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摘?要 通过微机综保在杜儿坪矿瓦斯电站应用的实例介绍，探索了小型瓦斯电站电气及继电保护的配置方案和整定方法，引进学习国外继电保护装置，并与国产微机综保和后台系统进行整合优化，为瓦斯电站的电气系统安全运行提供了有力的保证，适合在瓦斯电站推广应用。
关键词 瓦斯发电站；微机综保；SIEMENS；继电保护
中图分类号 TD712 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0190-02
近年来，随着国家能源结构的调整和瓦斯利用扶持鼓励政策的相继出台，瓦斯作为一种绿色清洁能源开始走上了产业化的道路，其中使用内燃式往复发电机组进行瓦斯发电是目前最经济、最有效的一种途径。
从瓦斯气体输配角度考虑，煤矿瓦斯电站一般均靠近矿井瓦斯抽排站建设，发电机组单机规模不大，目前从500 kW到4000 kW可选，采用内燃机发电，辅机设备数量不多，负荷也不大，电站主接线系统相对灵活。根据气量平衡，煤矿瓦斯电站的总装机规模一般不超过30 MW，多就近以6 kv～35 kV电压等级接入矿井变电所，所发电力补充矿井用电。
瓦斯作为新型能源，国内还没有明确的瓦斯电站的设计规范可依，在进行电气微机综保配置和整定时只能参考相关设计规程规范和设备资料，在充分考虑电站内人员及设备的安全的前提下摸索合理的方案。
1 电气系统概述
1.1 瓦斯电站概述
杜儿坪矿瓦斯电站位于古交市北石沟村的黄土山地，北与杜儿坪矿北石沟瓦斯抽放站相邻。电站一期工程投资建设3x1703 kW发电机组，二期工程投资建设4x1703 kW发电机组，采用进口道依茨瓦斯内燃机组，发电机出口电压选用6.3 kV。
1.2 电气主接线
电站一期3台发电机均接入6.3 kV I段母线，电站馈出1回6.3 kV联络线至北石沟变电所。二期工程建设时4台发电机接入6.3 kV II段母线，两段母线联络至一期预留0段开关柜后经一台16000 kVA变压器升压至38.5 kV，电站38.5 kV以线路变压器组接线方式馈出1回联络线接入北石沟风机房35 kV箱式变电站。电站正常工况下通过35 kV线路向电网输电，同时保留一期工程建设的至北石沟
6 kV联络线作为应急电源使用。
1.3 主要设备选型及布置
瓦斯电站内为爆炸危险区域，考虑消防、防火等因素，电气设备均选用干式无油化产品，充分考虑使用安全、布置空间、操作维护、平均无故障时间等因素，变压器和开关设备均选用ABB公司产品，同时受限于山体软基场地难于布置等实际情况，为节约场地、缩短建设周期，电站电气系统设备均采用集装箱式安装。其中，电气集装箱1布置6.3 kV I段及0段母线开关设备，该箱设备随一期机组进口；电气集装箱2布置电站站用低压ABB MNS 380 V开关设备、65 Ah DC220V直流屏、38.5 kV线路变压器组保护组屏、干式站用变压器等；电气集装箱3布置6.3 kV II段母线开关设备及电站38.5 kV开关设备，考虑安全、布置及维护方便，
38.5 kV开关柜选用ABB SF6气体绝缘开关设备；电气集装箱4布置ABB SCR10-16000/35干式低损耗升压变压器。
2 主要继电保护方案
电气二次部分采用微机综保装置和电站综合自动化系统实现对电站电气设备的保护和监控，综合自动化系统具有远动信息接口，同时将电站电气设备运行参数上传至地调。
2.1 电站6.3 kV继电保护
电站6.3 kV发电机保护装置随主设备供货，设置发电机差动保护为主保护，后备保护主要包括相间短路带时限过流保护、无时限速断保护、频率保护、失步保护、磁饱和V/F保护、失磁保护、电压保护、逆功率保护、接地保护及零序保护等，机组保护装置通过Profibus工业控制网络接入电站综合自动化后台。
电站其他6.3 kV线路、母联、站用变等回路的继电保护装置均使用SIEMENS公司7SJ68多功能产品，设置常规电流和电压保护，整定计算根据设计手册并参考综保要求进行。
2.2 升压变压器保护配置和整定如下
1）保护配置和功能：设置差动保护为升压变主保护，使用SIEMENS公司7UT612保护装置，在升压变两侧差流超过整定时联动变压器高、低压侧断路器。
同时在升压变高、低压侧各设置一套后备保护，高、低后备均选用SIEMENS公司7SJ68产品，设带时限过电流保护、过负荷等常规保护。
差动保护装置7UT612常用于两卷变保护，其保护跳闸特性见下图，
该跳闸特性图中，Idiff为差动电流，Idiff = | I1+I2 | ，Istab为制动电流，Istab = | I1 | + | I2 |。其中I1和I2分别为变压器高低压侧电流互感器的二次电流值，INTr为变压器额定电流。
为防止二次及高次谐波造成装置误动，在图中闭锁区可以设置谐波制动，当谐波超过整定值限值可实现闭锁差动出口不动作，闭锁时间也可设定。
装置具有CT饱和指示器，当区外故障流过很大的穿越电流引起CT饱和而产生差流，装置可判别该情况。当由于CT饱和导致的差流，刚开始时，电流特性必落在“附加稳定区”中，这时可闭锁差动保护约8个周波，不致差动误动。
当故障由区外向区内发展时，电流点将落故障特性上，需2周波时间来确定是区内故障，从而中断CT饱和闭锁，差动动作。因此，差动在这种情况下不会拒动。
2）保护整定。差动保护整定：差动保护动作门槛值Idiff>即最小保护动作电流，按躲过变压器额定负载下的最大不平衡电流原则整定，即Idiff>=Krel*(Ker+△U)*Ie，Ie为升压变二次额定电流，Krel可靠系数取1.3-1.5，升压变各侧电流互感器的比误差Ker按照规程取0.06，变压器调压引起的误差△U取调压范围中偏离额定值的最大值，经计算并考虑防止误动Idiff取0.55Ie。 一般变压器空载投入时的最大励磁涌流要大于最大不平衡电流，因此差电流速断定值Idiff>>按照躲过变压器空载投入时的最大励磁涌流整定，即Idiff>>=K*Ie，考虑变压器容量和系统电抗大小Idiff>>取5.5Ie，动作时间取0S。
比率制动特性曲线制动系数按照一段式比率制动特性整定，制动系数取0.3。
谐波制动比参数装置内用各相电流中二次谐波分量与基波分量的比值计，整定值取20%，为防止变压器某一相涌流超过差动门槛值而二次谐波比达不到20%的情况下造成装置误动，需要投入交叉闭锁时间躲过变压器励磁涌流的衰减时间，闭锁时间取0.2S。
为防止故障电流引起电流互感器饱和造成误动，首先CT二次电流选用1A，另投入CT饱和附加稳定区制动，起始制动电流取6Ie，交叉闭锁时间取0.16S。
2.3 线路保护配置和整定如下
1）保护配置和功能：线路相间短路主保护配置光纤纵差保护：保护装置使用SIEMENS公司7SD610保护装置，在线路内部发生故障时，动作于线路两侧断路器。
线路后备保护及解列装置使用南瑞中德NSP788W，后备保护主要整定带时限过流保护及高低压、高低频解列发电机保护。
主保护装置安装于线路两侧末端，对每一相分别进行测量和分析，能识别复杂的多相故障，保护抑制变压器涌流，出现故障时及时双侧跳闸。两侧装置利用专用光缆通信线路通过保护数据接口来进行测量信息的交换，当通信故障时，能自诊断报警，并能将内置的过电流定时限保护自动切换到紧急操作状态，直到通信正常为止，过电流定时限保护也可以在任一端独立且并行于差动保护操作。
2）保护整定。线路光差差动保护整定：差动启动值Idiff>整定需要考虑被保护对象的稳态的支路电流，长线路情况下的充电电流，一般差动启动值Idiff >必须至少是计算充电电流的2～2.5 倍，而且不应低于15%的运行额定电流，本项目整定为0.2Ie，时限0S，其中Ie为线路运行的额定电流。差动启动值Idiff >归算至一次值后在线路两端的设置相等；为避开合闸时的线路充电电流及变压器励磁涌流，整定合闸时差动启动值5.5Ie，合闸后闭锁时间0.2S再切换到差动启动值Idiff>；差动速断启动值Idiff>>整定为线路正常运行电流附近，取1.2Ie；线路末端含变压器，整定线路二次谐波制动为15%，当涌流超过1.414*In/Uk（In为变压器额定电流，Uk为变压器阻抗电压）时不设闭锁。
2.4 接入变电站继电保护改造
瓦斯电站接入北石沟风机房变电站536开关柜，该接入变电站为杜儿坪矿扇风机房和瓦斯抽放站负荷供电，瓦斯发电机组的调速及励磁系统调整无法适应扇风机房及瓦斯抽排站较大的单机负荷变化，为确保矿井重要负荷的供电安全，用户委托接入系统按以下主要安全原则设置：任何故障状态优先切除瓦斯电站，电站不设孤网运行模式；536开关设线路无压合闸闭锁；设线路光差主保护及电流电压后备保护；风机房变电所两段进线无流连跳536（带母联判断）；风机房上一级变电所至风机房联络开关跳闸通过光纤传输断路器辅助触点电平信号连跳536开关（带母联判断）；因上级变电所至风机房变电所联络开关有可能投入自动重合闸功能，但上级变电所原先设计未考虑下侧为电源，无检同期或检无压闭锁，为防止电站投入后非同期重合，增加536开关合闸后断开上级联络线重合闸回路的闭锁。
根据上述原则对接入变电站进行继电保护改造，主要包括：设置西门子7SD610线路光差保护；设置南瑞中德NSP788W线路后备保护；设置南瑞中德NSP788W实现风机房变电站两段进线检无流跳536；设置光纤连跳装置TF101K实现上级变电所至风机房联络线开关跳闸连跳536。
3 结束语
杜儿坪瓦斯电站继电保护系统引进了SIEMENS公司的微机综保装置，并整合到国产综合自动化系统中，自投运以来运行良好，电站电气系统运行稳定，保证了瓦斯电站的稳定运行，也保护了矿井生产的电力供应安全。SIEMENS微机综保在抗干扰措施、算法灵活性、逻辑严谨性反方面值得深入地学习和探讨，以便更好地指导我们今后更加合理地进行瓦斯电站保护配置方案的确定，更加准确地进行继电保护整定的计算。
参考文献
[1]GB50049-2011.小型火力发电厂设计规范[S].
[2]电力工程电气设计手册[M].水利电力出版社,2004,1.
[3] GB50062-2008.电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S].
关键词 瓦斯发电站；微机综保；SIEMENS；继电保护
中图分类号 TD712 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)062-0190-02
近年来，随着国家能源结构的调整和瓦斯利用扶持鼓励政策的相继出台，瓦斯作为一种绿色清洁能源开始走上了产业化的道路，其中使用内燃式往复发电机组进行瓦斯发电是目前最经济、最有效的一种途径。
从瓦斯气体输配角度考虑，煤矿瓦斯电站一般均靠近矿井瓦斯抽排站建设，发电机组单机规模不大，目前从500 kW到4000 kW可选，采用内燃机发电，辅机设备数量不多，负荷也不大，电站主接线系统相对灵活。根据气量平衡，煤矿瓦斯电站的总装机规模一般不超过30 MW，多就近以6 kv～35 kV电压等级接入矿井变电所，所发电力补充矿井用电。
瓦斯作为新型能源，国内还没有明确的瓦斯电站的设计规范可依，在进行电气微机综保配置和整定时只能参考相关设计规程规范和设备资料，在充分考虑电站内人员及设备的安全的前提下摸索合理的方案。
1 电气系统概述
1.1 瓦斯电站概述
杜儿坪矿瓦斯电站位于古交市北石沟村的黄土山地，北与杜儿坪矿北石沟瓦斯抽放站相邻。电站一期工程投资建设3x1703 kW发电机组，二期工程投资建设4x1703 kW发电机组，采用进口道依茨瓦斯内燃机组，发电机出口电压选用6.3 kV。
1.2 电气主接线
电站一期3台发电机均接入6.3 kV I段母线，电站馈出1回6.3 kV联络线至北石沟变电所。二期工程建设时4台发电机接入6.3 kV II段母线，两段母线联络至一期预留0段开关柜后经一台16000 kVA变压器升压至38.5 kV，电站38.5 kV以线路变压器组接线方式馈出1回联络线接入北石沟风机房35 kV箱式变电站。电站正常工况下通过35 kV线路向电网输电，同时保留一期工程建设的至北石沟
6 kV联络线作为应急电源使用。
1.3 主要设备选型及布置
瓦斯电站内为爆炸危险区域，考虑消防、防火等因素，电气设备均选用干式无油化产品，充分考虑使用安全、布置空间、操作维护、平均无故障时间等因素，变压器和开关设备均选用ABB公司产品，同时受限于山体软基场地难于布置等实际情况，为节约场地、缩短建设周期，电站电气系统设备均采用集装箱式安装。其中，电气集装箱1布置6.3 kV I段及0段母线开关设备，该箱设备随一期机组进口；电气集装箱2布置电站站用低压ABB MNS 380 V开关设备、65 Ah DC220V直流屏、38.5 kV线路变压器组保护组屏、干式站用变压器等；电气集装箱3布置6.3 kV II段母线开关设备及电站38.5 kV开关设备，考虑安全、布置及维护方便，
38.5 kV开关柜选用ABB SF6气体绝缘开关设备；电气集装箱4布置ABB SCR10-16000/35干式低损耗升压变压器。
2 主要继电保护方案
电气二次部分采用微机综保装置和电站综合自动化系统实现对电站电气设备的保护和监控，综合自动化系统具有远动信息接口，同时将电站电气设备运行参数上传至地调。
2.1 电站6.3 kV继电保护
电站6.3 kV发电机保护装置随主设备供货，设置发电机差动保护为主保护，后备保护主要包括相间短路带时限过流保护、无时限速断保护、频率保护、失步保护、磁饱和V/F保护、失磁保护、电压保护、逆功率保护、接地保护及零序保护等，机组保护装置通过Profibus工业控制网络接入电站综合自动化后台。
电站其他6.3 kV线路、母联、站用变等回路的继电保护装置均使用SIEMENS公司7SJ68多功能产品，设置常规电流和电压保护，整定计算根据设计手册并参考综保要求进行。
2.2 升压变压器保护配置和整定如下
1）保护配置和功能：设置差动保护为升压变主保护，使用SIEMENS公司7UT612保护装置，在升压变两侧差流超过整定时联动变压器高、低压侧断路器。
同时在升压变高、低压侧各设置一套后备保护，高、低后备均选用SIEMENS公司7SJ68产品，设带时限过电流保护、过负荷等常规保护。
差动保护装置7UT612常用于两卷变保护，其保护跳闸特性见下图，
该跳闸特性图中，Idiff为差动电流，Idiff = | I1+I2 | ，Istab为制动电流，Istab = | I1 | + | I2 |。其中I1和I2分别为变压器高低压侧电流互感器的二次电流值，INTr为变压器额定电流。
为防止二次及高次谐波造成装置误动，在图中闭锁区可以设置谐波制动，当谐波超过整定值限值可实现闭锁差动出口不动作，闭锁时间也可设定。
装置具有CT饱和指示器，当区外故障流过很大的穿越电流引起CT饱和而产生差流，装置可判别该情况。当由于CT饱和导致的差流，刚开始时，电流特性必落在“附加稳定区”中，这时可闭锁差动保护约8个周波，不致差动误动。
当故障由区外向区内发展时，电流点将落故障特性上，需2周波时间来确定是区内故障，从而中断CT饱和闭锁，差动动作。因此，差动在这种情况下不会拒动。
2）保护整定。差动保护整定：差动保护动作门槛值Idiff>即最小保护动作电流，按躲过变压器额定负载下的最大不平衡电流原则整定，即Idiff>=Krel*(Ker+△U)*Ie，Ie为升压变二次额定电流，Krel可靠系数取1.3-1.5，升压变各侧电流互感器的比误差Ker按照规程取0.06，变压器调压引起的误差△U取调压范围中偏离额定值的最大值，经计算并考虑防止误动Idiff取0.55Ie。 一般变压器空载投入时的最大励磁涌流要大于最大不平衡电流，因此差电流速断定值Idiff>>按照躲过变压器空载投入时的最大励磁涌流整定，即Idiff>>=K*Ie，考虑变压器容量和系统电抗大小Idiff>>取5.5Ie，动作时间取0S。
比率制动特性曲线制动系数按照一段式比率制动特性整定，制动系数取0.3。
谐波制动比参数装置内用各相电流中二次谐波分量与基波分量的比值计，整定值取20%，为防止变压器某一相涌流超过差动门槛值而二次谐波比达不到20%的情况下造成装置误动，需要投入交叉闭锁时间躲过变压器励磁涌流的衰减时间，闭锁时间取0.2S。
为防止故障电流引起电流互感器饱和造成误动，首先CT二次电流选用1A，另投入CT饱和附加稳定区制动，起始制动电流取6Ie，交叉闭锁时间取0.16S。
2.3 线路保护配置和整定如下
1）保护配置和功能：线路相间短路主保护配置光纤纵差保护：保护装置使用SIEMENS公司7SD610保护装置，在线路内部发生故障时，动作于线路两侧断路器。
线路后备保护及解列装置使用南瑞中德NSP788W，后备保护主要整定带时限过流保护及高低压、高低频解列发电机保护。
主保护装置安装于线路两侧末端，对每一相分别进行测量和分析，能识别复杂的多相故障，保护抑制变压器涌流，出现故障时及时双侧跳闸。两侧装置利用专用光缆通信线路通过保护数据接口来进行测量信息的交换，当通信故障时，能自诊断报警，并能将内置的过电流定时限保护自动切换到紧急操作状态，直到通信正常为止，过电流定时限保护也可以在任一端独立且并行于差动保护操作。
2）保护整定。线路光差差动保护整定：差动启动值Idiff>整定需要考虑被保护对象的稳态的支路电流，长线路情况下的充电电流，一般差动启动值Idiff >必须至少是计算充电电流的2～2.5 倍，而且不应低于15%的运行额定电流，本项目整定为0.2Ie，时限0S，其中Ie为线路运行的额定电流。差动启动值Idiff >归算至一次值后在线路两端的设置相等；为避开合闸时的线路充电电流及变压器励磁涌流，整定合闸时差动启动值5.5Ie，合闸后闭锁时间0.2S再切换到差动启动值Idiff>；差动速断启动值Idiff>>整定为线路正常运行电流附近，取1.2Ie；线路末端含变压器，整定线路二次谐波制动为15%，当涌流超过1.414*In/Uk（In为变压器额定电流，Uk为变压器阻抗电压）时不设闭锁。
2.4 接入变电站继电保护改造
瓦斯电站接入北石沟风机房变电站536开关柜，该接入变电站为杜儿坪矿扇风机房和瓦斯抽放站负荷供电，瓦斯发电机组的调速及励磁系统调整无法适应扇风机房及瓦斯抽排站较大的单机负荷变化，为确保矿井重要负荷的供电安全，用户委托接入系统按以下主要安全原则设置：任何故障状态优先切除瓦斯电站，电站不设孤网运行模式；536开关设线路无压合闸闭锁；设线路光差主保护及电流电压后备保护；风机房变电所两段进线无流连跳536（带母联判断）；风机房上一级变电所至风机房联络开关跳闸通过光纤传输断路器辅助触点电平信号连跳536开关（带母联判断）；因上级变电所至风机房变电所联络开关有可能投入自动重合闸功能，但上级变电所原先设计未考虑下侧为电源，无检同期或检无压闭锁，为防止电站投入后非同期重合，增加536开关合闸后断开上级联络线重合闸回路的闭锁。
根据上述原则对接入变电站进行继电保护改造，主要包括：设置西门子7SD610线路光差保护；设置南瑞中德NSP788W线路后备保护；设置南瑞中德NSP788W实现风机房变电站两段进线检无流跳536；设置光纤连跳装置TF101K实现上级变电所至风机房联络线开关跳闸连跳536。
3 结束语
杜儿坪瓦斯电站继电保护系统引进了SIEMENS公司的微机综保装置，并整合到国产综合自动化系统中，自投运以来运行良好，电站电气系统运行稳定，保证了瓦斯电站的稳定运行，也保护了矿井生产的电力供应安全。SIEMENS微机综保在抗干扰措施、算法灵活性、逻辑严谨性反方面值得深入地学习和探讨，以便更好地指导我们今后更加合理地进行瓦斯电站保护配置方案的确定，更加准确地进行继电保护整定的计算。
参考文献
[1]GB50049-2011.小型火力发电厂设计规范[S].
[2]电力工程电气设计手册[M].水利电力出版社,2004,1.
[3] GB50062-2008.电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S].