提高發(fā)電機定子接地保護動作可靠性的措施

鄧祖前

(廣州恒運企業(yè)集團有限公司，廣東廣州 510730)

某電廠汽輪發(fā)電機組容量為210 MW，中性點采用配電變壓器高阻接地方式，機端配置TV1，TV2，TV3(專用)3組抽屜式電壓互感器，其中TV1，TV3進入保護 A屏，TV2，TV3進入保護 B屏，電氣量保護雙重化配置，配置雙重化的雙頻式100%定子接地保護，其中基波零序電壓保護動作判據(jù)為:

|3U0|＞Uop1

三次諧波動作判據(jù)為:

式中 3U0為取自機端開口三角電壓;UOP1為基波零序電壓保護整定值;，分別為機端和中性點三次諧波電壓;KP為變比平衡系數(shù) (為機端TV開口三角變比與中性點配電變壓器變比不匹配而設(shè));K'為制動系數(shù)。本例整定:UOP1=5 V，KP=1．27，K'=0．7，基波零序電壓動作于機組全停，三次諧動作于發(fā)信。

1 故障情況及保護動作行為分析

該機組帶191 MW負荷運行，保護B屏發(fā)電機定子接地三波諧波保護動作發(fā)信，并不能復(fù)歸，基波零序電壓變動較大，相關(guān)采樣數(shù)據(jù)如表1。

表1 保護動作時，A，B屏有關(guān)各量的比較

保護動作行為分析:

對于A屏:

故保護不動作。

而對于B屏:

故保護動作。

因A，B屏基波零序電壓均未達動作值故不動作。由以上分析可知，保護動作行為正常。

2 故障性質(zhì)的判斷

根據(jù)表1及表2(見4．3節(jié))的數(shù)據(jù)進行綜合分析，否定了發(fā)電機定子繞組發(fā)生單相接地故障的可能，這是因為:

(1)B屏的3U0變動較大，但A屏及中性點基波零序電壓很小且正常。

(2)B屏的Kp的幅值與A屏的基本相同，而˙U3s幅值較A屏的有較大幅度的減小。

以上各點均不滿足發(fā)電機定子接地時機端及中性點均有基波零序電壓輸出及幅值增大、Kp幅值減小的數(shù)據(jù)特征，并且通過與表2的數(shù)據(jù)對比，確定發(fā)電機定子繞組運行正常，A屏保護及電壓回路采樣正常，B屏TV2電壓回路異常?？紤]到TV2開口三角基波零序電壓變化較大，而該3U0整定較靈敏 (5 V)，故建議退出B屏的該保護功能壓板，幾天后該保護動作 (動作值為4．92V)發(fā)信，由于功能壓板已退出，故未切機。

3 情況檢查及技改措施

3.1 情況檢查

該發(fā)電機機端共設(shè)3組TV，每組TV由3個抽屜式的單相TV構(gòu)成，二次電壓通過TV本體端子排再通過動靜彈簧壓接片引到柜體端子排，最后接入5m層的電壓端子箱，每相TV開口三角繞組頭尾均接到該端子箱，然后用專用短接片將之組成開口三角形，對引入保護B屏的TV2進行了詳細檢查，主要發(fā)現(xiàn)了如下問題:

(1)對TV2的3個單相TV的一次繞組尾端接地情況檢查發(fā)現(xiàn)，C相一次繞組的尾端并不像A，B相那樣將尾端直接接于接地銅排上而是接到柜體上，且連接螺絲只有平墊而沒有彈簧壓墊，由于汽機0 m層振動較大，造成接線松動。拆除原有接線，利用專用接地線將C相TV一次繞組尾端可靠地接到接地銅排上。

(2)通過對TV2二次電壓引出用的動靜彈簧壓接片檢查發(fā)現(xiàn):TV2動端彈簧片的滑動接觸位置有氧化現(xiàn)象，利用金相砂紙打磨并用酒精洗凈，微調(diào)動靜壓接片的相對位置，使其接觸可靠。

3.2 技改措施

基波零序電壓的選取方式由保護中的“電壓選擇控制”決定，現(xiàn)將該控制字由“1”改為“0”，即電壓選取由機端改為中性點，同時保護在軟件上也解除了機端TV一次斷線的閉鎖功能，使該保護的動作更加可靠。

根據(jù)原有定值確定在中性點取電壓時的保護整定值分析:

假設(shè)發(fā)電機C相中性點距機端α處的K點發(fā)生金屬性接地短路 (見圖1)，則:

圖1 發(fā)電機定子接地保護示意圖

則機端TV開口三角電壓:

中性點配電變壓器二次側(cè)輸出電壓:

則:Kp1=UL1N1/ULN=Ns/3Nn

上式中Kp1為與式 (1)區(qū)分，稱為變比修正系數(shù)，Ns為機端TV開口三角變比，Nn為中性點配電變壓器變比。

考慮到保護動作于邊界條件，并設(shè)UOP1為電壓取自機端TV時時的整定值，UOP2為電壓取自中性點時的整定值，則:

UOP2=Kp1UOP1=1．27 ×5=6．35V，實取6．5V。

由以上分析知:將原保護中的定值作如下調(diào)整:電壓選擇由“1”改為“0”，基波零序電壓定值由5 V改為6．5 V，動作時限不變，軟件上自動解除TV一次斷線閉鎖。保護靜態(tài)試驗正常，機組正常運行時中性點基波零序電壓采樣值平穩(wěn)且很小，僅0．1 V左右，投入保護的功能壓板，機組運行近2年來，保護運行良好。

4 提高雙頻式100%發(fā)電機定子接保護動作可靠性的措施

4.1 有條件取消TV一次斷線閉鎖基波零序電壓保護功能

對于中性點和機端都能取出電壓的發(fā)電機，宜取消TV一次斷線閉鎖基波零序電壓保護功能，零序電壓保護采用如圖2所示框圖，這是因為:

圖2 基波零序電壓保護框圖

(1)目前都是利用二次電壓來判斷TV一次是否斷線，并不能反應(yīng)真實情況，以常用的電壓平衡式繼電器為例，如果機端TV二次繞組存在斷線，則繼電器動作閉鎖基波零電壓保護，但TV一次并未斷線，其開口三角無較大基波零序電壓輸出，故保護無誤動可能，相反，在處理TV二次繞組回路異常過程中，如發(fā)電機發(fā)生定子繞組單相接地故障，則由于保護拒動，極易造成相間或匝間短路，嚴重危及設(shè)備安全。

(2)運行實踐表明:對TV一次回路故障 (如一次保險接觸不良)、TV三次電壓傳遞故障、接線松動等現(xiàn)象，斷線閉鎖繼電器并不能可靠動作，造成保護誤動切機，特別是在保護靈敏度較高的情況 (如本例UOP1為5 V)。

(3)由于TV斷線閉鎖裝置原理錯誤，當(dāng)發(fā)電機定子繞組單相接地時造成保護被誤閉鎖使發(fā)電機嚴重損壞。

當(dāng)然，目前部分保護只取中性點電壓。對于中性點無法取出電壓的發(fā)電機，則只能取機端TV開口三角的電壓加TV一次斷線閉鎖的形式，此時必須重視TV一次斷線閉鎖邏輯的測試，不但要模擬真正的一次斷線，還要模擬相應(yīng)故障情況下的閉鎖邏輯的正確與否。

4.2 重視變比修正系數(shù)Kp1

4.3 根據(jù)發(fā)電機中性點接地方式，選擇合適的三次諧波保護原理

理論分析表明:發(fā)電機中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地或TV接地，中性點及機端的三次諧波電壓相位差一致，實測值一般不超過7°，采用式(1)是完全可以的，且調(diào)試簡單，但對中性點經(jīng)配電變壓器高阻接地的發(fā)電機，由于中性點接地等效電阻 Rn的引入 (本例 Rn=()2×r=)2×0．84=4 305 Ω)，使得發(fā)電機正常運行時，機端的三次諧波等效總阻抗為容性而中性點的為阻容性，造成中性點及機端的三次諧波相位差較大或反接時與180°相差較大，表2是在210 MW機組實測數(shù)據(jù)和依據(jù)式 (1)計算出的動作量和制動量。

表2 正常運行時U3s，KpU3n隨有功的變化量

(1)重新計算變比平衡系數(shù)Kp

由3．2節(jié)和4．2節(jié)的分析可知 Kp=1/Kp1=3Nn/Ns=0．787，但卻錯誤地整定為 Kp=Kp1=Ns/3Nn=1．27，使保護的動作量無故增加。

(2)增加相位平衡，即保護動作原理形如

式中˙K可能是復(fù)數(shù)，可進行幅值平衡，也可進行相位平衡，使發(fā)電機正常運行時，動作量較小，K'也可整定較小，以提高保護裝置動作的可靠性和靈敏度。

(3)采用如下的保護原理

4.4 特別重視機端TV每相一次繞組尾端與接地銅排的可靠連接

現(xiàn)在對圖1中的TV一次中性點與中性點配電變壓器或TV和消弧線圈接地端與地網(wǎng)的可靠連接已經(jīng)相當(dāng)重視，因為它們是三次諧波比幅比相的基準點，對TV二次與三次回路要相互獨立，TV二次回路的接地點都有明確規(guī)定。但對于機端TV每相一次繞組尾端與接地銅排的可靠連接重視還不夠。機端每組TV一般由3個抽屜式單相電壓互感器組成，每個單相電壓互感器的一次繞組尾端均通過TV小車本體與柜內(nèi)接地銅排連接，銅排再通過鍍鋅編織接地銅線與地網(wǎng)相連。TV小車柜內(nèi)銅片接觸處發(fā)生變形，由于TV本體處振動較大且設(shè)計不當(dāng)，極易引起接觸不良，造成電壓傳變受影響，開口三角出現(xiàn)較大的基波零序電壓，三次諧波幅值減小，相位變化，造成保護誤動。筆者所在電廠的1臺300 MW機組，自投產(chǎn)不久，三次諧波頻繁動作，多則每天達10次以上，同時機端TV開口三角輸出較大基波零序電壓，現(xiàn)列出某次三次諧波保護動作時相應(yīng)的采樣值 (如表3)。

表3 保護動作及故障處理后數(shù)據(jù)的采樣值 V

表3中3U01，U02分別是機端開口三角、中性點變壓器二次側(cè)基波零序電壓，U3s，U3n分別是機端開口三角、中性點變壓器二次側(cè)三次諧波電壓，ΔU為保護動作量。該發(fā)電機中性點也通過配電變壓器高阻接地，三次諧保護采用式 (2)的原理，從表3中可以看出:①機組正常運行情況下，通過保護的自動調(diào)整，保護動作量很小 (0．04 V)。②B屏機端三次諧波電壓不正常的瞬間，保護動作發(fā)信并自保持，之后動作量仍很快調(diào)整到很小。③檢查發(fā)現(xiàn):B相TV小車與接地銅排壓接處的銅片嚴重變形且材質(zhì)差，彈性較差，TV的B相一次繞組尾端未能可靠接地且由于汽機0 m層振動較大。處理后恢復(fù)正常，機組連續(xù)運行半年來再未產(chǎn)生保護誤動情況。

5 結(jié)束語

保護的可靠運行需要采取多方措施。需重視保護裝置和一、二次回路及運行、維護、巡查、定檢的各個環(huán)節(jié)。應(yīng)充分利用微機保護的實時數(shù)據(jù)顯示及運算功能，巡檢時根據(jù)發(fā)電機組的不同運行工況，認真記錄保護采樣值 (特別是零序分量、負序分量、差動保護的差動電流、制動電流等)并建立完整的檔案，這對一、二次系統(tǒng)劣化值分析、故障性質(zhì)判斷 (保護正確與不正確動作)、狀態(tài)檢修及保護檢驗周期的確定都是至關(guān)重要的。

〔1〕李玉海，劉昕，李鵬．電力系統(tǒng)主設(shè)備繼電保護試驗〔M〕．北京:中國電力出版社，2005．

〔2〕王維儉．電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用〔M〕．北京:中國電力出版社，2002．

〔3〕國家電力調(diào)度通信中心．電力系統(tǒng)繼電保護典型故障分析〔M〕．北京:中國電力出版社，2001．