张河湾抽水蓄能电站10kV厂用电系统二次设计总结

张河湾抽水蓄能电站10kV厂用电系统二次设计总结

【摘要】： 本文主要描述了张河湾抽水蓄能电站中厂用电10kV系统设计。着重介绍了电气二次方面的设计。主要包括厂用电的运行方式、备自投的运行逻辑和厂用电的保护配置等内容。

【关键词】：抽水蓄能电站，厂用电，电气二次，备自投 1. 引言

水电厂机电辅助设备用电及照明用电称为水电厂的厂用电。在电站运行中，厂用电非常重要，不仅必须要能保证各类负荷的正常供电，还需要在事故时能保证一类负荷的可靠供电，来满足水电厂安全、经济、稳定运行的需要。本文就主要介绍了在厂用电的设计中如何能更好的保证其运行的稳定性、可靠性和灵活性。

2. 电站概况

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县测鱼镇附近的甘陶河干流上，距井陉县城公路里程45km，距石家庄市公路里程77 km。该电站总装机容量为1000 MW，安装4台单机容量250 MW的单级混流可逆式水泵水轮机组。[1]

根据水电站所要实现的“无人值班”（少人值守）的要求，张河湾抽水蓄能电站的10kV厂用电的电气二次部分设计并实施了10kV厂用电综合保护装置。

3. 电站厂用电接线方式设计

张河湾厂用电系统是由高、低压厂变和停机/检修变及其供电网络和厂用负荷组成的系统。供电范围包括主厂房内厂用负荷、水处理系统、循环水系统等。

为保证运行的灵活性，高压厂用电系统一般采用单母线分段或分段环形接线，张河湾抽水蓄能电站就采用了单母线分段的方式，整个10kV高压厂用电分为3段，其中第Ⅰ段和第Ⅲ段母线均为两路电源进线，两路电源互为明备用，互相闭锁，其中1#厂高变和3#厂高变带Ⅰ母运行，2#厂高变和4#厂高变带Ⅲ母运行，Ⅱ母的电源来自厂外35kV变电站10kV电源。

为保证10kV厂用电供电的可靠性，在10kVⅠ、Ⅱ段之间与10kVⅡ、Ⅲ段之间分别设了备用电源自动投入装置（以下简称备自投），采用当厂用电停役，10kV母联能自动投入的切换方式。这样相当于每段母线上都有3路电源可用。这种接线方式满足规程要求，在保证可靠性方面是比较完善的，即使事故出现，厂用电消失的可能性应该是很小的，这也是电站厂用电方式的合理性。

4. 厂用电运行方式

4.1厂用电正常情况和常见故障的处理方式

如图1所示，在正常情况下，第Ⅱ段母线电源取自第Ⅰ段母线，即第Ⅰ、第Ⅱ段间的母联断路器处于闭合状态，电源取自1号或3号厂高变低压侧。第Ⅲ段母线电源取自2号或4号厂高变低压侧，而第Ⅱ段和第三段间的母联断路器为分闸状态。

图110kV接线简图

当Ⅰ母上的一条进线电源消失时，另外一条进线电源立即自动投入，当整个母线失电时，先将进线电源断路器均跳开后，合Ⅱ母35kV备用电源10kV进线断路器。

如果Ⅰ母上的任一电源恢复时，则先跳开Ⅱ段进线断路器，再合相应Ⅰ母上的进线断路器。

当Ⅲ母上的其中一个电源消失时，另一个进线电源立即自动投入，当两路电源均失电时，则跳开两个进线断路器，同时跳开Ⅰ段和Ⅱ段间的母联断路器，然后合Ⅱ母进线断路器，再合Ⅱ段和Ⅲ段间的母联断路器。

如果此时Ⅲ母上的任一电源恢复时，则先跳开Ⅱ段备用母线进线断路器以及Ⅱ段和Ⅲ段间的母联断路器，然后合Ⅲ母上的有源进线断路器，同时合上Ⅰ段和Ⅱ段间的母联断路器。

当Ⅰ段和Ⅲ段均失去电源时，在跳开各自所有的进线断路器后，合上Ⅱ母备用电源进线断路器，再合上Ⅰ、Ⅱ段母联断路器。

当Ⅰ母的电源恢复时，而Ⅲ段母线的两路进线电源均没有恢复，则先跳开Ⅰ段和Ⅱ段间的母联，再合1号机（或3号机）的进线断路器。

当Ⅲ母的电源恢复时，而此时Ⅰ母的两路进线电源仍没有恢复，则需要先跳开Ⅱ段与Ⅲ段间的母联断路器，再合上2号机（或4号机）的进线断路器。

当Ⅰ段和Ⅲ段均有电源恢复时，首先跳开Ⅰ段和Ⅱ段间的母联断路器，合上Ⅰ段的进线断路器，然后跳开Ⅱ段和Ⅲ段间的母联断路器，合上Ⅲ段的进线断路器，再跳开Ⅱ段的进线断路器，合上Ⅰ段和Ⅱ段间的母联断路器，回到正常运行方式。

4.2 备自投的运行逻辑

厂用电的运行离不开备自投装置，备自投装置是当电力系统故障或其他原因使工作电源被断开后，能迅速将备用电源、备用设备或其他正常工作的电源自动投入工作，使原来工作电源被断开的用户能迅速恢复供电的一种自动控制装置。

[2]

张河湾抽水蓄能电站的地下厂房10kV开关柜备自投切换系统采用PLC来完成其逻辑控制。各开关操作回路除设有辅助接点硬闭锁外，还在PLC内完成相互的软件闭锁及逻辑控制。

根据“同一母线上不能同时投入两路电源”的原则，整个10kV系统设置了两套PLC。其中第一套PLC为实现Ⅰ段母线的两个进线电源之间，以及与Ⅱ段母线间的电源的自动切换，包括电源的自动恢复操作；而Ⅲ段母线两个进线电源之间，以及与Ⅱ段母线之间的电源自动切换系统又设置了另外一套PLC来完成。这两套PLC间互有闭锁以及信息共享。

电源自动切换的起动条件为进线或母线电源消失或恢复，电源切换的相关信息送至开关柜通信管理机，再送至整个电站的监控系统。

以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ母线进线电源状态变化为动作依据，以图1说明，其中虚线点框内为PLC1（1、2、3、6）控制的开关，实线框内的为PLC2控制的开关（3、4、5、7）

图中以1、2、3、4、5、6、7代表各断路器。

以1（=S01+BB01）或者2（=S01+BB02） 有电为Ⅰ；

以3（=S02+BB01）有电为Ⅱ；

以4（=S03+BB01）或者5（=S03+BB02） 有电为Ⅲ；

在这种情况下对运行方式及可能出现的情况进行各个状态组合，如表1，来设定进行备自投动作的依据。

表1：电源进线状态各断路器动作表

同时，对于1（=S01+BB01）和2（=S01+BB02）的有无电状态也作为投切的依据，对1有电2失压及1失压2有电分别作1和2的分合闸处理，4和5也是同理。

对1和2间、4和5间、6和7间的相互联锁，及1或2与“Ⅰ母失压” 、3与“Ⅱ母失压”、4或5与“Ⅲ母失压”也进行联锁。以保证各母线带电时，相互进

线断路器不能合闸。

动作顺序：动作条件符合后，为躲过保护动作时间，延时1S后再进行分合闸操作；各状态动作同时分闸，以此时为时间点，300ms后合各进线断路器，再滞后500ms后合母联断路器。

增加条件：（1或2）（4或5）处于分闸位置后，谁合闸谁优先动作。

在试验中所有条件都满足，而最近由于业主重新提出倒负荷操作的要求，逻辑又进行了一部分修改，增加了断路器动作的记忆功能，以防不能正确的合备用电源，并且满足业主要求的远方控制。

5. 厂用电的保护和控制要求

电站的厂用系统的高、低压开关柜控制、保护及电机储能，以及备自投装置的工作电源等均采用直流220V电源供电。电源来自放置在主变附属用房的直流系统，电源冗余设置，共有两路，互为备用。电源的启动切换在开关柜内实现。开关柜低压室设有220V直流控制合闸储能机构正、负小母线、本段母线电压互感器A、B、C、N相100V电压小母线和A、N相220V交流电源小母线。从小母线引入的电源经过自动空气开关，自动空气开关配有故障接点，并将故障信号上送监控系统。

张河湾抽水蓄能电站的10kV保护装置为由AREVA公司生产的P127三相和接地过流继电保护装置和博为电气有限公司生产的BW-ML196H微机小电流接地选线装置共同构成。

5.1厂用电保护

电站10kV厂用电系统主要设置了速断保护，过流保护，和过负荷保护。单相接地故障保护发出报警信号。

在进线开关柜里配了电流速断保护，过电流保护，低电压保护，单相接地故障保护。其中速断保护作为相间短路的主保护，保护瞬时动作于跳开10kV进线断路器；过流保护作为后备保护，保护动作结果分两段延时出口，第一时限跳开母联断路器，第二时限跳开本柜的10kV电源进线断路器；低电压保护作为电源消失或电压下降的保护，保护动作于跳开进线断路器；单相接地故障保护则利用进线上PT的开口三角线圈的测量值，在发生单相接地故障时发出报警信号。

在母联断路器柜里配了电流速断保护，过电流保护和过负荷保护。其中速断保护作为相间短路的主保护，有两个保护出口，一个出口跳开母联断路器，另一个出口备用；过流保护作为后备保护，保护出口延时跳开母联断路器；过负荷保护延时发出报警信号。

在带变压器馈线的开关柜里配置了电流速断保护，过电流保护，接地故障保

护、过负荷保护和变压器温度保护。其中速断保护作为10kV电源进线相间短路的主保护，两个保护出口同时跳开该断路器和低压变压器400V侧电源进线断路器；过流保护作为10kV电源进线后备保护，保护动作设两段时限，第一时限延时动作于跳开变压器低压侧400V母联断路器，第二时限两个保护延时出口分别动作于跳开10kV馈线断路器和变压器低压侧进线断路器；接地故障保护利用变压器低压侧中性点零序CT，当低压侧发生单相接地故障时，保护设两个时限，动作结果与过电流保护相同；过负荷保护延时发出报警信号；变压器温度保护，过热时发出报警信号，超热则跳开进线断路器。

10kV馈线柜里只配了电流速断保护和过负荷保护。速断保护作为引出线的相间短路保护，设两段过流保护，第一段为不带时限的电流速断保护，第二段为带时限的过流保护，保护均动作于跳开馈线断路器。

母线保护只有单相接地故障保护通过通讯送报警信号到监控系统中，低电压保护由过流保护的备自投联合实现。

带10kV充水泵的保护，除了上面所提到的的速断、过流、低电压和过负荷保护外，主要还增加了电机本体的保护。

5.2小电流接地选线装置

在我国电力系统中，10kV系统为了减少短路故障，减少停电，多采用中性点不接地方式；当系统所接回路较多、较长，尤其是电缆较多时，系统对地电容电流较大，当发生单相接地故障后，会引起弧光过电压等一系列问题，影响系统的安全运行。为此，供电运行规程规定：当单相接地故障电流大于30A时，应装设消弧线圈进行补偿，使故障点仅流过补偿后的零序电流，从而变成了经消弧线圈接地系统。因而将中性点不接地系统或者经消弧线圈接地系统称为小电流接地系统。[3]发生单相接地故障时，由于故障电流较小，故障特征不明显，指示故障位置有一定难度，因此在Ⅰ母和Ⅲ母上采用了博为电气有限公司生产的BW-ML196H微机小电流接地选线装置。该装置可以快速地反映出故障，并送出报警信号，以减小故障范围。

5.3通信设置

在张河湾抽水蓄能电站地下厂房10kV开关柜中，设置有一台通信管理机。该装置负责采集地下厂房所有10kV开关柜的运行及状态信息。其中包括控制、保护、测量，以及备用电源自动投入等信息。通信管理机与保护装置及备用电源投入装置进行通信，并将所有信息上送至电站监控系统中。

通信管理机与其他设备的通信均采用Modbus通信规约。但10kV开关柜断路器的分闸、合闸辅助接点以及监控系统对断路器的命令则直接采用硬接线的方式连接。

6. 结论

总的来说，张河湾抽水蓄能电站的10kV厂用电设计具有较高的可靠性，提高了电厂的自动化水平，基本满足了电厂的要求。从电站的4台机全部发电正式投产运行至今已有5年时间，在这期间，厂用电系统运行良好，充分说明厂用电系统设备的可靠性和厂用电设计的灵活稳定性。

参考文献：

[1] 常永亮，王勇，杨战营.张河湾抽水蓄能电站电气主接线设计浅析[J].广东水利水电.2011年2月第2期.66-68.

[2] 李斌. 浅谈备自投装置在电网运行中的应用.中小企业管理与科技[J]. 下旬刊 2012年08期.198-198.

[3] 段华炜，王为民，刘秀梅.小电流接地选线装置的原理及应用[J].科技情报开发与经济.2004年第14卷第5期.2-265.

【作者简介】：陈自立，1984，女，本科，工程师，华北电力大学。