0 引言

抽水蓄能发电机组启停快速，既可发电又可抽水，具备调峰、调频、调相以及事故备用等功能，对电网的安全稳定运行有重要的作用^[1]。与常规水电机组不同，抽水蓄能机组存在多种运行工况，当处于换相、启动和制动等工作状态时，部分保护将失去功能，甚至会发生误动，因此抽水蓄能机组对继电保护装置的要求更高。抽水蓄能机组工况不同，电气一次接线方式也不同，而且发电方式与抽水方式的定子电压、电流相序相反^[2]，要求保护装置能够在不同工况下通过电气一次设备（如发电机出口开关、换相开关等）来闭锁、切换相应的保护功能。内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站（以下简称呼蓄电站）安装4台300 MW可逆式抽水蓄能发电机组，本文通过对发电机继电保护配置进行分析，探讨不同工况对保护功能的要求，以及实际运行中遇到问题的解决办法。

1 抽水蓄能发电机对继电保护装置的要求 1.1 相序自动切换

抽水蓄能发电机组通过发电机出口开关和换相开关与电网相连，发电工况下发电机相序为UVW，电压、电流相序与电网相序相同，向系统发出功率，转子正方向旋转。

抽水工况时，发电机通过换相开关与系统进行连接^[3]，相序为VUW，电压、电流相序与电网相序相反，从系统吸收功率，转子反方向旋转。此时保护装置需通过换相开关位置判断发电机组是工作在发电工况还是抽水工况，使保护装置采集的电气量自动切换相序，防止保护误动。

1.2 低频保护

抽水蓄能发电机组运行在抽水工况时，机组需要通过静止变频启动装置（Static Frequency Con⁃ verter, SFC）启动或者背靠背启动，将机组从零转速拖动到同步转速；同样在电气制动工况下，机组也需要在低频区运行一段时间，由于常规保护在低频下无法可靠动作，需要保护装置根据发电机的实际频率，自动调整采样频率提高采样精度，因此抽水蓄能机组的保护装置必须具有能够在低频范围内保护发电机的功能，配备在低频时仍能精确采样的电流互感器及电压互感器^[2]。

2 发电机继电保护配置分析

抽水蓄电站发电机继电保护采取A、B盘双重配置方式，采用了西门子公司数字化微机式保护装置，其中A盘配置为7UM622保护装置，B盘配置为7UM622以及7UT613保护装置，具体配置情况见表 1。保护装置具有可靠性高、动作迅速等优点，可根据抽水蓄能机组工况复杂的特点，实现开关量及跳闸逻辑的编辑功能；可根据机组频率自动调整采样频率，根据发电机工况自动切换电气量的计算，具有全工况保护机组功能，保护配置情况如表 1所示。

3 继电保护功能分析 3.1 抽水工况

发电机在抽水工况下运行，需要从电网吸收有功功率，呼蓄电站发电机出口开关通过换相开关实现U、V相换相。TA（电流互感器）安装后极性已经确定，如果发电机大差保护运行在抽水工况下，发电机出口侧TA采集电流方向与发电机中性点侧TA采集电流方向相反会造成保护误动，因此必须通过换相来防止^[3]。

呼蓄电站保护装置将发电机出口侧TA采集的信号通过串联送入保护装置的2个采集通道，即IM2和IM3；IM2采用UVW相信号，IM3采用VUW相信号，通过采集机组换相开关位置，判断发电机的运行工况，自动切换选择采集通道参与差动保护计算，避免差动保护误动。图 2为大差保护通道切换逻辑示意图。

为了避免发电机组在启动过程中，换相开关误合于其他工况，需验证机组启动后的电压相序与选定的旋转方向是否一致；该保护仅在机组未并网前投入，通过发电机出口开关位置接点闭锁。

3.2 背靠背工况

抽水蓄能发电机在抽水启动过程中，正常情况下通过SFC将机组拖动至同步转速后并网；SFC故障时，则采用背靠背方式启动，由1台机组拖动另1台机组，拖动机发电机出口开关以及拖动开关合闸，被拖动机换相开关以及被拖动开关合闸，2台机组建立电气连接，由拖动机作为原动机将被拖动机带至同步转速并网。

机组背靠背启动时，拖动机及被拖动机的中性点隔离开关都在合闸位置（见图 3），定子100%接地保护的20 Hz电源经定子绕组及引出线、接地变压器、大地容抗形成回路，产生的环流会引起保护误动。因此，背靠背启动过程中需引入拖动开关位置接点，机组作为拖动机时闭锁此保护；在建立电气连接之前，将拖动机的接地开关分离，使2台机组只有1个接地点，保护装置保护范围将扩大到2台机组，在拖动机发电机出口开关分闸后，接地开关再恢复合闸状态，防止保护误动。

在背靠背启动过程中，2台机组通过拖动开关、被拖动开关建立了电气连接，如果此时任意1台机组发生电气事故，都会影响另1台机组安全运行。由于此时拖动机发电机出口开关合闸，在低频工况下，发电机出口开关分断低频电流的能力很低，如果发生电气事故时直接将开关跳闸，将会对开关造成不可逆损坏，因此增加了水轮机测速装置判据，当机组转速低于50%额定转速时，将跳发电机出口开关功能闭锁，先跳磁场开关执行2台机组停机流程，再跳发电机出口断路器。

3.3 低频工况

抽水蓄能机组发电机启动过程中要经历低频阶段，由于此时TA、TV（电压互感器）在低频下不能正确反映一次侧电流，差动保护容易拒动或者误动。呼蓄电站机组保护装置通过采集发电机频率信号，在频率 < 10 Hz时自动投入次同步过流保护，提高采样频率及采集电流的准确性；在频率≥10 Hz时，投入定时限过流保护，为启动过程中的短路故障提供互为补充的完整保护功能。

3.4 电气制动工况

抽水蓄能机组在停机过程中往往投入电气制动开关以缩短停机时间^[4]，呼蓄电站在机组转速小于20%额定转速情况下投入。由于发电机大差保护范围包括发电机中性点至主变压器低压侧，电气制动开关位于发电机大差保护范围内，电气制动工况下将会使发电机大差保护动作，因此呼蓄电站保护装置通过采集电气制动开关位置接点，在电气制动工况下闭锁发电机大差保护。

负序保护在电气制动工况下也需要闭锁^[5-6]。因西门子的负序保护采用单独的数字滤波器进行检测，虽然负序电流不会在三相短路时出现，但机组在低频且三相短路情况下，保护装置数字滤波器将会产生偏差，若采集的负序电流值到达动作值会造成误动作，所以西门子保护装置通过采集电气制动开关位置接点，在电气制动工况下闭锁负序保护。

4 继电保护装置误动及处理 4.1 运行中误动

（1）呼蓄电站机组实际运行过程中，误上电保护曾在机组电气制动工况发生过误动。误上电保护是为了防止机组在未同期情况下误合闸，对发电机造成伤害^[7]，原逻辑将发电机出口开关接点位置及发电机出口电流作为保护动作判据。因在电气制动工况下仍然存在低频电流，若达到保护动作值，保护将会误动，因此将电气制动开关接点引入到保护装置作为动作判据，可避免该工况下误上电保护的误动。

机组调试过程中，机组作为被拖动机运行时也发生过误上电保护误动。原因为作为被拖动机组运行时，发电机出口侧TA检测到的电流值达到了保护动作值，造成保护误动。后通过调整被拖动开关接点位置，避免了类似情况的再次发生。

4.2 检修时误动

抽水蓄能机组的一次主接线较为复杂，在背靠背工况运行时，若1台机组发生电气事故将联跳另1台机组，因此在发电机保护装置检修过程中进行保护装置试验时，存在误跳风险。

西门子保护装置为联跳的相关机组设置了单独的跳闸压板，并将联跳信号送入监控系统，由监控系统再进行一次判断，只有判断出2台机组存在电气连接时才会联跳，避免了1台机组试验时误碰导致误跳其他机组的风险。

5 结语

抽水蓄能站机组运行工况转换频繁，一次系统接线复杂，对继电保护装置的要求更高。配置保护装置时，不但要考虑各种工况对保护功能的影响，还应兼顾各机组保护功能之间的协调，保证抽水蓄能机组继电保护的可靠性，防止拒动、误动情况的发生。