尼泊尔上马蒂水电站水轮发电机保护整定计算方法介绍

尼泊尔上马蒂水电站水轮发电机保护整定计算方法介绍

杨海潮

（上海勘测设计研究院有限公司上海200434）

摘要：水轮发电机保护作为水电站中最重要的电气保护措施,可在发生区内故障时，快速断开机组与电网的连线，保证了水电站的设备和人员安全以及电网的稳定，而正确的保护整定计算可使护装置在故障情况下能可靠地动作并保证其动作的灵敏度。

关键词：水电站；水轮发电机保护；整定计算

随着电力项目的不断建设与投入运行，继电保护作为维护电网安全稳定的必要措施，对其运行的可靠性、动作的灵敏度要求也越来越高，目前主要通过两方面来达到这一目的：一是提高产品质量和性能，例如提高设备的环境适应性、无故障持续运行时间、运算速度、升级软件以及提高设备防护等级等；二是通过整定计算来保证装置在故障发生时的可靠动作，以避免发生定值过大而拒动和定值过小而误动作，防止灵敏度过低引起的长时间轻微故障运行状态影响设备的使用寿命。水轮发电机作为水电站的主要设备，合理配置保护装置及正确设置整定值尤为重要，以下通过尼泊尔上马蒂水电站的工程实例来介绍一下水轮发电机保护的整定计算的具体方法。

一、基本情况介绍

尼泊尔上马蒂水电站项目位于尼泊尔西部发展地区的卡斯基大区的马蒂河的上中游，大坝和厂区分别位于该段河流的上下游处，形成了120米的可利用水头。上马蒂水电站采用二台立轴混流式水轮发电机组，最大净水头127米，最小净水头119米，额定水头120米，装机容量25兆瓦，年发电量13309万kW•h，其中枯期电量2091万kW•h，枯水年枯期平均出力0.52万千瓦，年利用时数5320小时。电站的引水方式为一管二机，设有调压井。每台水轮机组设置了采用液压操作的蝴蝶阀作为进水主阀。机组调速系统采用微机电液调速器，具有PID调节规律。根据电站接入系统方式，电站采用132kV单回路输电线路，所发电量输送到电站以南12公里处的博克拉市区东部变电站，并入尼泊尔综合电力系统国家电网。

二、发电机保护配置方案

上马蒂水电站单机容量14.71兆瓦，按我国规范属于50兆瓦以下的小型机组，但其容量与当地电网目前已有容量相当,当其投运以后相当于占据当地电网的一半容量，所以其重要性不能按一般小型水电站来衡量，故在设计时需按国内规范要求中将其提高一档,按中型机组来配置继电保护，这也是在海外落后地区建设水电站项目时，经常需要考虑的问题。因此参照规范《继电保护和安全自动装置技术规程》中4.2条的内容,为上马蒂水电站水轮发电机配置了比例差动(87G)、定子/转子接地(64NG/64RG)、发电机不平衡/转子表层过负荷(46G)、失磁(40G)、轴电流(38G)、消弧线圈过电流(51G)、横差(50SG)、复压过流带记忆(51VG)、定子绕组过负荷(51G2)、断路器失灵(50BF)等保护功能。

三、发电机保护整定值计算

1、计算条件

a)发电机参数：额定容量14.71MWA，额定有功功率12.5MW，功率因数0.85，定子额定电压10.5kV，电压变比10.5/110kV,定子额定电流IGn=808.6A，发电机高压侧电流互感器变比na=1200A/1A=1200。

b)短路电流计算结果：发电机端的最大接地电流为2928A，最小接地电流为927A，最大三相短路电流为12966A，最小两相短路电流为8942A，主变三相短路电流为7886A，发电机三相短路电流为5080A，发电机两相短路电流为3848A。

2、发电机差动保护计算

a)发电机二次额定电流：Ign=IGn/na=808.6/1200=0.674A

b)最小动作电流(定子差动保护启动电流)：

Is＝Krel(Ker+Δm)Ign=1.5*(0.1+0.02)*Ign=0.18Ign

式中：Ign为基准侧二次额定电流；Krel为可靠系数,取1.5~2;Ker为电流互感器综合误差0.1；Δm取0.02。但Is一般取0.2~0.3Ign,所以实际应用取0.25Ign=0.25*0.674=0.169pu。

c)定子差动斜率1：S1=Ign*Kcc*Ker=2*0.5*0.1=0.1

式中：Ign为可靠系数，取2；Kcc为互感器的同型系数，取0.5；

Ker为互感器比误差系数，取0.1；

d)定子差动开关1(定子差动拐点1),一般取0.8~1.2额定,取1.2倍Ign,得0.809pu。

e)定子差动斜率2：

b)动作时间：按躲过主变高压侧接地故障保护(零序电流保护)最长一级动作时间来整定,取3.2+0.5=3.7s。

4、发电机定子绕组过电压保护计算

相过电压1启动：由于本电站采用励磁方式的是可控硅,因此该值一般取1.3倍二次额定电压，动作时间取0.3s。

5、发电机不平衡/转子表层过负荷计算

a)发电机不平衡标称电流:取发电机额定电流0.674pu。

b)发电机不平衡1段启动电流:根据发电机的额定电流，通常取发电机的长期允许负序电流的标幺值，由设备制造商提供，通常≤12%。

c)发电机不平衡1段k-值：该定值是负序容量常数,取40s。

6、失磁保护计算

b)相间低电压Uop=0.7Ugn/na=77V

c)负序电压Uop2=(0.06~0.08)Ugn/na=8V

d)延时：保护动作时间t＝tmax+Δt,式中：tmax为升压变相间阻抗保护、复合电压过流保护、零序过流保护以及高压厂用变压器过电流保护中的最长动作时间。为保证在振荡过程中不发生误动作，动作时间应不小于1.5秒,取2s。

c)动作延时应躲开断路器跳闸时间,取0.3~0.5s

四、结束语

水电站中继电保护整定计算涉及许多方面，主要包括最大与最小故障情况下的三相及两相短路电流计算、设备额定电流计算、动作时间计算、灵敏度效验等。目前虽然设计手册和规程规范上有继电保护的定义解释和计算公式，但公式繁多且分散，更有反复的公式套用和数据引用，使计算难度大大提高，本文通过工程实例阐述了根据我国最新规范进行的水轮发电机保护完整的整定计算，也包括了实际工程中各种计算系数的取值，供借鉴与参考。工程设计人员通过整定值计算也能更好地了解保护装置的动作原理和工作方式。

参考文献：

[1]DL／T684-2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》

[2]GB／T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》

[3]《电力工程电气设计手册电气二次部分》中国电力出版社

作者简介：姓名：杨海潮，1984年2月，男，汉，上海人，本科，工程师，研究方向：水利水电及新能源设计。