大型發(fā)電機組整套啟動過程中繼電保護策略探討

牛利濤，肖桂霞，兀鵬越，何信林

（1.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安市710032；2.華能陜西靖邊電力有限公司，陜西省榆林市718500）

0 引 言

發(fā)電機整套啟動試驗是發(fā)電機投產(chǎn)之前必須進行的試驗項目，該試驗中電氣部分的主要項目包括：短路試驗、空載試驗、勵磁特性試驗、假同期及同期定相試驗和并網(wǎng)試驗等。整套啟動電氣試驗期間，發(fā)電機－主變壓器組（簡稱發(fā)變組）系統(tǒng)首次接受高電壓和大電流的考驗，其工況與正常運行時不完全相同，由安裝質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量以及操作造成的事故案例時有發(fā)生。電氣總啟動時，發(fā)變組保護系統(tǒng)和同期系統(tǒng)首次投入使用，保護配置、定值計算、保護投退等是否合理是關(guān)系到電氣試驗成敗的重要環(huán)節(jié)［1－3］，對此必須高度重視。本文結(jié)合典型發(fā)變組系統(tǒng)的整套啟動過程，分析電氣試驗中不同階段的特點，并對出現(xiàn)的問題進行討論，提出發(fā)電機組整套啟動過程中的臨時保護定值原則和保護投退原則，為類似機組發(fā)電機的整套啟動試驗提供借鑒。

1 典型發(fā)變組系統(tǒng)構(gòu)成和保護配置

1.1 典型發(fā)變組系統(tǒng)構(gòu)成

以華東地區(qū)某電廠1號機組（1 030MW燃煤機組）為例，該機組的發(fā)變組系統(tǒng)構(gòu)成和保護配置具有典型性。該機組采用發(fā)變組單元接線，發(fā)電機出口設(shè)置斷路器。主變壓器（簡稱主變）低壓側(cè)連接高壓廠用工作變壓器（簡稱高廠變）A、B、C，主變壓器經(jīng)500kV斷路器接入500kV電網(wǎng)，升壓站采用雙母線接線方式。該機組的整套試驗接線示意圖如圖1所示，圖中 K1、K2、K3、K4、K5為啟動試驗過程中設(shè)置的短路點。

圖1 典型的發(fā)變組系統(tǒng)電氣接線圖Fig.1 Typical electrical wiring diagram of generator－transformer system

1.2 典型保護配置

發(fā)變組系統(tǒng)配備有大量的保護裝置，其中發(fā)電機配備的保護包括差動保護、過負荷保護、定子100%接地保護、定子95%接地保護、復(fù)壓過流保護、匝間保護、失磁保護、過激磁保護、逆功率保護、失步保護、頻率保護、過電壓保護、誤上電保護、斷路器失靈保護、啟停機保護、轉(zhuǎn)子接地保護；主變配備的保護包括差動保護、主變分相差動保護、高壓側(cè)零序過流保護、復(fù)壓過流保護、低壓側(cè)接地保護、斷路器閃絡(luò)保護、非全相保護；高廠變配備的保護包括差動保護、低壓側(cè)零序過流保護和復(fù)壓過流保護；主變和廠用變壓器（簡稱廠變）配備的非電量保護包括瓦斯保護、壓力釋放保護、變壓器油溫高保護、變壓器繞組溫度高保護、變壓器油位異常保護和冷卻器全停保護。

2 各試驗階段特點和問題處理

2.1 短路和空載試驗時勵磁變臨時電源選擇

由于自并勵系統(tǒng)的勵磁電源取自發(fā)電機端部，在發(fā)電機短路和空載試驗等特殊工況下，發(fā)電機無法提供正常的勵磁電源。因此，在發(fā)電機總啟動過程中通常從高壓廠用電取1路電源作為勵磁變壓器（簡稱勵磁變）的臨時電源。因此路電源為臨時電源，通常設(shè)計時不作考慮，定值計算時也沒有經(jīng)過特殊的安排。在選擇勵磁變的臨時電源時，如此電源的容量不夠會造成發(fā)電機短路試驗達不到額定值；如此電源定值設(shè)定不恰當(dāng)會造成試驗過程中保護誤動和拒動［4］。

2.1.1 臨時勵磁電源容量選擇和保護設(shè)定

發(fā)電機短路空載試驗之前，發(fā)變組保護尚未投運，試驗期間勵磁變和轉(zhuǎn)子繞組均靠臨時電源間隔提供保護。發(fā)電機短路特性試驗時短路電流達到額定電流時需要的勵磁電流最大，可將此時的勵磁電流作為最大試驗電流，將其作為選擇開關(guān)容量、電纜容量和過負荷保護整定的依據(jù)。

以華能銅川電廠1號機組為例，1號發(fā)電機組機端電壓為22kV，采用自并勵勵磁方式，勵磁變?nèi)萘繛? 600kVA，勵磁變低壓側(cè)電壓為810V，勵磁系統(tǒng)臨時電源取自廠用6kV母線A段。根據(jù)制造廠提供的發(fā)電機特性曲線，1號機短路試驗時最大的勵磁電流為Ifd＝2 958A，折算到交流側(cè)，IS＝0.816Ifd＝2 413.7A；再據(jù)此計算勵磁變高壓側(cè)電流為I1＝889A。此電流即為總啟動試驗過程中臨時勵磁電源的最大電流，可作為過負荷保護的整定依據(jù)。

2.1.2 過負荷保護整定

由于此時的勵磁變高壓側(cè)電壓6.3kV遠遠小于正常的運行電壓22kV，勵磁變本體發(fā)生過負荷的可能性很小，此時設(shè)置的過負荷保護主要是為了防止轉(zhuǎn)子繞組過負荷。過負荷保護按短路試驗最大勵磁電流下能可靠返回的條件進行整定。計算式為

式中：Iop3為過流III段動作值，A；Krel為可靠系數(shù)，取1.05；Kr為返回系數(shù)，取0.9；na為電流互感器變比。

將各參數(shù)代入式（1）得Iop3＝1.30A。

動作時限t3＝10s，發(fā)信或跳閘。

2.1.3 臨時電源速斷保護整定

速斷保護的動作電流按照避開低壓側(cè)三相短路的條件來整定［5］。由于一般的勵磁變?yōu)楦墒阶儔浩鞑⑶易鳛榕R時電源時合閘電壓遠遠低于額定電壓，因此無須考慮勵磁涌流影響。以銅川電廠1號機勵磁變?yōu)槔?，勵磁變變比?2kV／810V，額定電流為173.2A／4 591A，短路阻抗為8.39%，接線形式為YN－d11，勵磁變臨時電源電壓為6.3kV。忽略主變及系統(tǒng)阻抗，則勵磁變低壓側(cè)三相金屬性短路時，高壓側(cè)電流為

速斷保護電流整定為

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.2；na為臨時間隔電流互感器變比。

將各參數(shù)代入式（2）得Iop1＝8.87A。

動作時限t1＝0s。

2.1.4 過流保護整定

動作電流Iop2按保證勵磁變低壓側(cè)兩相短路有足夠靈敏度來整定。

式中Ksen為靈敏度。

將各參數(shù)代入式（3）得Iop2＝320A。

動作時限t2與整流柜熔斷器配合，取t2＝0.3s。

以上選擇勵磁變臨時電源和整定保護定值的原則，在十幾個發(fā)電廠的電氣總啟動試驗中應(yīng)用表明，效果良好。

2.2 短路試驗特點和處理方法

以圖1所示的典型發(fā)變組系統(tǒng)為例，整套試驗過程中的短路點共有5個，分別命名為K1、K2、K3、K4、K5。K1點為發(fā)電機短路點，位置位于發(fā)電機出口。K1點短路試驗的目的是錄取發(fā)電機的短路特性，與制造廠出廠數(shù)據(jù)相比較，以判斷發(fā)電機是否正常。K2點位于主變高壓側(cè)，K3、K4、K5點位于廠變低壓側(cè)，設(shè)置 K2、K3、K4、K5點的目的是分別檢查主變差動和廠變差動的電流回路極性配置是否正確。

短路試驗應(yīng)具備的條件是：發(fā)電機本體電氣試驗已合格，已通入合格的定子冷卻水，發(fā)電機已經(jīng)定速3 000r／min。短路試驗中可能出現(xiàn)的故障為：

（1）發(fā)電機定子冷卻水系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)電機過流，導(dǎo)致發(fā)電機定子線圈過熱。

（2）勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障。例如，勵磁變短路故障、可控硅短路、勵磁系統(tǒng)過熱等。

（3）主變高壓側(cè)短路點K2點進行短路試驗時，未對接入母差保護的2組電流進行隔離，造成母差保護誤動。華北地區(qū)某電廠曾經(jīng)發(fā)生過整套啟動時，由于母差電流未隔離造成短路試驗時母差保護誤動，而使全廠失電。

（4）發(fā)電機短路點開路，造成發(fā)電機過電壓，此類故障最為危險，損害最大。對于發(fā)電機過電壓保護，通常的整定原則為200MW及以上的汽輪發(fā)電機組，裝設(shè)于機端電壓互感器二次相間過電壓保護的整定值Uop.set為

式中：k為汽輪發(fā)電機允許過電壓倍數(shù)，一般取1.25～1.3；UG.N為發(fā)電機一次額定電壓，V；ntv為發(fā)電機電壓互感器變比；Ug.n為發(fā)電機二次額定電壓。動作時間通常取0.5s。

發(fā)電機短路試驗過程中，按交接試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，錄取的短路曲線最大電流要達到發(fā)電機的額定電流。此時勵磁電流Ifk比發(fā)電機空載時的勵磁電流Ifo要大得多，倍數(shù)可由發(fā)電機的短路比求得。由于短路比Kc＝Ifo／Ifk，故Ifk＝Ifo／Kc。如果此時發(fā)生短路點開路，勵磁電流不能突變。根據(jù)發(fā)電機的空載特性曲線可以求得，此時的發(fā)電機電壓為U ＝Ug.n／Kc。由于Kc的取值通常為0.4～0.6，此時發(fā)電機電壓為發(fā)電機額定電壓的1.6～2.5倍。因此，0.5s的延時會造成發(fā)電機定子絕緣破壞，甚至有可能造成匝間短路。

另外，根據(jù)多臺大中型發(fā)電機組短路試驗的數(shù)據(jù)可知，發(fā)電機短路試驗時，發(fā)電機機端電壓小于0.1Ug.n，主變高壓側(cè)短路試驗時發(fā)電機機端電壓小于0.3Ug.n。因此在整套啟動短路試驗過程中，臨時修改發(fā)電機定子過電壓的定值為0.3Ug.n，0s跳閘能可靠地保證發(fā)電機的安全。

綜上所述，在整套啟動短路試驗過程中，應(yīng)該投入的保護包括：發(fā)電機的斷水保護和勵磁系統(tǒng)保護、發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護、轉(zhuǎn)子過負荷保護，保護的出口只投跳滅磁開關(guān)。臨時修改發(fā)電機定子過電壓的定值為0.3Ug.n，0s跳閘。尤其要注意的是在進行K2點短路試驗時，一定要對用于母差保護的2組電流進行隔離，在端子箱或者母差保護柜的外側(cè)做好隔離工作。

2.3 空載試驗特點和處理方法

發(fā)電機空載特性試驗的主要目的是：

（1）錄取發(fā)電機空載特性曲線，比較其與制造廠出廠數(shù)據(jù)，判斷發(fā)電機空載特性是否正常。

（2）檢查電壓回路及相關(guān)繼電保護回路的正確性。規(guī)程規(guī)定，發(fā)電機的空載最高電壓要達到發(fā)電機額定電壓的1.3倍，當(dāng)發(fā)電機出口不裝設(shè)出口斷路器時，發(fā)電機變壓器組的整組空載特性的最高電壓只升至其額定值的1.05倍。

空載試驗時，發(fā)電機首次接受額定電壓的考驗，存在的主要風(fēng)險是發(fā)電機發(fā)生定子接地和故障時發(fā)電機出口短路。例如，2012年10月，西北地區(qū)某電廠1號發(fā)電機在0起升壓過程中，當(dāng)升壓至額定電壓的1.15倍時，發(fā)電機電壓互感器柜突然發(fā)生短路。通過分析，此次事故原因：廠家配置的避雷器耐壓等級是10.5kV，與設(shè)計的17kV有較大的差距，而發(fā)電機的額定電壓是10.5kV，升壓至1.15倍時，避雷器發(fā)生爆炸，導(dǎo)致發(fā)電機出口短路。另外在空載試驗中勵磁系統(tǒng)處于手動模式，采用手動模式升壓，隨著電壓的升高，勵磁系統(tǒng)的導(dǎo)通角越來越小，勵磁電流會變化很快，容易造成發(fā)電機過電壓。

因此在發(fā)電機空載試驗階段，應(yīng)將差動保護以及與電流相關(guān)的保護全部投入，發(fā)電機過電壓定值修改為1.3Un，0.3s跳閘。

2.4 勵磁特性試驗特點和處理方法

勵磁特性試驗主要包括：0起升壓試驗、通道切換試驗、手自動切換試驗、電壓互感器斷線試驗、階躍試驗等。勵磁特性試驗是為了測試勵磁系統(tǒng)性能指標(biāo)是否達到設(shè)計要求，勵磁參數(shù)設(shè)置是否合理。

勵磁特性試驗與空載試驗的不同之處是：空載試驗時，勵磁系統(tǒng)工作于手動模式，采用緩慢升磁的辦法；勵磁特性試驗采用自動模式，存在誤強勵等方面的危險。北方地區(qū)某機組勵磁試驗時，分散控制系統(tǒng)（dstributed control system，DCS）發(fā)建壓指令，滅磁開關(guān)跳閘，DCS畫面顯示建壓未成功，發(fā)變組保護未見異常。事故發(fā)生后，檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機機端電壓互感器一次保險未接入。分析認(rèn)為，發(fā)電機升壓時，由于電壓互感器實際未投入使用，所以二次回路檢測不到發(fā)電機電壓，勵磁系統(tǒng)因采集不到電壓信息而不停增加勵磁，造成誤強勵事故。由于無電壓接入，發(fā)變組保護未動作，使勵磁系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)子過電壓保護動作，逆變滅磁。

因此，在勵磁特性試驗階段，應(yīng)仔細檢查勵磁裝置的參數(shù)設(shè)置和勵磁系統(tǒng)本身保護的投入情況。

2.5 同期定相和假同期試驗特點和處理方法

同期定相試驗是為了檢查同期系統(tǒng)的待并側(cè)電壓和系統(tǒng)側(cè)電壓在同一電源系統(tǒng)下是否指示在同相位，并且測量待并側(cè)電壓和系統(tǒng)側(cè)電壓的額定值［6］。假同期試驗是為了驗證同期系統(tǒng)的工作狀況，合閘點是否在同期點上。通常，同期系統(tǒng)電壓額定值是以同期定相時實測的待并側(cè)額定值和系統(tǒng)側(cè)額定值為準(zhǔn)。然而實際操作中，由于電網(wǎng)運行方式的變化，使主變的檔位經(jīng)常變化，若兩側(cè)的額定值沒有隨檔位變化調(diào)整就會造成合閘時壓差太大，有非同期并網(wǎng)的危險。

以華能天津某電廠為例，該電廠采用主變高壓側(cè)斷路器并網(wǎng)方式，待并側(cè)電壓取發(fā)電機機端線電壓Ucb（100V），系統(tǒng)側(cè)電壓取Sc630電壓（100V），主變采用YD11接線方式。正常運行時待并側(cè)和系統(tǒng)側(cè)無轉(zhuǎn)角，主變的額定變比為242kV／10.5kV。發(fā)變組系統(tǒng)采用斷開發(fā)電機機端與封閉母線的連線、主變倒充的方法進行同期定相，定相時主變在1檔，此時檢測到待并側(cè)電壓和系統(tǒng)側(cè)電壓相角差為0°，將系統(tǒng)側(cè)電壓和待并側(cè)電壓分別設(shè)置為107.7、97.9V。后來電廠根據(jù)電網(wǎng)公司要求，將主變檔位調(diào)成4檔，然后進行假同期試驗。采用中國電力科學(xué)研究院WFLC－VI型發(fā)電機特性儀進行錄波，分別錄取發(fā)電機壓差、頻差、相角差，以及指令時間和合閘時間。并網(wǎng)定值為：電壓差±4V、頻差0.2Hz、相角差15°，此時系統(tǒng)電壓為23.7kV。共進行了3次假同期試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 假同期試驗結(jié)果Tab.1 Test results of false synchronization

由表1可知，相角差和頻差都能滿足要求，壓差有1次滿足要求，有2次超出了定值范圍。經(jīng)分析，原因是主變的檔位發(fā)生了變化，而待并側(cè)電壓額定值和系統(tǒng)側(cè)電壓額定值并沒有隨之調(diào)整。理論分析可知，假設(shè)系統(tǒng)電壓為23.7 kV，同期裝置判斷的極端情況為：發(fā)電機機端電壓高于系統(tǒng)電壓4 V，發(fā)電機機端電壓二次值低于系統(tǒng)電壓4 V。分別按這2種情況計算實際并網(wǎng)時的一次壓差。

（1）機端電壓高時，此時系統(tǒng)電壓為23.7 kV，調(diào)整后的二次電壓為100 V，此時發(fā)電機機端調(diào)整后的二次電壓應(yīng)為104 V，折算后發(fā)電機機端的實際電壓為101.8 kV。此時，主變實際為4檔，主變高壓側(cè)的實際電壓為228.8 kV，并網(wǎng)的壓差為8.2 kV。

（2）機端電壓低時，由于此時系統(tǒng)電壓為23.7 kV，經(jīng)調(diào)整后的二次電壓為100 V，此時發(fā)電機機端調(diào)整后的二次電壓應(yīng)為96 V，折算后發(fā)電機機端的實際電壓為9.3 kV。此時，主變實際為4檔，主變高壓側(cè)的實際電壓為211.2 V，并網(wǎng)的壓差為25.8 kV。

由以上計算可知，如果待并側(cè)額定值和系統(tǒng)側(cè)額定值不隨主變檔位的變化進行調(diào)整，有造成非同期并網(wǎng)，對一次設(shè)備造成傷害的風(fēng)險。后來將待并側(cè)的額定電壓值定為105.4 V，經(jīng)計算，當(dāng)待并側(cè)電壓高時，并網(wǎng)時最大壓差為9.3 kV，待并側(cè)電壓低時，壓差為－9.5 kV。修改參數(shù)后，又進行第3次假同期試驗，結(jié)果明顯優(yōu)于參數(shù)修改前的，并網(wǎng)效果很理想。定值調(diào)整的計算式為

式中：Uy為原待并側(cè)電壓額定值，V；Ux為新待并側(cè)電壓額定值，V；Ty為原檔位；Tx為新檔位。

綜上所述，在同期定相和假同期期間要做好待并側(cè)額定值和系統(tǒng)側(cè)額定值的整定工作，根據(jù)主變檔位的變化做好待并側(cè)額定值的調(diào)整。假同期試驗過程中最大的風(fēng)險是并網(wǎng)斷路器的假并列會導(dǎo)致熱工的并網(wǎng)加初負荷邏輯誤動作，錯誤開調(diào)節(jié)門或者增加進氣量，造成發(fā)電機超速。可以采用臨時解除邏輯等方法來防范上述風(fēng)險。

2.6 同期前應(yīng)投入的保護

在發(fā)電機并網(wǎng)之前，由于發(fā)變組和電網(wǎng)系統(tǒng)是2個獨立的系統(tǒng)，發(fā)變組系統(tǒng)的出口，包括啟動失靈和解除復(fù)壓閉鎖壓板、關(guān)主汽門壓板都是不投的，并網(wǎng)前這些壓板都要投入。發(fā)變組系統(tǒng)中用于母差保護的電流回路，在并網(wǎng)前也要接入母差保護，但在并網(wǎng)前要申請退出母差保護，并網(wǎng)后檢查差流無誤后再投入母差保護。

2.7 其他保護的投入時機

“誤上電”是指發(fā)電機在不滿足并網(wǎng)條件時，單相、兩相或三相并入系統(tǒng)［7］?！罢`上電”的主要故障情況有：

（1）未加勵磁時，發(fā)生誤合閘。

（2）發(fā)電機并網(wǎng)前或剛斷開系統(tǒng)后，機端出口斷路器或高壓斷路器發(fā)生兩相或者單相閃絡(luò)。

（3）發(fā)電機非同期合閘。

因此，在整套啟動期間應(yīng)保證“誤上電”保護投入，并網(wǎng)后退出。發(fā)電機啟停機保護用于反映發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速運行時的定子接地及相間故障，因此該保護應(yīng)該在短路試驗結(jié)束后投入。文獻［8］中介紹了一起斷路器閃絡(luò)保護動作實例，提出斷路器閃絡(luò)保護應(yīng)該在隔刀合閘前投入，在整套啟動期間，應(yīng)該在短路試驗結(jié)束后投入，這樣既可以防止短路試驗期間閃絡(luò)保護誤動，也能夠很好地保證閃絡(luò)保護的正常運行。發(fā)電機保護中涉及到與方向有關(guān)的保護，例如功率保護等，應(yīng)該在并網(wǎng)檢查完方向之后再投入。基于三次諧波原理的定子接地保護，需要在并網(wǎng)實測三次諧波后才能投入。

非電量保護主要有發(fā)電機斷水保護、變壓器的油溫高、繞組溫高保護、瓦斯保護、壓力釋放保護以及冷卻器全停保護。發(fā)電機斷水保護應(yīng)該在短路試驗之前投入；瓦斯保護是變壓器的主保護，應(yīng)該一直投入；變壓器油溫高和繞組溫度高保護以及冷卻器全停保護，由于在多年的運行實踐中發(fā)生過多次由于溫度表節(jié)點抖動造成的誤跳閘，建議這幾個保護只投信號，不跳閘；壓力釋放保護建議只投信號［9－10］。

3 發(fā)變組保護的投退原則

綜上所述，發(fā)電機整套啟動電氣試驗期間，在不同的試驗階段，不僅定值的設(shè)置與運行期間不同，而且保護的投退也與正常運行期間不同。結(jié)合上述不同試驗階段的特點，以圖1所示發(fā)變組系統(tǒng)為例，總結(jié)不同試驗階段保護的投退原則，如表2所示。表2中A為短路試驗階段，B為空載試驗階段，C為勵磁特性試驗階段，D為假同期和同期定相階段，E為并網(wǎng)前，F(xiàn)為并網(wǎng)后。

另外，在主變、高廠變的非電量保護中，整套啟動試驗時瓦斯保護投跳閘，其他的非電量保護投信號。在假同期試驗結(jié)束前，只投跳滅磁開關(guān)壓板，并網(wǎng)前投入所有的保護出口。在短路試驗時，必須注意接入母差保護的2組電流的隔離工作，并網(wǎng)前將此2組電流接入母差保護裝置，首次并網(wǎng)前申請退出母差保護，并網(wǎng)后檢查電流回路的極性無誤后再投入母差保護。

表2 不同試驗階段各類保護投退原則Tab.2 Protection switching principles at different test stages

4 結(jié) 論

大型發(fā)電機組整套啟動電氣總試驗過程中，發(fā)變組系統(tǒng)的工況與正常運行時不盡相同，根據(jù)不同試驗階段特點，采取不同的應(yīng)對策略。

（1）臨時勵磁電源變壓器保護整定時不用考慮勵磁涌流影響，速斷保護可以整定較低數(shù)值，提高靈敏度。短路試驗過程中，發(fā)電機定子過電壓的定值為0.3 Ug.n，0s跳閘；在空載試驗時，發(fā)電機過電壓定值修改為1.3 Ug.n，0.3 s跳閘。

（2）同期裝置中待并側(cè)額定值和系統(tǒng)側(cè)額定值要隨主變檔位的變化進行調(diào)整，并網(wǎng)前投入啟動失靈和解除復(fù)壓閉鎖壓板、關(guān)主汽門等相關(guān)保護。

（3）發(fā)電機整套啟動電氣試驗期間應(yīng)針對不同的試驗階段進行保護的投退。

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