抽水蓄能电站专用功率控制的断路器失灵保护整定方法与流程

1.本发明属于抽水蓄能电站断路器失灵保护领域，具体涉及一种抽水蓄能电站专用功率控制的断路器失灵保护整定技术。


背景技术：

2.断路器失灵保护是指故障电气设备的继电保护动作发出跳闸命令而断路器拒动时，利用故障设备的保护动作信息与拒动断路器的电流信息构成对断路器失灵的判别，能够以较短的时限切除其他有关的断路器，使停电范围限制在最小，从而保证整个电网的稳定运行，避免造成发电机、变压器等故障元件的严重烧损和电网的崩溃瓦解事故。
3.抽水蓄能电站具有发电、发电调相、抽水、抽水调相、停机稳态等多种工况。同时抽水蓄能机组启停频繁，工况转换复杂，发电机出口断路器分合频繁，断路器拒动概率较大。但电力系统内通用的失灵保护配置及整定计算方法无法满足现抽水蓄能电站需要，严重影响一次设备及电力系统安全稳定运行。
4.变电站、火电厂及新能源电站运行方式较为简单，开关合闸时，相关一次设备接入电力系统。开关分闸时，相关一次设备与电力系统解列。抽水蓄能机组设置工况较多，工况转换复杂，大部分抽水蓄能电站具备背靠背启动功能，当机组作为拖动机组时，拖动机组换相刀闸分闸(拖动机组与电网无直接联系)，但出口开关(gcb)合闸，且拖动过程中出口开关一直通过较大电流，此时若失灵保护误启动，失灵保护将直接出口跳闸，失灵保护存在误动可能。
5.因此有必要根据抽水蓄能电站运行特点，设计一种抽水蓄能电站专用的断路器失灵保护，从而充分发挥失灵保护功能，确保电网安全。


技术实现要素：

6.针对目前国内通用的失灵保护主要针对短路故障情况下断路器失灵情况，相电流整定值偏大，非短路故障及正常分开关等情况下断路器失灵，失灵保护无法动作出口，不能满足抽水蓄能电站运行需求的问题，本发明提供一种抽水蓄能电站专用功率控制的断路器失灵保护整定方法，大大降低正常运行时失灵保护误动概率。
7.本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种抽水蓄能电站专用功率控制的断路器失灵保护整定方法，失灵保护动作时，需切除其他有关的断路器，影响范围较大，因此需采取措施，既要防止失灵保护误动，又要确保断路器失灵时正确动作。
8.机组在并网稳态工况、抽水调相转抽水、抽水转抽水调相、发电转发电调相和发电调相转发电工况下，断路器一直处于合闸状态，此时调节失灵保护相电流定值大于稳态运行时的电流。
9.机组并网工况转停机时，断路器执行分闸操作，当断路器拒动时，发电机相电流存在两种状态，一种为短路故障时，相电流大于失灵保护相电流定值(设置有高定值和低定值，功率大时调节到高定值，功率在某个范围内调节到低定值)；另一种为非短路故障下停
机，相电流小于失灵保护相电流定值，此时下调失灵保护相电流定值，确保该状态下发电机相电流大于失灵保护相电流定值。
10.发电机出口断路器失灵保护相电流定值根据有功功率不同设定相应的定值，将失灵保护相电流定值整定如下：
11.1)|p|≥60mw或|p|≤30mw时，相电流元件1应可靠躲过发电机额定电流，即：
[0012][0013]
2)30mw＜|p|＜60mw时，为保证非短路故障下断路器失灵时可靠动作，相电流元件2应按发电机并网且转轮已回水的状态下发电机相电流整定，即：
[0014][0015]krel
：可靠系数，取0.8～0.9。
[0016]
p1：发电机并网且转轮已回水的状态下发电机有功功率绝对值。
[0017]
un：发电机额定电压。
[0018]
na；电流互感器变比。
[0019]
依据以上两条整定原则，可确保稳态工况下失灵保护相电流定值大于运行电流，有效防止失灵保护误动。
[0020]
其中，机组并网工况下有功功率大小如下：
[0021]
1)发电工况和抽水工况下，发电机有功功率绝对值为150mw～300mw。
[0022]
2)发电调相工况和抽水调相工况下，发电机有功功率绝对值为4mw～7mw。
[0023]
2)抽水调相转抽水、抽水转抽水调相、发电转发电调相和发电调相转发电工况下，发电机有功功率绝对值为4mw～300mw。
[0024]
3)断路器失灵(短路状态下)时，发电机有功功率绝对值大于300mw。
[0025]
4)断路器失灵(非短路状态下)时，发电机有功功率绝对值40mw～50mw。
[0026]
进一步地，在进行失灵保护整定前，还包括如下步骤：
[0027]
步骤1：抽水蓄能机组稳态工况分析；
[0028]
步骤2：抽水蓄能机组暂态工况分析；
[0029]
步骤3：抽水蓄能机组出口断路器失灵状态分析。
[0030]
进一步地，还包括失灵保护闭锁元件，针对机组作为拖动机时，发电机出口开关在“合”位，但发电机与电网无直接联系时，在在现有断路器位置闭锁的基础上，增加prd(换相刀闸))位置闭锁，当prd在“合”位时，闭锁失灵保护出口跳闸。
[0031]
进一步地，抽水蓄能机组稳态工况分析时，并网状态下长期稳态运行的工况包括发电、发电调相、抽水和抽水调相。
[0032]
进一步地，抽水蓄能机组常用暂态工况可分为两种，第一种为解列状态下工况转换，第二种为并网状态下工况转换；解列状态下工况转换包括停机稳态至发电、停机稳态至发电调相、停机稳态至抽水调相。并网状态下工况转换包括抽水调相转抽水、抽水转抽水调相、发电转发电调相、发电调相转发电、并网工况下转停机。
[0033]
进一步地，解列状态下发电机断路器或换相刀闸在分闸位置，发电机与电力系统无直接联系，应闭锁失灵保护，无需考虑此时失灵保护相电流定值。
[0034]
进一步地，机组并网工况转停机时，短路故障状态下发电机相电流大于失灵保护相电流元件定值，失灵保护可正确动作跳闸，快速切除故障；非短路故障状态下发电机出口开关三相拒动时的发电机吸收有功功率在40mw-50mw范围内,发电机相电流小于失灵保护相电流元件定值，失灵保护无法动作出口跳闸。
[0035]
本发明的有益效果：
[0036]
1、根据抽水蓄能电站的运行工况多，工况转换复杂，发电机出口断路器分闸次数多的特点，设置失灵保护相电流高定值、低定值，可满足抽水蓄能机组各种工况运行，大大降低失灵保护拒动概率。
[0037]
2、通过分析不同工况下有功功率及断路器失灵时有功功率的特点，将失灵保护相电流定值与有功功率绝对值关联起来，发明出一种功率控制的失灵保护逻辑，确保机组安全稳定运行。
[0038]
3、根据抽水蓄能机组背靠背启动工况的运行特点，增加换相刀闸(prd)“分”位闭锁失灵保护的逻辑，可大大降低拖动过程中失灵保护误动概率。
[0039]
4、失灵保护相电流高定值、低定值及功率定值可人为整定，使用灵活方便，除应用于抽水蓄能电站外，还可应用于光伏发电厂、风电厂等负荷变化较大的电厂，使用前景巨大。
附图说明
[0040]
图1是2022年1季度8家抽蓄电站台均分闸次数统计表。
[0041]
图2是发电机出口开关通用失灵保护跳闸逻辑图。
[0042]
图3是抽水蓄能电站专用功率控制失灵保护跳闸逻辑图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0044]
实施例1：一种抽水蓄能电站专用功率控制的断路器失灵保护整定方法，该方法是针对目前国内通用的失灵保护主要针对短路故障情况下断路器失灵情况，相电流整定值偏大(一般为1.161.44额定电流)，非短路故障及正常分开关等情况下断路器失灵，失灵保护无法动作出口，不能满足抽水蓄能电站运行需求的问题而改进。
[0045]
1.关于通用断路器失灵保护配置及整定方法介绍如下。
[0046]
通用失灵保护由启动回路、延时及跳闸出口回路组成，其中启动回路包括启动元件、闭锁元件、电流判别元件构成，通用配置如图2所示。
[0047]
启动元件通常利用保护跳闸出口回路本身，可直接用瞬时返回的出口跳闸继电器触点，也可与出口跳闸继电器并联的、瞬时返回的辅助中间继电器触点，触点动作不复归表示断路器失灵。
[0048]
判别元件以不同的方式鉴别故障确未消除。现有运行设备采用相电流、负序电流的“有流”判别方式。保护动作后，回路中仍有电流，说明故障确未消除。时间元件是断路器失灵保护的中间环节，为了防止单一时间元件故障造成失灵保护误动，时间元件应与启动回路构成“与”逻辑后，再启动出口继电器。失灵保护的闭锁一般由出口开关分闸位置节点实现。
[0049]
依据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则dlt 684-2012》4.8.8：相电流元件应可靠躲过发电机额定电流。
[0050][0051]
式中：
[0052]krel
：可靠系数，取1.11.3。
[0053]
kr：返回系数，取0.90.95。
[0054]ign
：发电机额定电流。
[0055]
na；电流互感器变比。
[0056]
依据该整定原则，相电流元件定值范围为1.161.44额定电流。
[0057]
2.抽水蓄能电站断路器失灵情况分析如下。
[0058]
抽水蓄能机组具有发电(ge)、抽水(pu)、发电调相(gc)、抽水调相(pc)、停机稳态(ss)、旋转备用(sr)、线路充电(ch)、黑启动(bs)八种稳定工况，另外还有ts、la、nl三种中间工况。机组发电(发电、发电调相、拖动机及线路充电工况)运行时，机组旋转方向为逆时针(俯视)，机组抽水(抽水、抽水调相工况)运行时，旋转方向为顺时针(俯视)。抽水工况启动方式有：静止变频器(sfc)启动、背靠背启动。
[0059]
常用工况转换有以下多种：
[0060]
——静止转发电工况、发电工况转静止；
[0061]
——静止转抽水工况、抽水工况转静止；
[0062]
——静止转发电方向调相工况、发电方向调相工况转静止；
[0063]
——静止转抽水方向调相工况、抽水方向调相工况转静止；
[0064]
——静止转旋转备用工况，旋转备用工况转静止；
[0065]
——静止转线路充电工况；
[0066]
——静止转黑启动工况；
[0067]
——发电工况转发电方向调相工况、发电方向调相工况转发电工况；
[0068]
——抽水工况转抽水方向调相工况、抽水方向调相工况转抽水工况；
[0069]
——抽水工况转发电工况。
[0070]
统计国内8家已投产抽蓄电站，2022年1季度台均断路器分闸次数为232.5次，具体数据详见图1，开关每次分闸均存在拒动可能。
[0071]
本次统计的8家抽蓄电站，共安装32台发电电动机，其中额定容量300mw机组的20台，额定容量250mw机组的8台，额定容量200mw机组的4台。以额定容量300mw的机组为例，非短路故障状态下发电机出口开关三相拒动时的发电机吸收有功功率在40mw～50mw范围内，此时相电流约为0.13％～0.17额定电流。
[0072]
关于上述通用断路器失灵保护配置及整定方法在应用时存在问题：
[0073]
1、发电机正常停机或非短路故障保护跳闸时，若发电机出口断路器拒动，发电机相电流(0.130.17额定电流)未达到失灵保护相电流元件定值(1.161.44额定电流)，失灵保护无法出口跳闸，严重影响发电机及电力系统安全稳定运行。
[0074]
2、背靠背工况为抽水蓄能电站特有工况，背靠背启动时，1台机组(托动机)拖动另外一台机组(被托动机)抽水工况启机，直至被拖动机组抽水调相工况并网。在背靠背启动
过程中，拖动机组出口开关一直在合闸状态，同时开关本体流过启动电流，失灵保护判据gcb合位条件一直满足，存在误动可能。
[0075]
3.采用抽水蓄能电站专用功率控制的失灵保护整定方法如下。
[0076]
3.1抽水蓄能机组稳态工况分析
[0077]
抽水蓄能机组运行工况复杂，并网状态下可长期稳态运行的工况包括发电、发电调相、抽水、抽水调相，各稳态工况下有功功率可在一定范围内变化，以宝泉电站300mw机组为例，各稳态工况下有功功率范围如下：
[0078]
表1稳态工况下有功功率(单位：mw)
[0079]
运行工况发电工况抽水工况抽水调相工况发电调相工况有功功率150300-300-(47)-(47)
[0080]
3.2抽水蓄能机组暂态工况分析
[0081]
抽水蓄能机组常用暂态工况可分为两种，第一种为解列状态下工况转换，第二种为并网状态下工况转换。解列状态下工况转换包括停机稳态至发电、停机稳态至发电调相、停机稳态至抽水调相。并网状态下工况转换包括抽水调相转抽水、抽水转抽水调相、发电转发电调相、发电调相转发电、并网工况下转停机。
[0082]
解列状态下发电机断路器或换相刀闸在分闸位置，发电机与电力系统无直接联系，应闭锁失灵保护，无需考虑此时失灵保护相电流定值。
[0083]
并网状态下暂态工况有功功率范围如下：
[0084]
表2并网状态下暂态工况有功功率(单位：mw)
[0085][0086][0087]
3.3抽水蓄能机组出口断路器失灵状态分析
[0088]
机组并网工况转停机时，短路故障状态下发电机相电流大于失灵保护相电流元件定值，失灵保护可正确动作跳闸，快速切除故障。非短路故障状态下发电机出口开关三相拒动时的发电机吸收有功功率在40mw-50mw范围内,发电机相电流小于失灵保护相电流元件定值，失灵保护无法动作出口跳闸。
[0089]
3.4失灵保护整定方法
[0090]
失灵保护动作时，需切除其他有关的断路器，影响范围较大，因此需采取措施，既要防止失灵保护误动，又要确保断路器失灵时正确动作。
[0091]
机组在并网稳态工况、抽水调相转抽水、抽水转抽水调相、发电转发电调相、发电调相转发电等工况下，断路器一直处于合闸状态，为防止失灵保护误动作，此时失灵保护相电流定值应大于稳态运行时的电流。
[0092]
机组并网工况转停机时，断路器执行分闸操作，存在断路器拒动可能。断路器拒动时，发电机相电流存在两种状态，一种为短路故障时，相电流较大，一般情况下大于失灵保护相电流定值(设置有高定值和低定值，功率大时调节到高定值，功率在某个范围内调节到低定值)。另一种为非短路故障下停机，此时相电流较小，小于失灵保护相电流定值，为保证非短路故障停机过程中断路器失灵时，失灵保护正确动作，应下调失灵保护相电流定值，确保该状态下发电机相电流大于失灵保护相电流定值。
[0093]
综合以上分析，发电机出口断路器失灵保护相电流定值应根据工况，设置不同定值，计划根据有功功率不同设定不同定值，机组并网工况下有功功率大小如下：
[0094]
1)发电工况、抽水工况下，发电机有功功率绝对值为150mw～300mw。
[0095]
2)发电调相工况、抽水调相工况下，发电机有功功率绝对值为4mw～7mw。
[0096]
2)抽水调相转抽水、抽水转抽水调相、发电转发电调相、发电调相转发电等工况下，发电机有功功率绝对值为4mw～300mw。
[0097]
3)断路器失灵(短路状态下)时，发电机有功功率绝对值大于300mw。
[0098]
4)断路器失灵(非短路状态下)时，发电机有功功率绝对值40mw～50mw。
[0099]
根据以上分析，可将失灵保护相电流定值整定如下：
[0100]
1)|p|≥60mw或|p|≤30mw时，相电流元件1应可靠躲过发电机额定电流，即：
[0101][0102]
2)30mw＜|p|＜60mw时，为保证非短路故障下断路器失灵时可靠动作，相电流元件2应按发电机并网且转轮已回水的状态下发电机相电流整定，即：
[0103][0104]krel
：可靠系数，取0.8～0.9。
[0105]
p1：发电机并网且转轮已回水的状态下发电机有功功率绝对值。
[0106]
un：发电机额定电压。
[0107]
na；电流互感器变比。
[0108]
依据以上两条整定原则，可确保稳态工况下失灵保护相电流定值大于运行电流，有效防止失灵保护误动。
[0109]
3.5失灵保护闭锁元件
[0110]
针对机组作为拖动机时，发电机出口开关在“合”位，但发电机与电网无直接联系问题，可在在现有断路器位置闭锁的基础上，增加prd(换相刀闸))位置闭锁，当prd在“合”位时，闭锁失灵保护出口跳闸。改进后的抽水蓄能电站专用功率控制的失灵保护动作逻辑如图3所示。
[0111]
采用本实施例改进后，抽水蓄能电站专用功率控制失灵保护充分分析抽水蓄能机组稳态运行、暂态运行时的电气量变化，在机组正常运行时，依据导则将相电流定值整定为1.161.44额定电流，可大大降低正常运行时失灵保护误动概率。机组非短路故障及正常停机时，通过检测有功功率绝对值，降低失灵保护相电流定值(一般整定为0.130.17额定电)，从而确保失灵保护可靠动作。
[0112]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的
原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。