隨著水電機組的發(fā)變組保護(hù)不斷由中小機組向大機組發(fā)展，在工程應(yīng)用也出現(xiàn)了一些新的問題，尤其是調(diào)試過程中，與火電機組有很多的不同之處，需要廣大工程技術(shù)人員在工作中給予充分的重視。

本文結(jié)合南瑞繼保RCS-985發(fā)變組保護(hù)裝置以及現(xiàn)場調(diào)試經(jīng)驗，對大型水電機組調(diào)試過程中的若干需要關(guān)注的問題做了分析和探討，供相關(guān)工程技術(shù)人員借鑒參考。

1 水電機組保護(hù)配置的特殊問題

水電機組與火電機組相比，在保護(hù)配置中存在一些特殊的問題。

目前大型水電機組一般均采用雙主雙備保護(hù)配置。不同于火電機組，水電一般配置有發(fā)電機機端出口斷路器（俗稱GCB），由于GCB的存在，主變有倒送電帶高壓廠用變運行方式，故將主變保護(hù)和發(fā)電機保護(hù)單獨配置。正是由于GCB的存在，發(fā)電機不完全差動范圍是發(fā)電機中性點1（2）至主變低壓側(cè)即GCB的上方。

主變差動則是主變高壓側(cè)至發(fā)電機機端即GCB的下端?？梢宰畲蠡瘜崿F(xiàn)無死區(qū)雙重化配置。但這樣也會帶來一些問題，如發(fā)電機后備過流保護(hù)如果取機端側(cè)電流，則會出現(xiàn)發(fā)電機未并網(wǎng)時該電流通道始終無流的問題，可以將該保護(hù)動作電流判據(jù)改成機端和中性點和電流的最大者。

還有，大型水電站高壓廠用電的負(fù)荷占整個主變?nèi)萘勘壤^小，故一般主變差動是不計算廠變側(cè)的。對于大型變壓器保護(hù)一般加設(shè)零序差動保護(hù)。

對于地下廠房的電站，由于主變內(nèi)置于地下廠房，距離GIS會有幾百米，對于這段高壓電纜，宜加設(shè)光纖差動保護(hù)，同時可以通過光纖傳輸遠(yuǎn)跳信息，以避免長距離電纜傳輸信息所帶來的干擾隱患。光纖差動裝置需具備多個光電傳輸通道，可以分別接入發(fā)變組電量保護(hù)動作、非電量保護(hù)動作接點，以區(qū)分是否啟動斷路器失靈保護(hù)。

對于轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，云南小灣水電站轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用雙重化的兩套單裝置，安裝在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的滅磁柜中，避免了發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的對外引出，減小了轉(zhuǎn)子繞組主回路發(fā)生故障的機率，提高了發(fā)電機運行的可靠性，同時解決了轉(zhuǎn)子電壓回路對電纜耐壓選型的困擾。但沒有考慮將轉(zhuǎn)子直接或分壓后引入保護(hù)裝置供失磁保護(hù)用。

廣西龍灘水電站是采用耐壓6000V的直流電纜將轉(zhuǎn)子全電壓引入保護(hù)盤柜，經(jīng)1/3分壓后取中間段電壓接入保護(hù)裝置，既可以滿足雙套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，也可以將轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)引入失磁保護(hù)。

比較兩種配置，各有優(yōu)劣，前者可以通過分壓（如15:1）后接入，但要求比故障錄波器和保護(hù)裝置采樣內(nèi)阻要低一個數(shù)量級，否則會由于電阻匹配問題影響測量精度；而后者對電纜要求較高。失磁保護(hù)用轉(zhuǎn)子電壓還可以考慮經(jīng)4～20mA變送器傳變后輸入，但需考慮變送器的轉(zhuǎn)換時滯問題。

2 保護(hù)投運時的檢查問題

機組首次啟動動試驗過程中，要在各種不同工況下對保護(hù)進(jìn)行檢查，以確認(rèn)保護(hù)的完全正確性，才能正式投入運行。

要注意保護(hù)電流通道的選取。各個廠家對于發(fā)電機阻抗計算用電流會略有差異，有取機端電流和中性點電流兩種情況。對于兩種情況下阻抗特性是有差異的，需要在做保護(hù)裝置靜態(tài)校驗時結(jié)合定值和通道定義注意校核。

若取中性點電流，則阻抗特性一般近似為方向阻抗繼電器，反方向阻值近似為零。若取發(fā)電機機端電流，則阻抗特性多為偏移特性的阻抗繼電器，且正向阻抗遠(yuǎn)大于反方向阻抗。

需要特別注意，對于發(fā)電機區(qū)外故障，不管阻抗保護(hù)選擇機端電流還是選擇中性點電流，電流大小方向一致，故障點在阻抗平面上的位置也一樣，故正方向的阻抗定值也應(yīng)該一致。并非選擇中性點電流時正方向阻抗就是發(fā)電機阻抗加上主變阻抗再加上線路阻抗的一部分，而選擇機端電流時正方向阻抗就是主變阻抗加上線路阻抗的一部分。

當(dāng)然對于發(fā)電機內(nèi)部故障，根據(jù)多位學(xué)者研究結(jié)果表明，低阻抗保護(hù)不適宜作為發(fā)電機定子繞組內(nèi)部相間短路的后備保護(hù)。發(fā)電機阻抗保護(hù)可作為發(fā)電機機端引出線以及機端所連接設(shè)備的后備保護(hù)，不能作為發(fā)電機內(nèi)部故障的后備保護(hù)，故建議發(fā)電機相間后備配置復(fù)壓（記憶）過流保護(hù)，建議退出發(fā)電機阻抗保護(hù)功能。

對于大型發(fā)電機組中性點一般按多分支引出，簡單取中性點和電流是不合理的，故中性點有多分支電流引出時，一般取機端電流作為發(fā)電機阻抗保護(hù)用電流通道。故采用偏移特性阻抗繼電器。

同理，主變后備也采用偏移特性阻抗繼電器。主變阻抗保護(hù)安裝在主變高壓側(cè)，宜按照偏移阻抗圓整定，作為變壓器引出線、母線以及輸電線路的始端一部分的相間和三相短路的后備保護(hù)。注意主變阻抗使用的CT極性端在母線一側(cè)，其反方向定值才指向系統(tǒng)的?，F(xiàn)場調(diào)試過程中注意核查CT通道和定值合理性。

關(guān)于外部重動定值的檢查。根據(jù)反措內(nèi)容：“不得使用不能快速返回的電氣量保護(hù)和非電量保護(hù)作為斷路器失靈保護(hù)的起動量”。故作為電量保護(hù)屏內(nèi)的外部重動開入啟動跳閘時不需要啟動斷路器失靈節(jié)點。注意檢查跳閘控制字。

關(guān)于單元件橫差保護(hù)。注意記錄不同工況下的數(shù)據(jù)，并和整定值相比較。一般整定值按0.05If2n.整定，綜合觀測已運行的多臺700MW水電機組的不平衡電流基本在200A以下，遠(yuǎn)低于0.05If2n.。如果該電流偏大，注意觀察轉(zhuǎn)子氣隙、瓦溫等參數(shù)。

3 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)投運及典型故障

水電機組由于開停方便，一般只保留一點接地，不加設(shè)兩點接地。但不建議一點接地后長期運行，以防止兩點接地后燒毀轉(zhuǎn)子，破壞磁勢?，F(xiàn)場在調(diào)試投產(chǎn)階段多發(fā)生轉(zhuǎn)子接地現(xiàn)象。

需要澄清一個概念：轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的范圍是指整個勵磁和轉(zhuǎn)子回路，包括整流柜交流側(cè)、整流柜、轉(zhuǎn)子磁極等。現(xiàn)場在調(diào)試和投產(chǎn)階段多發(fā)生轉(zhuǎn)子接地現(xiàn)象。在排查接地點時首先確定思路，先排查保護(hù)裝置誤報的可能性，然后再整體檢查轉(zhuǎn)子回路絕緣，確定絕緣降低后，分段排查接地點。

按照雙重化原則，一般配置兩套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，運行中要求只投一套，需要將不運行的那套完全從轉(zhuǎn)子回路中切除，以防止影響計算?？梢酝ㄟ^切換回路，觀察兩套保護(hù)裝置的采樣，比較有無較大異常。集成電路型保護(hù)裝置會由于元器件老化，經(jīng)常造成采樣回路異常，影響最終的接地電阻的計算。

排除保護(hù)裝置異常后，重點考慮轉(zhuǎn)子回路異常。在檢查轉(zhuǎn)子回路絕緣時，建議斷開相關(guān)弱電回路，如保護(hù)裝置、勵磁調(diào)節(jié)器等。在整體檢查轉(zhuǎn)子絕緣降低后，需要分段檢查，一般是在上機架勵磁大軸連接處解開后檢查。

以下將現(xiàn)場常見的幾種故障列舉如下：

1）某電廠投產(chǎn)階段報“轉(zhuǎn)子一點接地”，保護(hù)裝置實測絕緣始終為0k，接地位置50%，檢查轉(zhuǎn)子本體絕緣無異常，最終考慮勵磁回路，經(jīng)查為勵磁變低壓側(cè)所連接的同步變壓器原邊接地。故在檢查轉(zhuǎn)子接地故障時，思路需要更開闊，保護(hù)裝置檢測的是整個勵磁回路，包括整流柜的交流側(cè)。

交流側(cè)出現(xiàn)異常，從保護(hù)裝置一般現(xiàn)象為絕緣降低甚至到0Ω，接地位置為50%。此類現(xiàn)象在投產(chǎn)階段很常見，機組做短路試驗時，所引他勵電源如果是從接地系統(tǒng)接入，就會出現(xiàn)報轉(zhuǎn)子接地現(xiàn)象，在恢復(fù)自并勵電源后故障消失。

2）某700MW水電站，在投產(chǎn)后幾個月后多次在運行中和停機過程中發(fā)“轉(zhuǎn)子一點接地信號”，接地電阻間歇性下降，最低至0kΩ，接地位置不定。停機后用500V搖表檢測絕緣，正常。在電廠、主機勵磁廠家、中試所、施工局多方討論后，采用逐級分段排查，加大搖表電壓等級。終在2000V搖表試驗下，絕緣下降到0kΩ。

進(jìn)一步檢查，由于轉(zhuǎn)子正負(fù)母排對主立筋工藝設(shè)計太近，導(dǎo)致放電，造成正或負(fù)極間歇性接地，已出現(xiàn)燒灼現(xiàn)象，該故障點比較隱蔽，故在前幾次進(jìn)坑檢查時未能發(fā)現(xiàn)。由于大型水輪機組轉(zhuǎn)子體積龐大回路復(fù)雜，不同于火電機組轉(zhuǎn)子封裝在內(nèi)部，出現(xiàn)故障的概率較低，磁極較多，連接部件較多且大多裸露，故增加接地的概率，在查找接地點時，須全面全方位檢查。

圖1 負(fù)極對主立筋放電

3）華東某水電站180MW機組投產(chǎn)階段報“轉(zhuǎn)子一點接地”，轉(zhuǎn)子正對地電壓42V，負(fù)對地電壓191V，絕緣接近0k，接地位置25%（靠近正端）。停機后檢查，絕緣正常。再次將機組開啟，機組空轉(zhuǎn)時，搖絕緣到0 kΩ。最終檢查結(jié)果是近正端某一磁極絕緣異常。

多個案例說明，停機后檢查轉(zhuǎn)子絕緣都正常，但開機后都出現(xiàn)異常。需要考慮到轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)和劇烈震動過程中很容易出現(xiàn)短時接觸或放電等現(xiàn)象。解釋一個疑問，目前常見有注入式和乒乓式兩種原理，注入式更有優(yōu)勢，可以全工況監(jiān)視轉(zhuǎn)子回路絕緣，但需注意轉(zhuǎn)子電壓接入點（靠近轉(zhuǎn)子側(cè)還是調(diào)節(jié)器側(cè)）。而乒乓式原理需要勵磁電壓到一定水平時才能計算。

4）某水電廠投產(chǎn)階段頻發(fā)轉(zhuǎn)子接地。

經(jīng)查保護(hù)裝置與勵磁調(diào)節(jié)器阻容吸收回路沖突。大型機組為了抑制軸電壓，勵磁系統(tǒng)一般會配置軸電壓吸收回路，也就是在轉(zhuǎn)子正負(fù)之間配置兩個電容且在中間接地。這樣就導(dǎo)致勵磁回路的正對地和負(fù)對地都經(jīng)過電容形成回路。

轉(zhuǎn)子接地如采用注入式原理，則注入電源在對地電容充放電完成之前，保護(hù)裝置采樣到的數(shù)據(jù)是非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，如果裝置整定的注入電源切換周期沒有躲過充放電的周期，則裝置計算出來的接地阻值是不正確的。

此時一般裝置計算出來的轉(zhuǎn)子接地阻值不穩(wěn)定，會在一定范圍內(nèi)波動，如會在100KΩ～300KΩ（最大值）之間波動。修改注入電源切換周期可靠躲過電容回路的充放電周期后，裝置計算轉(zhuǎn)子接地電阻穩(wěn)定在最大值300KΩ不再波動。

普通乒乓原理的轉(zhuǎn)子接地靠采集轉(zhuǎn)子電壓利用裝置內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)的定時切換來計算接地位置和接地電阻，同樣如果電容較大充放電時間過長，也會影響裝置的準(zhǔn)確計算。

4 水電機組電容電流測量問題

水電站在投產(chǎn)階段一般都會實測電容電流，方法是將發(fā)電機機端一相接地并串接一電流表，在發(fā)電機中性點和接地變之間有隔刀時會分兩種工況，及經(jīng)高阻接地和不接地兩種工況，接地后發(fā)電機零起升壓，記錄電流值。

參考實測試驗數(shù)據(jù)當(dāng)機端單相金屬性接地升壓達(dá)到0-20%的數(shù)據(jù)如表1：

表1

表1中零序電流、低頻電壓和低頻電流數(shù)據(jù)為采用注入式定子接地，保護(hù)裝置所采集的數(shù)據(jù)。由于始終直接接地，故低頻電壓電流沒有發(fā)生變化，能很好地全工況反映定子絕緣。從數(shù)據(jù)可以看出隨著電壓的升高，電流的水平也在升高。

由于采用接地變高阻接地，可以看出該電流水平遠(yuǎn)高于的規(guī)程所規(guī)定的1A范圍，實測的一次電流其實為電容電流和阻性電流的矢量和。但采用高阻接地在抑制動態(tài)過電壓等方面更具備優(yōu)勢，故目前大型水電多采用高阻接地方式。實測定子電容電流有助于作為機組整定和設(shè)計相關(guān)資料。

5 主變零差保護(hù)的投運問題

水電機組變壓器正在普遍配置零序差動保護(hù)，這是因為變壓器零序比率制動差動保護(hù)反應(yīng)變壓器內(nèi)部單相接地時的零序差動電流，其靈敏度比相電流縱聯(lián)差動要高，且零序差動最少受勵磁涌流影響。

影響零序差動保護(hù)動作正確性的一個非常關(guān)鍵的因素是要保證主變中性點零序CT極性的正確性?，F(xiàn)場零序差動保護(hù)常常因為中性點零序CT極性接反,導(dǎo)致零序差動保護(hù)誤動。

首先定義電流互感器極性端，RCS-985系列采用的公式如下：

I0r = max{|I01|,|I0n|}；I0d = |I01’– Ion’|

從公式可見，主變高壓側(cè)CT和主變中性點零序CT為同極性輸入，即主變高壓側(cè)CT極性端一般定義在遠(yuǎn)離主變側(cè)，中性點零序CT定義在靠近主變側(cè)。

這里工程應(yīng)用角度介紹兩種主變零差保護(hù)CT極性判別的方法。

方法一：有條件的現(xiàn)場可以在發(fā)電機帶主變零啟升壓時模擬變壓器區(qū)外單相接地試驗，可將地刀單相接地，緩慢升高發(fā)電機電壓，甚至利用發(fā)電機殘壓也可觀察零序差流。

通過觀察保護(hù)裝置采樣顯示：

主變高壓側(cè)電流：A相：0A，B相：0.08A，C相：0A；自產(chǎn)零序電流I0T：0.08A；外接零序電流3I0N：0.23A。主變高壓側(cè)CT變比1600/1，零序CT變比為600/1，歸算到一次自產(chǎn)零序為128A，外接零序為138A。

主變高壓側(cè)自產(chǎn)零序和中性點零序電流之間夾角為358度。

此時自產(chǎn)零序電流3I0T應(yīng)當(dāng)幾乎等于外接零序電流3I0N，零序差流幾乎為零，且極性幾乎相同。并可以通過調(diào)低零序電流的定值，讓零序電流保護(hù)動作或啟動，并錄取動作波形，通過故障波形也可分析。

圖2 主變高壓側(cè)區(qū)外單相接地時的波形

方法二：在倒送電做主變沖擊試驗時，即主變接地運行時在高壓側(cè)空載合閘，如果內(nèi)部無故障,理論上勵磁涌流對于零序差動保護(hù)而言是穿越性電流,如果中性點零序CT極性正確,合閘側(cè)勵磁涌流計算出的自產(chǎn)零序和中性點零序勵磁涌流的大小應(yīng)相等（指一次電流，因ＣＴ變比不同二次電流也不同），相位應(yīng)相同。

因此我們在變壓器空載合閘縱差保護(hù)不動作,即無故障時,利用合閘側(cè)的自產(chǎn)零序勵磁涌流和中性點零序勵磁涌流的相位差來校驗零序CT的極性是否正確。

圖3 主變空沖時的波形

6 結(jié)語

特大型水電站保護(hù)配置有其自身的特點，針對這些特點做好投運時的調(diào)試工作是保證機組安全運行的重要環(huán)節(jié)，對于水電機組在保護(hù)投運調(diào)試時的保護(hù)配置、保護(hù)投運檢查、轉(zhuǎn)子接地、電容電流實測、零序差動電流檢查等問題要給予充分的重視。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“大型水電機組保護(hù)調(diào)試中的若干問題”，作者為韓煒煒、徐金 等。