浅谈水电站电气设计中的常见问题

【摘要】在水电站电气设计中，发电机中性点接地方式的选择、限制厂变高压侧很大的短路、协调计算机监控系统与水车保护等是必须注意的问题，文章针对这几个问题进行了详细地探讨和分析，对提高水电站运行的可靠性将有积极作用。

【关键词】高压熔断器;中性点接地;水车保护;电气设计;水电站

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

水电站电气设计直接影响水电站运行的可靠性，本文针对水电站电气设计的高压限流熔断器组合保护装置、发电机中性点接地方式、水车保护等问题进行了探讨，对提高水电站运行的可靠性将会有积极的作用。

1高压限流熔断器组合保护装置

高压限流熔断器组合保护装置由限流熔断器FU和高能氧化锌电阻FR组成，用来防止短路电流对电器设备的破坏，简称为FUR。在厂变高压侧发生的相间短路的短路电流是全厂发电机和系统的短路电流之和，此处如选择断路器，由于短路开断电流非常大，选择大开断电流的断路器价格太贵，所以大机组此处一般不选择。在一些电站的设计和改造中，在厂变高压侧加有高压限流熔断器组合保护装置。在2.5ms以内，高压熔断器可以很快将短路电流限制住，截断电流控制在预期短路电流的15％左右，防止由于变压器高压侧相间短路而发生的高厂变爆炸事故和对发电机、主变压器、母线等设备的冲击损伤。

在选择限流熔断器FU时应考虑与厂变低压侧的配合问题，厂变低压侧最大短路电流折算到高压侧的值对应的FU的熔断时间，应大于低压侧10kV及各分支负荷的过流保护动作整定时间与其开关动作时间之和。以避免低压侧故障使FU熔断而产生越级跳闸、扩大事故范围。低压侧最大短路电流折算到高压侧的值对应的FU的熔断时间一般取1s。

2中性点接地方式

发电机中性点的接地方式过去一直采用消弧线圈接地，由于经消弧线圈接地电流很小，可满足国标要求，故在发电机发生单相接地故障时，可以暂不跳发电机开关，只发信号，由运行人员处理。近些年国内新建设的水电站发电机中性点的接地方式大部分采用接地变压器接地（经高阻接地），在发电机发生单相接地故障时，接地电容性电流未经消弧线圈综合，接地电流大于附表中的允许值，故必须作用于跳发电机开关。

2.1单相接地故障产生的过电压

发电机中性点的接地采用接地变压器接地（经高阻接地），其设计思想是为了防止间歇性单相接地故障时产生的暂态过电压破坏发电机绝缘，单相接地故障转化为匝间故障或相间故障，避免对发电机造成更大的损失。

2.2发电机中性点经消弧线圈接地

国内外研究资料表明，发电机中性点经消弧线圈接地的发电机单相接地暂态过电压和发电机运行频率有直接关系。在额定频率50Hz附近的发电机单相接地的暂态过电压值都小于2.6Ux，也就是说发电机在并网运行的过程中发生了单相接地故障，发电机单相接地的暂态过电压值小于2.6Ux，不会破坏发电机绝缘。同时由于经消弧线圈综合的接地电流很小，满足国标，故发电机可暂时不跳开关。运行人员先汇报调度，并开启备用机组转移负荷，再将事故机组减负荷至零后断开发电机开关并停机。

3发电机组电气保护设计

推荐的发电机保护配置方案如下：

1）完全纵差保护；2）不完全纵差保护；3）高灵敏零序电流型横差保护；4）裂相横差保护；5）低压记忆过电流保护；6）失磁保护；7）失步保护；8）迭加交流电压型定子一点接地保护；9）迭加方波电压型转子一点接地保护；10）过励磁保护；11）过电压保护；12）反时限负序过流保护；13）定子绕组过负荷保护；14）转子表层负序过负荷保护；15）发电机意外加电压保护；16）轴电流保护；17）断路器失灵保护；18）CT断线保护；19）PT断线保护；20）励磁变差动保护；21）励磁变过流保护。下面重点阐述以下几种发电机电气保护措施设计要点。

3.1定子一点接地保护设计

定子一点接地是发电机最常见的故障之一。现代的定子一点接地保护已经不仅要求大型发电机具有100％的保护区，而且要求在定子绕组任一点发生接地故障时，保护装置都具有较高的灵敏度。

3.2转子一点接地保护

国内目前采用的转子一点接地保护类型有电桥式、迭加直流电压式和迭加交流电压式三种。为避免两套保护相互干扰，推荐一套保护采用迭加方波电压型转子一点接地保护，另一套保护采用迭加直流电压型转子一点接地保护。

大型发电机的励磁绕组及外部励磁回路对地电容较大，因此转子一点接地保护应采取措施以避免或消除对地电容对保护产生的不利影响。根据规程规定，转子一点接地保护应延时动作于信号。

4计算机监控系统与水车保护

在水电厂生产运行过程中，如果发生事故，首要的任务是将机组安全的停下来，以防止事故的进一步扩大。计算机监控系统在水电厂应完成的功能有三个，即机组安全（水车保护）、监控、顺序控制，第一位应该是保证机组的安全（水车保护），其次是监控，再者是顺序控制，故机组的安全（水车保护）是在计算机监控系统设计中应重点考虑的问题。在计算机监控系统中的水车保护功能，一般是通过逻辑判断来实现保护出口的推力、上导、下导、水导等瓦温，压油装置的低油压、低油位，电气过速、机械过速的模拟量的跳闸停机越限值等；其他RTD、液位、流量等信号只报警。

《水力发电厂计算机监控系统设计规定》中，水力机械保护（水车保护）一般由另设的专门功能装置实现，监控系统与之交换简单的信息，水力机械保护与继电保护、励磁系统、调速器应等同对待。为了进一步提高水车保护的可靠性并遵照水车保护应独立成系统的规定，我们将推力瓦温、上导瓦温、下导瓦温、水导瓦温、压油装置的低油压、低油位、电气过速、机械过速几个有保护出口的重要量，通过常规硬接线独立于计算机监控系统组成单独的水车保护屏，用开关量进行逻辑判断来实现水车保护。计算机监控系统通过模拟量进行逻辑判断实现水车保护，与通过开关员进行逻辑判断实现水车保护的常规系统起优势互补，从而实现对水车保护的冗余。