大型火力發(fā)電廠主系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性分析

張 蓉

(國電成都金堂發(fā)電有限公司，四川 成都 610404)

0 前言

繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，長期以來，如何提高繼電保護(hù)的可靠性成為日益關(guān)注和研究的目標(biāo)。近年來，隨著投入商業(yè)運(yùn)行的大型火電廠逐年增多，如何提高配置復(fù)雜、原理繁多的大型火電廠主系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性成為提高電廠運(yùn)行可靠性、制定合理的檢修周期等的重要課題。

1 保護(hù)裝置誤動

1.1 原理設(shè)計(jì)缺陷

由于國家動模試驗(yàn)室的建立和繼電保護(hù)原理研究的不斷深入，繼電保護(hù)裝置本身的原理缺陷已經(jīng)不用用戶考慮了，重要的是應(yīng)針對它所保護(hù)的對象進(jìn)行正確選型，因此在分析繼電保護(hù)裝置原理時(shí)，首先應(yīng)該分析被保護(hù)對象的特性，如某大型發(fā)電廠主系統(tǒng)(發(fā)電機(jī)變壓器組系統(tǒng))采用自并勵勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)變壓器組單元制接線方式，針對這一特點(diǎn)，保護(hù)選型首先就要注意選用針對該機(jī)組特點(diǎn)的繼電保護(hù)裝置，象發(fā)電機(jī)差動保護(hù)采用電流循環(huán)閉鎖方式，以防止單相TA斷線等引起的誤動;發(fā)電機(jī)三相過流保護(hù)應(yīng)采用帶記憶特性或電壓控制;低阻抗保護(hù)應(yīng)采用最小精工電流足夠小;失磁保護(hù)邏輯中的勵磁電壓輔助判據(jù)也應(yīng)增加延時(shí)，以躲開由于系統(tǒng)振蕩或失步對自并勵機(jī)組造成的影響等等。

要重視被保護(hù)的一次設(shè)備的特性，以主設(shè)備(包括發(fā)電機(jī)和變壓器)為例，繼電保護(hù)裝置制造廠、設(shè)計(jì)人員、業(yè)主技術(shù)人員應(yīng)主動向制造廠家技術(shù)人員介紹有關(guān)大型發(fā)電機(jī)組保護(hù)對發(fā)電機(jī)、變壓器設(shè)計(jì)制造的要求，如發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的引出方式、中性點(diǎn)接地方式、電流互感器的配置以及變壓器套管電流互感器的配置等，應(yīng)及時(shí)掌握本工程所用主設(shè)備的特性，如發(fā)電機(jī)的銘牌參數(shù)、定子結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括定子鐵心內(nèi)徑、定子鐵心長度、氣隙、極距、定子齒數(shù)、每相并聯(lián)支路數(shù)、定子槽形和槽內(nèi)分布圖、定子線圈截面圖、定子繞組連接圖和定子繞組電阻等)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)(轉(zhuǎn)子鐵心長度、阻尼條長度直徑和材料、阻尼環(huán)截面和材料、轉(zhuǎn)子鐵心材料導(dǎo)磁率導(dǎo)電率、轉(zhuǎn)子繞組每線圈匝數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)、勵磁繞組電阻、空載特性曲線、轉(zhuǎn)子槽形和槽內(nèi)分布圖、轉(zhuǎn)子繞組圖、轉(zhuǎn)子阻尼繞組布置圖)、冷卻方式等，變壓器的銘牌參數(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)等，針對其特點(diǎn)設(shè)計(jì)并選擇合適的繼電保護(hù)裝置，以防止由于選型不當(dāng)造成的原理缺陷。

1.2 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤

設(shè)計(jì)人員根據(jù)收集到的各種資料，吃準(zhǔn)所選型號的保護(hù)原理，熟悉設(shè)計(jì)規(guī)程和國家頒布的各種技術(shù)文件，重視針對所設(shè)計(jì)大型發(fā)電機(jī)組自身的特點(diǎn)，在充分分析計(jì)算內(nèi)部故障的基礎(chǔ)上，慎重選擇主保護(hù)方案，同時(shí)簡化后備保護(hù)，防止出現(xiàn)原則性疏漏和錯(cuò)誤，除此之外，還應(yīng)了解勵磁系統(tǒng)、廠用快切、ECS監(jiān)控等自動裝置和設(shè)備的特性，并注意和其配合，包括保護(hù)配置、出口邏輯矩陣等，防止配合失當(dāng)。下面舉例說明。

圖1 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)阻抗圓原理邏輯圖

某大型發(fā)電廠采用自并勵勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)變壓器組單元制接線方式，高壓廠用變壓器、脫硫變壓器以及勵磁變壓器接于發(fā)電機(jī)出口分相封閉母線，由于勵磁系統(tǒng)本身具有轉(zhuǎn)子接地保護(hù)(采用方波注入式原理，由于設(shè)計(jì)理念的不同，本轉(zhuǎn)子接地保護(hù)只有一點(diǎn)接地保護(hù)，設(shè)置兩段定值分別啟動告警和機(jī)組全停)和軸電壓抑制器，因此設(shè)計(jì)人員未啟用保護(hù)裝置上的疊加直流式原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)(由于勵磁裝置上軸電壓抑制器的影響，該原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)不能正常投運(yùn))，取消了轉(zhuǎn)子正、負(fù)極和大軸到保護(hù)裝置的回路，直接造成失磁保護(hù)邏輯中的轉(zhuǎn)子低電壓Ufd判據(jù)失效，本案失磁保護(hù)原理及邏輯圖如圖1所示。

正常運(yùn)行時(shí)，若用阻抗復(fù)平面表示機(jī)端測量阻抗，則阻抗的軌跡在第一象限(滯相運(yùn)行)或第四象限(進(jìn)相運(yùn)行)內(nèi)。發(fā)電機(jī)失磁后，機(jī)端測量阻抗的軌跡將沿著等有功阻抗圓進(jìn)入異步邊界圓內(nèi)。失磁還可能進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)端電壓下降或系統(tǒng)電壓下降。

阻抗型失磁保護(hù)，通常由阻抗判據(jù)(Zg＜)、轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)(Vfd＜)、機(jī)端低電壓判據(jù)(Ug＜)、系統(tǒng)低電壓判據(jù)(Un＜)構(gòu)成。保護(hù)輸入量有:機(jī)端三相電壓、發(fā)電機(jī)三相電流、主變壓器高壓側(cè)三相電壓(或某一相間電壓)、轉(zhuǎn)子直流電壓。

由圖1可以看出，失磁阻抗判據(jù)是按靜態(tài)穩(wěn)定圓整定的，一旦取消Ufd判據(jù)后，在發(fā)生系統(tǒng)振蕩，特別是不穩(wěn)定振蕩時(shí)失磁保護(hù)發(fā)生誤動的概率大大增加了，保護(hù)的可靠性相應(yīng)降低。同時(shí)，一旦勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)發(fā)生故障(雖然廠家配有三塊轉(zhuǎn)子接地保護(hù)板，但方波注入和檢測回路只有一套，并不是真正意義上的雙套后備)，也將影響機(jī)組的正常運(yùn)行，因此，作為設(shè)計(jì)人員，應(yīng)充分了解所選用設(shè)備的性能和原理，合理搭配，防止類似事件的發(fā)生。在此提供一套上述案例的補(bǔ)救方案僅供參考:①采取重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子正、負(fù)極和大軸到保護(hù)裝置的回路，保證失磁保護(hù)的完整性;②和繼電保護(hù)廠家聯(lián)系采用乒乓原理轉(zhuǎn)子接地保護(hù)(切換采樣原理)，采用該原理可避免勵磁裝置上軸電壓抑制器對轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響，可以作為勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)發(fā)生故障時(shí)投入使用。

1.3 元件損壞和特性變化

隨著微機(jī)保護(hù)的大量使用，裝置內(nèi)部元件損壞或特性變化引起的可靠性問題日益突出，雖然保護(hù)制造廠家在裝置的自動檢測方面下了很大的功夫，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然有待檢驗(yàn)。目前常用的自檢程序有:①可讀寫存儲器RAM的自檢;②只讀存儲器的自檢;③數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自檢;④開關(guān)量輸入通道自檢;⑤開關(guān)量輸出通道自檢等。廠家應(yīng)確保在裝置自檢過程中和自檢發(fā)現(xiàn)故障時(shí)都不應(yīng)引起保護(hù)誤動作。事實(shí)上，通過保護(hù)自檢發(fā)現(xiàn)問題只是一方面，因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置不可能將所有的回路納入自檢，所以保護(hù)裝置的安裝調(diào)試和定期檢修是發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)部元件損壞(特別是繼電器損壞、內(nèi)部接線錯(cuò)誤等)或特性變化(特別是各種開入量、開出量和交流采樣環(huán)節(jié)等)的主要手段。

1.4 抗干擾問題

由于電廠的特殊電磁環(huán)境，繼電保護(hù)裝置工作環(huán)境的干擾是嚴(yán)重的，一方面這些干擾的特點(diǎn)是頻率、幅值高，可以順利通過各種分布電容的耦合，另一方面，這些干擾持續(xù)時(shí)間短，對于微機(jī)保護(hù)裝置來說，由于CPU工作是在時(shí)鐘節(jié)拍的嚴(yán)格控制下以較高的速度同步進(jìn)行的，不能通過簡單的延時(shí)回路來躲開干擾，所以對于微機(jī)保護(hù)來說，提高抗干擾性也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，首先分析一下進(jìn)入微機(jī)保護(hù)的干擾，按干擾源的產(chǎn)生分為外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾主要是其他物體和設(shè)備輻射的電磁波產(chǎn)生的強(qiáng)電場或強(qiáng)磁場以及來自電源的工頻干擾、諧波干擾和脈沖干擾等等，內(nèi)部干擾主要是電容的耦合和回路間的互感引起的不同信號感應(yīng)、多點(diǎn)接地造成的地電位差干擾等等。就干擾的形式來說，分為差模干擾和共模干擾，差模干擾是指串聯(lián)于信號源回路之中的干擾，主要是由于各信號線對干擾源的相對位置不對稱因而受干擾源電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的，比如投切空載母線、投切空載變壓器和投切空載長線等高壓帶電體所產(chǎn)生的干擾。共模干擾產(chǎn)生的原因與差模干擾相似，只是信號線距干擾源較遠(yuǎn)，因而各相信號線對干擾源的相對位置基本上是對稱的，共模干擾可為直流，也可為交流，它是造成微機(jī)保護(hù)裝置損壞或不正常工作的重要原因，消除共模干擾的主要方法有:①浮空隔離技術(shù);②雙層屏蔽技術(shù);③二次系統(tǒng)一點(diǎn)接地;④低阻匹配傳輸、電流傳輸代替電壓傳輸;⑤采用隔離變壓器;⑥采用光電耦合芯片等。由于干擾會造成計(jì)算或邏輯錯(cuò)誤、程序運(yùn)行出軌，甚至?xí)斐稍p壞，所以除采用各種隔離、屏蔽、合理布局和配線給電容提供低阻抗入地通道(電容濾波)以及在微機(jī)保護(hù)電源回路中加濾波器阻止干擾傳遞等方法外，還應(yīng)采取以下措施:①對輸入采樣值的抗干擾糾錯(cuò);②運(yùn)算過程的校核糾偏;③保護(hù)出口閉鎖;④程序出格的自恢復(fù)(看門狗)等。按照國家 GB/T 17626.1－1998、GB/T 14598和IEC 60255－21規(guī)程的要求，保護(hù)裝置出廠前應(yīng)完成電磁兼容試驗(yàn)，在安裝調(diào)試階段廠家應(yīng)提供相關(guān)試驗(yàn)材料(包括以下試驗(yàn)內(nèi)容:①靜電放電試驗(yàn)，嚴(yán)酷等級應(yīng)達(dá)到三級;②輻射電磁場抗干擾度試驗(yàn)，嚴(yán)酷等級應(yīng)達(dá)到三級;③電快速瞬變/脈沖群抗干擾度試驗(yàn)，嚴(yán)酷等級應(yīng)達(dá)到三級;④浪涌抗干擾度試驗(yàn)，嚴(yán)酷等級應(yīng)達(dá)到三級;⑤1 MHz和100 kHz脈沖群干擾試驗(yàn)，嚴(yán)酷等級應(yīng)達(dá)到三級)。同時(shí)，按照國家設(shè)計(jì)規(guī)程和反措要求核實(shí)抗干擾措施是否得當(dāng)。

1.5 整定計(jì)算錯(cuò)誤

錯(cuò)誤的整定對于保護(hù)來說是災(zāi)難性的，因此加強(qiáng)保護(hù)裝置原理的研究，針對所選保護(hù)裝置的型號和被保護(hù)一次設(shè)備的特點(diǎn)，按照國家規(guī)程要求，采用合適的短路計(jì)算模型，參考保護(hù)裝置廠家說明書進(jìn)行整定計(jì)算才能最大限度地保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

另外，整定計(jì)算還應(yīng)考慮被保護(hù)的一次設(shè)備的特性，如反時(shí)限過勵磁保護(hù)的整定計(jì)算就應(yīng)重點(diǎn)考慮發(fā)電機(jī)和變壓器的過勵磁倍數(shù)曲線，按照誰的過勵磁能力差就按誰的過勵磁倍數(shù)曲線整定，以滿足可靠保護(hù)大型發(fā)電機(jī)變壓器組的需要。應(yīng)當(dāng)指出的是，整定計(jì)算在投運(yùn)以后需要很長時(shí)間的考驗(yàn)，針對運(yùn)行方式的變化和系統(tǒng)參數(shù)的變化還應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，出現(xiàn)保護(hù)誤動或拒動應(yīng)積極分析查找原因，防止錯(cuò)誤整定的保護(hù)投入運(yùn)行。

1.6 運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)

在保護(hù)裝置投入運(yùn)行以后，良好的運(yùn)行維護(hù)在防止保護(hù)誤動或拒動方面起著舉足輕重的作用。制訂優(yōu)秀的管理制度，培養(yǎng)高素質(zhì)的檢修、運(yùn)行技術(shù)人才是保證繼電保護(hù)裝置可靠性的必要條件，在管理制度上，首先應(yīng)對各種保護(hù)裝置按被保護(hù)設(shè)備歸檔建立設(shè)備運(yùn)行管理卡、定值整定卡、檢修卡、檢修作業(yè)指導(dǎo)書、相關(guān)設(shè)計(jì)和廠家圖冊等，先在制度和技術(shù)上最大限度防止誤碰、誤整定、誤投保護(hù)壓板等誤操作引起的保護(hù)誤動或拒動問題;其次，建立保護(hù)動作、維護(hù)檢修、廠家升級、設(shè)計(jì)修改和損壞維修等相關(guān)情況紀(jì)錄(最好建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，以備查詢)，分別統(tǒng)計(jì)出保護(hù)裝置的正確動作率、可靠度、故障率、平均無故障時(shí)間、修復(fù)率、平均修復(fù)時(shí)間等相關(guān)可靠性計(jì)算參數(shù)，并將這些參數(shù)和保護(hù)裝置使用情況及時(shí)反饋到保護(hù)制造廠家，為廠家提供更好的技術(shù)服務(wù)打下基礎(chǔ);此外，在掌握國家相關(guān)規(guī)程和繼電保護(hù)基本原理的基礎(chǔ)上吃透保護(hù)裝置的原理和相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，針對保護(hù)裝置及回路在設(shè)計(jì)、制造等出現(xiàn)的問題，提出適合本廠情況的技術(shù)升級及技術(shù)改造方案并努力實(shí)施，不斷提高保護(hù)裝置可靠性，以保證被保護(hù)主設(shè)備的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 結(jié)語

綜上所述，提高保護(hù)設(shè)備的可靠性是一項(xiàng)長期的工作，作好平常的積累對分析保護(hù)設(shè)備可靠性問題大有裨益，希望在以后的工作中，針對保護(hù)出現(xiàn)的各種可靠性問題，運(yùn)用科學(xué)的方法(如概率統(tǒng)計(jì)法、馬爾科夫模型法和故障樹法等)加以分析和定量計(jì)算，找出最大的故障類型和故障原因，以整體提高保護(hù)的可靠性。

［1］王維儉.發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)應(yīng)用(第三版)［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［2］GB/T 14285－2006，繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］GB/T 50062－2008，電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］郭永基.可靠性工程原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.