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摘 要：小型水电站的一次系统设备一般要求简单经济，但给二次系统的设计带来挑战。小型水电站厂用变高压侧多采用限流熔断器加负荷开关的配置模式，其继电保护设计尤为重要，文章分析了厂用变保护的动作逻辑并提出了设计思路。
关键词：厂用变；继电保护；动作逻辑
中图分类号： TM77 文献标识码： B 文章编号： 1673-1069（2016）36-169-2
0 引言
小型水电站的建设追求投资省见效快，对于电气系统，一次设备一般选择成熟可靠、经济实惠的产品。但对于二次设备，其配置需根据一次设备的情况具体分析与设计，从而寻求合适的保护方案。小型水电站厂用变从发电机机端取电，其高压侧一般采用限流熔断加负荷开关的组合，不需配置断路器，节省了设备投资。厂用变保护是提高供电可靠性、确保电站安全运行的关键，其保护方案的设计需考虑诸多问题。
1 厂用电系统结构及运行方式
小型水电站机组为单元接线形式，其厂用电系统分为10kV和400V两级，10kV为机端即厂用变高压侧电压，400V为厂用变低压侧负荷母线电压。厂用变高压侧通过限流熔断器和负荷开关与发电机机端连接，低压侧通过开关与400V母线连接。厂用电系统的结构简单明了，如图1所示。
厂用电系统的运行方式为正常情况400V母线分两段独立运行，每段母线通过不同机组厂用变取电。当任一段母线失电时，400V备投装置自动启动，将分段开关合上，两段母线并列运行，失电母线从另一机组的厂用变取电。
小型水电站厂用电的安全可靠运行尤为重要，厂用变保护的分析和设计需紧紧围绕厂用电的结构和运行方式展开。
2 厂用变保护动作逻辑分析
厂用变保护的动作逻辑需根据不同部位的故障情况进行分析，应准确且完整。
①当厂用变高压侧发生短路故障时，由于配置了限流熔断器，在短路电流过大时可自动熔断切断电路，由其形成保护并切除故障点。如果限流熔断器未能熔断并切除故障，则由发电机保护动作跳发电机，并跳开主变，此时停电范围扩大。②当厂用变内部绕组发生短路故障时，由限流熔断器切除故障。厂用变高压侧及内部故障时，限流熔断器即为主保护，充当了电流速断保护的功能。此外，即使配置了电流速断保护，由于负荷开关不能开关大的短路电流，因此速断保护不能跳开负荷开关。③当厂用变低压侧及400V母线发生短路故障时，厂用变保护动作，可一时限先行跳开400V分段断路器，如果故障未能切除则二时限跳开厂用变低压侧400V断路器。④当厂用变低压侧发生单相接地短路故障时，厂用变保护动作，与过流保护类似，一时限先行跳开400V分段断路器，如果故障未能切除则二时限跳开厂用变低压侧400V断路器。⑤当厂用变温度升高时，厂用变非电量保护动作，延时发出报警信号，当温度过高时，保护动作跳闸，跳开发电机和变压器，同时跳开厂用变低压侧400V开关。
从以上分析可以看出，厂用变保护的动作逻辑复杂，需考虑各个可能的故障点，同时还需考虑与限流熔断器及发电机保护的配合问题。
此外，厂用变高压侧既连接着发电机机端，也连接着主变低压侧。厂用变是否纳入主变差动的保护范围的问题需重点分析。
如果将厂用变纳入主变差动保护范围，即厂用变高压侧电流互感器不接入主变差动回路，表面上扩大了主变差动的保护范围，但在厂用变低压侧发生短路故障而厂用变保护未能动作时，主变差动保护往往没有灵敏性。同时，厂用变故障问题容易引起上一级主变差动保护动作，从而扩大了停电范围，影响了保护的选择性和可靠性。
反之，如果将厂用变排除在主变差动保护范围外，即厂用变高压侧电流互感器接入主变差动回路，则主变差动只保护到厂用变高压侧。如此，厂用变保护与主变差动保护职责范围清晰，厂用变故障不会轻易影响主变差动保护，为避免死区两者在厂用变高压侧电流互感器的接入时可形成一定的交叉。
3 厂用变保护方案设计
根据上一节对厂用变保护动作逻辑的分析，进一步形成下列保护设计方案。
①厂用变不设置电流速断保护，由限流熔断器代替。②厂用变设置过电流保护，带两段时限，一时限跳开400V分断开关，二时限跳开厂用变400V侧开关。③厂用变设置低压侧零序过电流保护，带两段时限，一时限跳开400V分断开关，二时限跳开厂用变400V侧开关。④厂用变设置温度保护，延时报警，必要时跳闸。⑤厂用变高压侧电流互感器接入主变差动回路。发电机保护充当厂用变远后备保护。
上述厂用变的保护设计方案充分考虑了厂用变各个区域的故障问题，并兼顾了与发电机保护和主变差动保护的配合性，方案完整清晰。此外，利用限流熔断器充当主保护，不需重复配置电流速断保护，保护方案简单可靠。
厂用变设计方案如图2所示，零序保护需接入400V侧零序互感器，图中略。需要说明的是，图中CT1和CT2均为装设于厂用变高压侧电流互感器，一般装设于开关柜内。两者之间变比不同，接入主变差动保护回路的CT2变比更大，为保证差动保护性能，CT2应尽可能与发电机出口电流互感器同型。
对于CT2，如果选用与发电机出口同型的大变比互感器，在开关柜内有装设困难时，则可适当降低变比，但不应使主变差动保护的平衡系数过大造成整定困难，具体变比可综合短路电流计算结果和保护厂家整定值说明确定。CT1带两个绕组，一个为保护绕组用于过电流保护、过负荷保护等，另一个为测量绕组用于厂用变电流测量，其变比根据短路电流计算结果和厂用变额定电流确定。
4 厂用电设备配置建议
根据前面的论述，在厂用变高压侧采用限流熔断器加负荷开关的配置时，可以找到合适且完整的保护方案，但一次设备的配置给保护方案的设计都带来相当大的难度，给定值整定、时限配合也带来一定的麻烦。此外，负荷开关无法开断大的短路电流，因此保护无法直接跳开负荷开关，有时需要跳发电机出口断路器来切除机组，甚至需要跳开主变高压侧断路器，以完全切除故障，扩大了故障范围，给电站带来停电损失。因此，在进行厂用电设备选型配置时，除考虑设备经济性外，也需要使保护方案尽可能简单。在条件允许时，应选用能开断大短路电流的断路器。
5 结论
文章分析了小型水电站厂用电系统的结构和运行方式，在此基础上对厂用变保护的动作逻辑和关键问题进行了深入分析，进而提出了完整可靠的保护设计方案，最后对厂用电系统的设备配置方案提出了建议。小型水电站厂用电的供电可靠性至关重要，继电保护系统的合理配置和设计是确保水电站安全运行的关键。
参 考 文 献
[1] 继电保护和安全自动装置技术规程[S].中华人民共和国国家标准GB/T 14285—2006.
[2] 水力发电厂继电保护设计规范[S].中国人民共和国能源行业标准NB/T 35010—2013.
关键词：厂用变；继电保护；动作逻辑
中图分类号： TM77 文献标识码： B 文章编号： 1673-1069（2016）36-169-2
0 引言
小型水电站的建设追求投资省见效快，对于电气系统，一次设备一般选择成熟可靠、经济实惠的产品。但对于二次设备，其配置需根据一次设备的情况具体分析与设计，从而寻求合适的保护方案。小型水电站厂用变从发电机机端取电，其高压侧一般采用限流熔断加负荷开关的组合，不需配置断路器，节省了设备投资。厂用变保护是提高供电可靠性、确保电站安全运行的关键，其保护方案的设计需考虑诸多问题。
1 厂用电系统结构及运行方式
小型水电站机组为单元接线形式，其厂用电系统分为10kV和400V两级，10kV为机端即厂用变高压侧电压，400V为厂用变低压侧负荷母线电压。厂用变高压侧通过限流熔断器和负荷开关与发电机机端连接，低压侧通过开关与400V母线连接。厂用电系统的结构简单明了，如图1所示。
厂用电系统的运行方式为正常情况400V母线分两段独立运行，每段母线通过不同机组厂用变取电。当任一段母线失电时，400V备投装置自动启动，将分段开关合上，两段母线并列运行，失电母线从另一机组的厂用变取电。
小型水电站厂用电的安全可靠运行尤为重要，厂用变保护的分析和设计需紧紧围绕厂用电的结构和运行方式展开。
2 厂用变保护动作逻辑分析
厂用变保护的动作逻辑需根据不同部位的故障情况进行分析，应准确且完整。
①当厂用变高压侧发生短路故障时，由于配置了限流熔断器，在短路电流过大时可自动熔断切断电路，由其形成保护并切除故障点。如果限流熔断器未能熔断并切除故障，则由发电机保护动作跳发电机，并跳开主变，此时停电范围扩大。②当厂用变内部绕组发生短路故障时，由限流熔断器切除故障。厂用变高压侧及内部故障时，限流熔断器即为主保护，充当了电流速断保护的功能。此外，即使配置了电流速断保护，由于负荷开关不能开关大的短路电流，因此速断保护不能跳开负荷开关。③当厂用变低压侧及400V母线发生短路故障时，厂用变保护动作，可一时限先行跳开400V分段断路器，如果故障未能切除则二时限跳开厂用变低压侧400V断路器。④当厂用变低压侧发生单相接地短路故障时，厂用变保护动作，与过流保护类似，一时限先行跳开400V分段断路器，如果故障未能切除则二时限跳开厂用变低压侧400V断路器。⑤当厂用变温度升高时，厂用变非电量保护动作，延时发出报警信号，当温度过高时，保护动作跳闸，跳开发电机和变压器，同时跳开厂用变低压侧400V开关。
从以上分析可以看出，厂用变保护的动作逻辑复杂，需考虑各个可能的故障点，同时还需考虑与限流熔断器及发电机保护的配合问题。
此外，厂用变高压侧既连接着发电机机端，也连接着主变低压侧。厂用变是否纳入主变差动的保护范围的问题需重点分析。
如果将厂用变纳入主变差动保护范围，即厂用变高压侧电流互感器不接入主变差动回路，表面上扩大了主变差动的保护范围，但在厂用变低压侧发生短路故障而厂用变保护未能动作时，主变差动保护往往没有灵敏性。同时，厂用变故障问题容易引起上一级主变差动保护动作，从而扩大了停电范围，影响了保护的选择性和可靠性。
反之，如果将厂用变排除在主变差动保护范围外，即厂用变高压侧电流互感器接入主变差动回路，则主变差动只保护到厂用变高压侧。如此，厂用变保护与主变差动保护职责范围清晰，厂用变故障不会轻易影响主变差动保护，为避免死区两者在厂用变高压侧电流互感器的接入时可形成一定的交叉。
3 厂用变保护方案设计
根据上一节对厂用变保护动作逻辑的分析，进一步形成下列保护设计方案。
①厂用变不设置电流速断保护，由限流熔断器代替。②厂用变设置过电流保护，带两段时限，一时限跳开400V分断开关，二时限跳开厂用变400V侧开关。③厂用变设置低压侧零序过电流保护，带两段时限，一时限跳开400V分断开关，二时限跳开厂用变400V侧开关。④厂用变设置温度保护，延时报警，必要时跳闸。⑤厂用变高压侧电流互感器接入主变差动回路。发电机保护充当厂用变远后备保护。
上述厂用变的保护设计方案充分考虑了厂用变各个区域的故障问题，并兼顾了与发电机保护和主变差动保护的配合性，方案完整清晰。此外，利用限流熔断器充当主保护，不需重复配置电流速断保护，保护方案简单可靠。
厂用变设计方案如图2所示，零序保护需接入400V侧零序互感器，图中略。需要说明的是，图中CT1和CT2均为装设于厂用变高压侧电流互感器，一般装设于开关柜内。两者之间变比不同，接入主变差动保护回路的CT2变比更大，为保证差动保护性能，CT2应尽可能与发电机出口电流互感器同型。
对于CT2，如果选用与发电机出口同型的大变比互感器，在开关柜内有装设困难时，则可适当降低变比，但不应使主变差动保护的平衡系数过大造成整定困难，具体变比可综合短路电流计算结果和保护厂家整定值说明确定。CT1带两个绕组，一个为保护绕组用于过电流保护、过负荷保护等，另一个为测量绕组用于厂用变电流测量，其变比根据短路电流计算结果和厂用变额定电流确定。
4 厂用电设备配置建议
根据前面的论述，在厂用变高压侧采用限流熔断器加负荷开关的配置时，可以找到合适且完整的保护方案，但一次设备的配置给保护方案的设计都带来相当大的难度，给定值整定、时限配合也带来一定的麻烦。此外，负荷开关无法开断大的短路电流，因此保护无法直接跳开负荷开关，有时需要跳发电机出口断路器来切除机组，甚至需要跳开主变高压侧断路器，以完全切除故障，扩大了故障范围，给电站带来停电损失。因此，在进行厂用电设备选型配置时，除考虑设备经济性外，也需要使保护方案尽可能简单。在条件允许时，应选用能开断大短路电流的断路器。
5 结论
文章分析了小型水电站厂用电系统的结构和运行方式，在此基础上对厂用变保护的动作逻辑和关键问题进行了深入分析，进而提出了完整可靠的保护设计方案，最后对厂用电系统的设备配置方案提出了建议。小型水电站厂用电的供电可靠性至关重要，继电保护系统的合理配置和设计是确保水电站安全运行的关键。
参 考 文 献
[1] 继电保护和安全自动装置技术规程[S].中华人民共和国国家标准GB/T 14285—2006.
[2] 水力发电厂继电保护设计规范[S].中国人民共和国能源行业标准NB/T 35010—2013.