變電站主設(shè)備繼電保護(hù)存在的問題及對策

李林

（重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

1 變壓器縱差保護(hù)

變壓器縱差保護(hù)是變壓器內(nèi)部短路故障的主保護(hù)，其構(gòu)成邏輯包含3部分：具有比例制動特性的差動元件；涌流閉鎖元件；差動速斷元件。單相差動保護(hù)邏輯示意圖如圖1所示。

圖1 變壓器差動保護(hù)(單相)邏輯示意圖

在變壓器縱差保護(hù)中，設(shè)置涌流閉鎖元件的目的是為了躲過勵磁涌流。涌流閉鎖元件的作用是根據(jù)變壓器勵磁涌流的特點(diǎn)識別勵磁涌流，從而判斷差流回路的差流是由變壓器內(nèi)部故障產(chǎn)生的還是由變壓器的勵磁涌流產(chǎn)生的。若差流是勵磁涌流產(chǎn)生的，便將差動元件出口閉鎖。否則開放差動元件出口。

變壓器縱差保護(hù)采用涌流閉鎖的缺點(diǎn)是：當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障.差動電流互感器飽和時，其二次電流(即差動元件的差流)具有變壓器勵磁涌流的某些特點(diǎn)，易被涌流判別元件誤識別成勵磁涌流，將差動元件閉鎖，從而使差動保護(hù)拒動或延時動作，嚴(yán)重?fù)p壞變壓器。

為此.在差動保護(hù)中設(shè)置不受涌流閉鎖的差動速斷元件.以確保保護(hù)在變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障時，快速切除變壓器。為了能躲過變壓器的勵磁涌流，差動速斷元件的動作電流很大，通常為變壓器額定電流的6～8倍。差動速斷元件有動作延時，一般為10～25 ms。

分析表明，當(dāng)變壓器內(nèi)部嚴(yán)重故障時，如果電流互感器飽和嚴(yán)重，飽和電流互感器一次電流和二次電流如圖2所示。

圖2 嚴(yán)重飽和時電流互感器電流波形

由圖2可以看出：飽和電流互感器雖然一次電流波形為正弦波，但二次電流卻為間斷波。二次電流的有效值大幅減小。因此，當(dāng)變壓器內(nèi)部嚴(yán)重故障時，如果電流互感器飽和，由于其二次電流大幅減小，而差動速斷元件的動作電流很大。此時的差流可能小于差動速斷的動作電流。差動保護(hù)會拒動。為防止差動元件拒動，應(yīng)采取以下措施：

a.在整定計(jì)算時，應(yīng)根據(jù)變壓器容量、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及距電源的遠(yuǎn)近，在能可靠躲過勵磁涌流的前提下，盡量減小差動速斷元件的動作電流。

b.采用同步識別原理，對差動速斷元件加動作記憶延時。

在故障瞬間。電流互感器不會立即飽和.通常延時3～4ms才飽和。根據(jù)這一特點(diǎn)?？刹捎貌顒铀贁嘣幼饔洃洿胧?。當(dāng)變壓器內(nèi)部嚴(yán)重故障時。

在變壓器電壓發(fā)生突變的同時。流經(jīng)差動元件的差流開始很大。差動速斷測量元件動作，并將動作記憶20～30ms。此時，差動速斷元件邏輯構(gòu)成如圖3所示 (圖中，Idzh為差動速斷元件動作電流；△U為變壓器電壓工頻變化量：t為記憶延時)。

圖3 改進(jìn)后差動速斷元件邏輯構(gòu)成示意圖

2 自并勵發(fā)電機(jī)復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)

所謂自并勵式發(fā)電機(jī),是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流(勵磁電流)由發(fā)電機(jī)定子回路提供。自并勵發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)接線示意圖如圖4所示(圖中，TP為勵磁變壓器，ipb為勵磁電流)。由圖4可以看出，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，其勵磁電流由接在發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵磁變壓器作為勵磁電源提供，即變壓器二次側(cè)電流經(jīng)晶閘管整流系統(tǒng)變成直流，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁電流。

圖4 自并勵式發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)示意圖

發(fā)電機(jī)的復(fù)壓閉鎖過電流保護(hù)，既作為發(fā)電機(jī)相間短路的故障后備保護(hù)，又作為相鄰線路的相間短路的后備保護(hù)，因此其動作時間較長。

由于發(fā)電機(jī)復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)的動作延時較長，因此。對于自并勵式發(fā)電機(jī)，為防止機(jī)端三相短路時。過電流元件先動作(故障瞬間)，然后由于勵磁變電壓為零而失去勵磁電壓，勵磁衰減而后返回 (因轉(zhuǎn)子電流衰減)，致使該保護(hù)拒動，故在電流元件動作后記憶一定時間t2(如t2>t1)，以確保該保護(hù)可靠動作。

運(yùn)行實(shí)踐表明：對于與系統(tǒng)聯(lián)系阻抗較大的發(fā)電機(jī)特別是水輪發(fā)電機(jī)，當(dāng)與系統(tǒng)連接的某一條線路故障而被切除之后.由于發(fā)電機(jī)的頻率及三相電壓的升高，復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)經(jīng)常誤動。通過測量及分析，下文說明保護(hù)誤動的原因。復(fù)合電壓中負(fù)序電壓的動作整定值.是按在相鄰線路末端兩相短路有靈敏度(即靈敏度系數(shù)≥1.3)來整定的。其動作值通常較小(二次動作電壓一般為6～8V)。

當(dāng)發(fā)電機(jī)變壓器組與系統(tǒng)連接線路上故障時，發(fā)電機(jī)復(fù)合電壓閉鎖過流保護(hù)中的電流元件動作并瞬時記憶住動作狀態(tài)。此后，線路主保護(hù)動作，切除線路。在輸電線路被切除后，由于發(fā)電機(jī)功率過剩將使其頻率升高。同時三相電壓有不同程度升高，三相不對稱度增加。頻率的升高及三相不對稱度增大，造成負(fù)序電壓元件測出的負(fù)序電壓增大，致使其動作。

此時，由于過電流元件在動作狀態(tài)，而負(fù)序電壓元件也動作，保護(hù)經(jīng)延時t1，后動作，切除發(fā)電機(jī)。

為解決以上問題，現(xiàn)提出以下對策：對復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)中的過電流元件設(shè)置2個定值，即高定值和低定值。當(dāng)故障電流超過高定值時。電流元件動作并將動作記憶延時時間t2。當(dāng)故障電流大于低定值而小于高定值時，電流元件動作，但不記憶動作狀態(tài)。改進(jìn)后的復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)邏輯框圖如圖5所示 (圖中，Ioph>為過電流元件高定值；Iopl>為過電流元件低定值；U<為低電壓元件；U2>為負(fù)序電壓元件；t1，為出口延時；t2為電流元件動作記憶延時)。

過電流元件的高定值可按機(jī)端三相短路電流的90%來整定，而低定值可按額定電流的1.3～1.4倍來整定。記憶延時t2=t1+△t，△t為時間級差，取 0.3～0.5s。

圖5 改進(jìn)后的復(fù)壓閉鎖過流保護(hù)

4 零序電壓式定子接地保護(hù)

目前，基波零序電壓定子接地保護(hù)在發(fā)變組上得到了廣泛應(yīng)用。該保護(hù)的接入回路，通常接入發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器三次的開口三角形電壓(即3Uo)。另外，為了防止電壓互感器一次斷線時的保護(hù)誤動，必須設(shè)置TV斷線閉鎖元件。該保護(hù)裝置的邏輯框圖如圖6所示。

圖6 零序電壓式定子接地保護(hù)邏輯框圖

運(yùn)行實(shí)踐表明，按上述框圖構(gòu)成的零序電壓式定子接地保護(hù)曾多次誤動。檢查發(fā)現(xiàn)，誤動多發(fā)生在一次熔斷器為石英砂棒式熔斷器熔斷時。石英砂棒式熔斷器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 石英砂棒熔斷器結(jié)構(gòu)示意圖

該熔斷器熔斷時，由于熔絲無彈性及固定在石英沙棒上，在熔點(diǎn)兩側(cè)的熔絲未拉開，其距離很短。

這樣，在TV一次輸入端高電壓便通過熔絲熔點(diǎn)間的石英沙棒表面及熔絲另一端加在電壓互感器的一次側(cè)。這相當(dāng)于發(fā)電機(jī)一相電壓通過一個電阻加到電壓互感器的一次側(cè),致使電壓互感器感受到的三相一次電壓(對TV一次中性點(diǎn)電壓)不相等,從而在其開口三角形輸出產(chǎn)生零序電壓。

運(yùn)行實(shí)踐及測量表明,當(dāng)石英沙棒式電壓互感器一相熔斷器熔斷時,電壓互感器輸出開口三角形電壓一般為4～9V。但是，當(dāng)該型熔斷器熔斷時，由于電壓量變化較小,負(fù)序電壓也不大,故TV斷線閉鎖元件往往不動作,致使保護(hù)動作出口。為提高零序電壓式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動作可靠性?？梢圆扇?種措施。

a.不采用石英砂棒式熔斷器,而換成當(dāng)熔絲熔斷后能迅速將兩側(cè)熔絲拉開的熔斷器。

b.縮小保護(hù)的保護(hù)范圍,即提高零序電壓元件的動作電壓。測量表明?？商岣咧?5V。

c.改變保護(hù)的交流接入回路?？山影l(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓互感器 (或配電變壓器或消弧線圈)的二次電壓,但最好同時接人發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓互感器 (或配電變壓器或消弧線圈)二次電壓及機(jī)端電壓互感器開口三角形電壓,此時保護(hù)的邏輯框圖如圖8所示。

圖8 零序電壓式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)框圖

運(yùn)行實(shí)踐表明,采用由圖11構(gòu)成的零序電壓式定子接地保護(hù),大幅提高了動作的可靠性。

5 汽輪發(fā)電機(jī)的頻率異常保護(hù)

汽輪發(fā)電機(jī)的頻率異常保護(hù)是保護(hù)汽輪機(jī)葉片的。目前，在大型發(fā)電機(jī)上通常設(shè)置的頻率異常保護(hù)有低頻保護(hù)、過頻保護(hù)和頻率積累保護(hù)。頻率異常時大型汽輪發(fā)電機(jī)允許時間表如表1所示。

表1 大機(jī)組頻率異常允許時間

表中tal為積累的允許運(yùn)行時間，tfal為每次允許運(yùn)行時間。

由表1可知,從確保汽輪發(fā)電機(jī)的安全而言，頻率異常運(yùn)行允許的時間很長;并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的頻率取決于全電網(wǎng)的功率平衡狀況;南全系統(tǒng)運(yùn)行狀況及調(diào)度質(zhì)量決定。目前的狀況是各電網(wǎng)越來越大,裝機(jī)容量越來越大。各系統(tǒng)之間的聯(lián)系越來越緊密。

調(diào)度人員對系統(tǒng)的頻率控制越來越嚴(yán)格。這樣。電網(wǎng)頻率在48.5 Hz以下，較長時間的運(yùn)行是不存在的。因此,在發(fā)電機(jī)上設(shè)置低頻保護(hù)是不需要的。另外,筆者認(rèn)為：在大型發(fā)電機(jī)設(shè)置過頻保護(hù)對電力系統(tǒng)不利。如果在每臺發(fā)電機(jī)上人為設(shè)置過頻保護(hù).一旦系統(tǒng)發(fā)生頻率異常。全系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的過頻保護(hù)同時動作，將所有的機(jī)組切除.這會使全系統(tǒng)瓦解。

解決上述問題的措施是.頻率異常保護(hù)是系統(tǒng)保護(hù)。應(yīng)由反應(yīng)全系統(tǒng)的穩(wěn)定裝置來測量及處理。在發(fā)電廠設(shè)置穩(wěn)控裝置，進(jìn)行高周切機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行頻率過高時。穩(wěn)控裝置動作進(jìn)行“多輪式”(仿效低周減載)切機(jī)。

6 結(jié)語

a.采用同步識別及動作狀態(tài)記憶20～30ms，可保證變壓器差動速斷保護(hù)可靠動作。變壓器的分側(cè)差動保護(hù)應(yīng)增加涌流判別條件。

b.電流記憶式復(fù)合電壓過流保護(hù)的過電流元件應(yīng)設(shè)置高低2個定值。高定值動作后才加記憶；零序電壓式定子接地保護(hù)應(yīng)同時反應(yīng)機(jī)端及中性點(diǎn)兩路零序電壓。

c.在發(fā)電機(jī)上設(shè)置頻率異常保護(hù)是不適宜的。

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