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黄洞水电站短路电流及继电保护整定的研究

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：陈俊宇

[导读] 摘要：习近平总书记在十九大提出实施乡村振兴战略是建设现代化经济体系的重要基础。

        广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司广西南宁 530023
        摘要：习近平总书记在十九大提出实施乡村振兴战略是建设现代化经济体系的重要基础。小型水电站是乡村经济建设中重要的支撑；贯彻国家的战略，省级水利厅在发展现代化生产技术中，对小型水电站改造中逐步提高了技术要求。本文就针对实际改造中含有已扩容机组和用户变，较为复杂的一例进行分析，大胆提出自己的对策，希望能提高供电可靠性
        关键字：小水电站；保护整定；问题
        黄洞电站是以灌溉为主，结合水力发电的工程为坝后式电站，坝址为黄洞拦河坝，位于大宁河中下游的黄洞瑶族乡黄洞村。黄洞电站加上厂房旁扩建的黄冲电站改造后总装机为3×900+2500=5200kW，通过一回35kV输电线路并入贺州市电网。线路线径均为LGJ-95，输电线路长度约13.8km。35kV母线上为一台升压主变，电压等级为38.5±2×2.5/6.3kV，容量为8000kVA；另一台为配电用户变电压等级为38.5±2×2.5/10.5kV，容量为6300kVA（为近区用户和乡镇居民送电）。
        一、短路电流计算
        本电站改造中发现，电站主接线较为复杂，既有本次改造的3×900kW机组（1～3F），又有原扩容产权另属的2500kW（4F）机组，另有10.5kV用户侧配电网。判断最大最小运行方式时候，较为困难。

        通过收集资料获知，上级变电站接入侧35kV母线阻抗有名值：最大运行方式为3.88欧，最小运行方式为4.618欧；计算35kV线路时按4欧每公里（标幺值），全长约11km。改造的发电机阻抗标幺值按厂家的0.296欧（1～3F机组），原有的4F发电机组阻抗标幺值0.2欧。T1变压器阻抗电压百分比(Ud%)为7.47%， T2用户变阻抗电压百分比(Ud%)为7.5%。
        在计算k1点短路电流时，需要计算最大短路电流来校验设备的短路能力。本次改造把1～4F机组发电加35kV系统接入容量折算到10.5kV作为k1点最大运行方式的短路容量；经计算校验后选择满足要求的母线截面和分断能力足够的上下级开关。为保证10kV母线运行时发生短路情况能跳闸保护其他设备，需要计算最小运行方式的短路容量；而在本工程中，有五个短路容量输入源，且牵涉到不同产权发电户，较难判断运行工况。经计算发现按最短路容量源，即只开1～3F机组中其中一台机组，同时断开其他源，当10.5kV母线两相短路时；短路电流非常小，甚至达不到变压器额定工作电流，无法保证变压器、发电机组的跳闸保护。但倘若不加保护，任由短路情况持续，则会严重破坏10kV母线端设备，甚至影响维护人员及用电户的人身安全。经与业主单位协调和实际调研后，认为应在运行制度中，对上述运行工况进行严格监管，并同时将继电保护的最小运行工况调整为只接入35kV电网系统同时断开全站所有发电机组（1～4F机组）。此时当10.5kV母线发生两相短路时能满足T2用户变的跳闸灵敏度要求，同时发生警告并要求切断10kV母线侧设备。
        计算k2点短路电流时，继续沿用上述思路。把1～4F机组发电加35kV系统接入容量折算到6.3kV母线，作为k2点最大运行方式的短路容量；经计算校验后选择满足要求的母线截面和分断能力足够的上下级开关。为保证6.3kV母线运行时发生短路情况，能跳闸保护其他设备，需要计算最小运行方式的短路容量。而经计算后发现，在断开35kV电网系统情况下，无论只开1～3F机组中其中一台发电机，或者4F发电机，最小运行方式工况的两相短路电流仍然非常小，无法保证变压器、发电机组的跳闸保护。但倘若不加保护，任由短路情况持续，则会严重破坏6.3kV发电机组设备。从实际出发，应该调整最小运行方式的工况。假如我们跟前面k1点最小运行工况思维一样，按只接入35kV电网系统，断开1～4F发电机组运行，计算的6.3kV两相短路电流能满足T1主变压器的跳闸灵敏度要求。但实际上并无意义，1～4F发电机组全停机的情况下，T1主变压器应同时停机。故在本改造工程中，将6.3kV母线设计并入1～4F发电机成套开关柜中（母线贯通），制作标准符合国标要求，很大情况避免的6.3kV母线短路情况。
        计算k3点短路电流时，把1～4F机组发电加35kV系统接入容量折算到37kV母线，作为k3点最大运行方式的短路容量；经计算校验后选择满足要求的母线截面和分断能力足够的上下级开关。为保证37kV母线运行时发生短路情况，能跳闸保护其他设备，需要计算最小运行方式的短路容量。在选择最小运行工况时，应选择1～4F机组不发电同时接上35kV电网系统（此时仍然向用户侧供电）的工况。此时35kV母线两相短路电流能满足T1主变及T2用户变跳闸保护的要求，并告警要求断开35kV线路侧开关。
        在工程设计中，并非只计算上述工况就能满足站内设备的继电保护要求。在T1主变差动速断保护中，仍要求校验按至少开一台最小机组同时接入35kV电网系统的工况对主变高压侧开关进行速断值整定（约为4In）。在T1主变高低侧复合电压过电流保护中，要求按至少开一台最小机组同时接入35kV电网系统的工况，k3点两相短路电流折算到变压器高低压侧互感器对过流Iop进行灵敏度校验。而在T2用户变差动速断保护中，要求校验机组全关时，仅接入35kV电网系统，10.5kV母线k1点发生两相短路时的短路电流，进行用户变高压侧开关速断值整定（约为4In）。T1主变和T2用户变的过负荷保护则按相关规程要求，按1.1倍的过负荷系数进行高低压侧过负荷电流进行整定。T1主变和T2用户变均设置有比率制动纵差保护，按要求设差动电流启动值（约为0.5In），拐点电流和比率制动斜率（约为0.5）。
        进一步整定继电保护时候，也需要厂家提供保护装置的资料。对差动保护中的启动电流、比率制动斜率、拐点电流要求等，要求按厂家的图例及公式进行调整计算；且整定值宜不超过厂家的建议范围。如根据厂家建议，本工程选择发电机差动保护启动电流为0.4Ie，比率制动斜率为0.5，拐点电流为0.7Ie，平衡系数Kph为1，比率制动系数Kz为0.4，校验动作灵敏度大于2，发电机差动速断电流设置为4Ie。在后面调试运行时候，接到业主的反馈运行两台机组时，10kV近区用户投入运行时，发电机保护发生了跳闸现象。在现场检查时，设计方发现该情况发电机差动保护跳闸时，差动电流Ic3是Ia3，Ib3的三倍多，不符合常规情况。运维人员对逐个设备工况排除异常，也并没有发现问题；最后设计提出检查并检定发电机出线和定子端电流互感器，运维也验证了实际改造中，施工方并未更换发电机端电流互感器，与改造后的电流互感器在容量等参数上不匹配。经更换发电机端互感器后，满足了正常运行要求。
        结语：
        典型设计在平常运用较多，但碰上实际复杂情况不应感到措手不及。从普遍设备选型初定后，应按实际情况认真钻研继电保护，这才是考验设计人员的能力。设计还应时常回访或处理现场运维问题，从而总结提高自身技术能力。在小型水电站新建或改造过程中，逐步提高的技术，也提供了可靠、安全、便捷的整体方案，为现代化农村事业夯实了基础。
        参考文献：
        [1] 《小水电站接入电力系统技术规定》 SL 522-2010
        [2] 《农村低压水轮发电机组继电保护现状及改进》鲁建范
        [3] 《水电厂计算机监控系统试验验收规程》 DL/T822-2012