事件的发生[5,6]。实现选择性定子接地保护动作功能，防止事故范围的扩大，改造升级完成。结合2020年及2021年3、4号机组保护系统改造，我厂完成物资采购，施工方案审批，在3号发电机出口开关柜安装全光纤的零序电流互感器（光CT）实现零序电流测量，同时检测机端零序电压，将零序电压和零序电流引入保护装置实现选择性定子接地保护，通过保护动作延时和功率方向判别，实现了选择性定子接地保护功能。

本文主要针对蜀河水电站定子接地保护误动的原因进行分析，并针对该保护存在的缺陷及容易产生的问题提出改进方案，供具有类似的厂站提供参考。

2 事故概况及项目整改措施

2.1 事故概况

蜀河水力发电厂定子接地保护因存在无选择性的问题从而导致事故的扩大，具体的事故如下：

（1）2012.07.11 04：51我厂一号发电机出口母排A相接地造成一号机定子接地保护动作，因发电机出口采用13.8KV电压等级“两机一变”的接线方式导致同时二号机定子接地保护动作。

（2）2014.10.16 10:28我厂六号发电机A相定子金属性接地造成六号机定子接地保护动作，因发电机出口采用13.8KV电压等级“两机一变”的接线方式导致同时五号机定子接地保护动作。

图1 3号发电机出口开关前3相母排 图2 3号发电机出口开关前母排

2.2项目整改措施

为了实现选择性定子接地保护动作功能，防止事故范围的扩大，我厂准备结合保护改造升级完成。早在2019年10月设备部保护专业以及保护专家已经完成讨了论分析并进行方案论证，确定了两套基于零序方向判别的选择性定子接地保护功能实现方案。

方案一是：采用电磁型穿芯 CT（传统CT），经调研，适用我厂保护装置的型号的CT已经停产，需要联系订做，且该CT采集性能较差，存在准确度不高的问题,保护可靠性较差，购买该型号CT及电缆等费用预算单台机组改造费用15万元。

方案二是：同一单元的2台机组只加装一套基于零序方向判别的选择性定子接地保护，发电机组保护改造时加装零序功率方向判别，通过保护动作延时和功率方向判别，即可满足改造要求，系统简单，可以节省成本和工程量，也可以实现改造要求，2台机组改造费用近20万元，经过多方调研论证，该方案最终得到有关专家的认可。

方案二的具体实施过程如下：

1. 结合2020年4月份完成的4号机组大修，对4号发电机差动保护装置进行整体更换为PCS-985GR，发电机后备保护装置整体更换为PCS-985GS。

2. 蜀河水力发电厂3号发电机继电保护装置系统现为RCS-985RS，结合2021年3月份完成的3号机组大修，对3号发电机继电保护装置进行整体更换为PCS-985RS-H2。

3. 在3号发电机出口开关柜安装光学电流互感器 CT（南瑞继保生产PCS-9250-OFC，。光CT安装在13.8KV二号高压配电室3号机出口开关柜）实现零序电流测量，同时检测机端零序电压，并用电缆将光 CT信号送至PCS-220GC-H2光学电流互感器采集单元内（采集单元安装在13.8KV二号高压配电室3号机出口开关柜附近），然后将采集单元处理后的信号送至保护室3号机组新加装的PCS-985RS-H2保护装置。

图3 3号发电机光学CT接线示意图

4. 由于蜀河水力发电厂采用“两机一变”扩大单元接线方式，定子接地保护采用基波零序电压与三次谐波电压原理构成，存在定子接地故障时无选择性问题。当任一台发电机发生定子接地故障时，所有并列运行的发电机定子接地保护均将动作跳闸（无选择性），扩大了事故范围。本次改造在3号发电机新保护装置内加装零序功率方向判别逻辑程序，通过保护动作延时和功率方向判别，3、4号机组公用一套基于零序方向判别的选择性定子接地保护，满足蜀河电厂3、4号机组“两机一变”扩大单元接线方式保护选择性跳闸改造要求，提高保护动作选择性。接线原理图3所示。

5. 完成保护装置及光学CT的安装接线。

6. 完成改造后的保护系统与保护信息子站、故障录波、PMU、监控等系统的通讯。

7. 完成基于光学CT的选择性定子接地保护试验，并网观察。机组正常启动并网后，在升负荷过程中，通过观察装置显示，或手动启动录波，获取不同负荷工况的不平衡零序电流状态。取最大不平衡电流，并保留一定裕度，作为零序方向元件中零序电流有效的门槛定值，完成定值校核设定，设备投运。

3 改造后的效果

1. 图4为光学CT结构示意，采用电磁型穿芯 CT（传统CT），经调研，适用我厂保护装置的型号的CT已经停产，需要联系订做，且该CT采集性能较差，存在准确度不高的问题，保护可靠性较差，购买该型号CT及电缆等费用预算单台机组改造费用15万元，光学CT实物如图5所示。同一单元的2台机组只加装一套基于零序方向判别的选择性定子接地保护，发电机组保护改造时加装零序功率方向判别，通过保护动作延时和功率方向判别，即可满足改造要求，系统简单，可以节省成本和工程量，也可以实现改造要求，2台机组改造费用近20万元。（图6光学CT安装与3号机出口开关柜进线侧），光学CT最终的安装效果图如图7所示。

2. 光学电流互感器测量零序电流具有测量精度高，不受安装空间及导体位置影响、无饱和问题、无开路过电压等问题，因此具有较高的推广及应用价值。汉江蜀河电厂“3号、4号机组扩大单元接线方式光学电流互感器的选择性定子接地保护”投运后运行稳定可靠，提高了保护动作的可靠性，缩小了故障范围，夯实了安全基础，为保护系统的改造提供了新的范例。

图4 光学CT结构示意图 图5 光学CT实物图

图6 光CT安装位置与安装方式示意图

图7 光学CT安装效果图

4 结论

近年来，发电厂扩大单元接线方式日益增多，对继电保护的动作行为要求也越来越高，而继电保护技术未能及时适应这种需求，从而造成设备运行管理的不便和事故隐患。RCS-985/S 选择性定子接地保护实现了发电机内部定子单相接地故障时，选择性定子接地保护正确动作；发电机区外单相接地故障时，选择性定子接地保护可靠不动作。满足继电保护对灵敏度和选择性的要求，对具有类似电气结构的厂站具有参考价值。

参考文献

[1]马明祺. 浅谈蜀河水电站一号发电机组短路升流试验[J]. 引文版:工程技术, 2016, 000(007):P.298-298,318.

[2]贾继明. 浅谈汉江蜀河水电站变形监测控制网建立方案[J]. 工业B, 2015, 000(039):P.92-93.

[3]黄健明, 邓亦培. 一起主变复压过流保护误动的分析和改进[J]. 广西电业, 2011(11):85-87.

[4]杨琼, 李炬, 应伟刚,等. 选择性定子接地保护在扩大单元接线机组中的应用[J]. 电力建设, 2011, 32(012):57-60.

[5]杨启东, 屈慢莉. "两机一变"主变复压过流保护动作事故分析及改造[J]. 广西电业, 2013, 000(007):80-81.

[6]熊前刚, 雷智勇. 一起主变差动保护误动的原因分析[J]. 电力安全技术, 2008(09):33.

1