老撾南塔河1 號水電站高壓限流熔斷器組合保護裝置與繼電保護的配合設計

梁啟東，覃貴芳，陳 洋

（1.中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023；3.廣西沿海鐵路股份有限公司，廣西欽州 535000）

0 引言

近年來，國內外新建大型水電站增速放緩，中小型水電站以其相對“短平快”的優勢遍地開花，建設步伐加快。中小型電站與大型電站相比，規模小，投資少，但五臟俱全，特殊要求較多。對于中小型電站的用戶而言，它們更多注重設備穩定、可靠，而不是過于強大、值得炫耀的裝置。對設計院而言，既要針對各風格迥異的中小型電站提出有效、合理的設計方案，又要注意盡量控制成本。

為符合市場化思路，靈活適應不同規模、不同工程的要求，中小型水電工程以經濟適用為設計理念。

老撾南塔河1 號（Nam Tha 1）水電站工程是由南方電網公司出資建設，老撾電力公司（EDL）參股的BOT 項目，中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司為設計單位。

本工程的高壓限流熔斷器組合保護裝置（FU-R）與繼電保護的配合方案，已在該工程中投入使用3年以上。本文主要介紹在廠用電分支采用高壓限流熔斷器組合保護裝置時相關的繼電保護如何配合的設計方案。

1 老撾南塔河1 號水電站基本情況

1.1 工程概況

老撾南塔河1 號水電站座落于老撾人民共和國的北部。電站為壩后式，壩址位于博膠省，距河口62 km。電站樞紐主要建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、發電引水系統、引水式發電廠房及進廠公路組成，屬Ⅰ等工程。電站采用1 根壓力鋼管供3 臺水輪發電機組的供水方式，主管為Y 型岔管，直徑為8.20 m。電站廠房安裝3 臺混流式水輪發電機組，總裝機容量為168 MW（3×56 MW）。

電站配置1 套計算機監控系統，按少人值班的要求設計。

1.2 主變高低壓側的接線形式及繼電保護配置

以1 號主變壓器為例，本工程的主變壓器高壓側為115 kV，配置1 套115 kV 主變保護，含主保護、后備保護、非電量保護裝置各1 套。低壓側：（1）發電機出口設1 臺真空斷路器，配置1 套發電機保護，含主保護、后備保護裝置各1 套；（2）廠變、生活區變高壓側各配置1 臺真空斷路器，且均采用高壓限流熔斷器組合保護裝置（FU-R），同時各配置1 套變壓器測控保護裝置。接線如圖1 所示。

圖1 老撾南塔河1 號水電站主變高低壓側的接線示意圖

2 高壓限流熔斷器組合保護裝置（FU-R）基本原理及優勢

2.1 選擇高壓限流熔斷器組合保護裝置的原因

一般來說，如果廠用分支出現短路，只要繼電保護裝置動作，跳開廠用分支斷路器即可。但短路情況不同，短路電流大小也不同。較為極端的情況下，當廠用分支出現短路，發電機、電網將作為兩個強大的電源點向短路點提供電流，其短路電流很大，甚至超過發電機自身能提供的電流。為了應對這一情況，需要配置較高分斷能力的廠用分支斷路器，很可能與發電機出口斷路器相同，或更大。有的大型水電站甚至采用SF6 斷路器。而對于中小型電站來說，上述斷路器造價高昂，而應對的僅僅是較為極端、出現概率極低的短路情況，大多數情況下廠用分支的短路電流較小，不需要如此高分斷能力的斷路器。因此，中小型水電站可以選擇更為經濟的高壓限流熔斷器組合保護裝置+適中分斷能力的斷路器配合進行保護[1]。

2.2 高壓限流熔斷器組合保護裝置的基本原理

高壓限流熔斷器組合保護裝置（FU-R）主要由高壓熔斷器及非線性電阻組成。根據上述使用背景，可大致將廠用分支的短路電流分為大、小兩種工況，以斷路器分斷能力作為分界：

（1）短路電流較小，低于斷路器的分斷能力，則只需要跳開斷路器即可。

（2）短路電流較大，超過斷路器的分斷能力，此時斷路器不應動作，以免損壞；同時應通過FU-R 中的熔斷器熔斷對故障回路進行保護。熔斷器具有反時限特性，電流越大，熔斷越快[2]。同時FU-R 中的非線性電阻起到限流作用。

（3）綜上所述，斷路器與FU-R 之間存在由誰優先切斷短路電流的問題，也是需要解決的核心問題。

2.3 高壓限流熔斷器組合保護裝置的優勢

雖然在廠用分支出現大電流時會消耗1 個熔斷器，但因其造價較低且易于更換，出現大電流短路故障的概率又極低，相比價格高的高分斷能力的斷路器，選擇高壓限流熔斷器組合保護裝置是一種較為經濟的選擇[3]。因此高壓限流熔斷器組合保護裝置（FU-R）越來越廣泛地應用于中小型水電站中。

2.應注意保持日糧組成的全價性，供給富含維生素B1的飼料。在大型飼養場，干飼料飼喂時，目前普遍采取補充維生素添加劑的方法。

3 高壓限流熔斷器組合保護裝置（FU-R）與繼電保護的配合方案

本工程廠用變壓器保護以及主變壓器保護（僅部分保護功能）動作都會發令給廠用分支斷路器跳閘，而FU-R 不受繼電保護裝置的控制，因此斷路器與FU-R 誰先切斷故障電流的問題，實際上是繼電保護裝置與FU-R 的配合問題。

3.1 廠用變保護測控裝置與FU-R 的配合方案

據了解，國內常見的幾家繼電保護廠家，其保護測控裝置均有大電流閉鎖功能。即可以給保護測控裝置設定一個電流閉鎖值，該值就是斷路器的分斷能力值。當保護測控裝置檢測到廠用分支的電流高于保護動作值且低于閉鎖值時，保護動作，廠用分支斷路器跳閘；當保護測控裝置檢測到廠用分支的電流高于保護動作值且高于閉鎖值時，保護閉鎖，只報警、不動作，即不發指令給廠用分支斷路器跳閘，等待FU-R先熔斷，切斷故障電流。

該大電流閉鎖功能足以解決廠用分支的保護測控裝置與FU-R 的配合問題。

3.2 主變保護裝置與FU-R 的配合方案

相比保護測控裝置，主變保護往往缺少對支路的大電流閉鎖功能。本工程采用“南瑞繼?！钡暮Ｍ獍嬷髯儽Ｗo裝置，但廠家明確表示（當時的）主變保護裝置沒有大電流閉鎖功能。據了解，國內幾大繼電保護品牌的主變保護裝置也沒有該功能。為了實現主變保護裝置與FU-R 的配合，提出如下4 種方案：

（1）在主變保護裝置中增加大電流閉鎖功能。這在硬件上應該不存在困難，也不需要特殊的配置，但需要廠家修改保護裝置的程序（軟件），而保護裝置的程序往往需要經過各種嚴格檢驗才正式投入使用，修改程序的辦法雖然是最靈活的辦法，卻也可能會出現BUG。從安全及可靠性角度考慮，本工程放棄了修改保護程序的方案。

（2）主變保護動作時不跳廠用分支斷路器。從原理上分析，廠用分支不是電源點，當主變范圍內發生短路時，只要切斷主變高壓側、發電機側兩個電源點即可切斷所有短路電流。但廠用分支斷路器作為主變低壓側的一臺斷路器，故障時不跳閘，不符合國標[4]及行標[5]中“跳主變各側”的要求，且考慮到該項目建成后將由南方電網公司運營20 多年，應盡可能遵照中國標準。因此本工程未采用該方案。

（3）依靠時間配合。根據熔斷器的資料復核，一個選型恰當的熔斷器在出現大電流時的熔斷時間應該在0.5 s 內，因此可以在主變保護的廠用分支跳閘出口設延時，比如1～2 s。通過時間配合，利用熔斷器的反時限特性，理論上可以在出現大電流時讓熔斷器先熔斷、斷路器再跳閘。電流越大，熔斷器熔斷越快；電流較小，則熔斷器熔斷時間應遠長于保護動作時間。目前不少電站主要采用該方案進行配合。

但該方案也存在過于理想化的問題。熔斷器的實際熔斷時間受到選型的影響，如選型略有偏差，則熔斷器熔斷時間可能更長。另外，隨著時間的推移，熔斷器的物理特性、斷路器固有跳閘時間、微機型保護裝置的性能都有可能發生微小的變化，進而造成原先設定的時間配合產生變化，如果時間差設置過短可能導致配合失誤，如果時間差設置過長又達不到應有的繼電保護效果。因此本工程未采用該方案。

（4）依靠硬接線閉鎖。綜合（2）和（3）的主要思路，我們發現主變保護動作時，廠用分支需要跳閘——可以跳閘但不急于瞬時跳閘。主變高壓側斷路器、發電機出口斷路器必須具備大電流分斷能力，大電流時2臺斷路器可直接跳閘，而跳閘后實際已經切斷了短路電流，此時廠用分支斷路器再跳閘已無風險。即只要保證主變高壓側斷路器、發電機出口斷路器先跳閘，廠用分支斷路器后跳閘即可。如果熔斷器在此之前熔斷，同樣達到了斷路器與FU-R 的配合目的。因此可在主變保護跳廠用分支斷路器的硬接線回路中串入主變高壓側斷路器、發電機出口斷路器的分閘位置接點。同時為了防止跳閘命令提前消失，本工程要求“南瑞繼?！睂⒅髯儽Ｗo跳廠用分支斷路器的出口脈寬調至最大（800 ms），且該發令時長不會導致廠用分支斷路器的跳閘線圈損壞。

硬接線回路一直被視為比較可靠的控制回路，較為重要的回路一般都采用硬接線形式。因此本工程采用該方案。

3.3 高壓限流熔斷器組合保護裝置與繼電保護的配合方案總結

（1）要保證出現大電流的短路時，熔斷器熔斷早于廠用分支斷路器跳閘。

（2）廠用分支的保護測控裝置動作時，采用裝置本身的大電流閉鎖功能。

（3）主變保護跳廠用分支斷路器的回路串入主變高壓側斷路器、發電機出口斷路器的分閘位置接點閉鎖。

4 結語

老撾南塔河1 號水電站已于2018年10月正式投產發電，并于2019年底、2020年初分別順利通過了竣工安全鑒定和專項驗收。目前電站已安全穩定運行3年，高壓限流熔斷器組合保護裝置（FU-R）與繼電保護的配合方案也將得到實踐的檢驗。

通過對本工程高壓限流熔斷器組合保護裝置（FU-R）與繼電保護配合的電氣二次設計，設計人員認為國內外中小型水電站的開發給設計團隊提出了更新、更高的要求，設計中必須保有謹小慎微、靈活多變的設計思路，以適應復雜多樣的工程要求并有效節省投入成本。