發(fā)電機差動保護分析

(神華國能重慶發(fā)電廠，重慶 400053)

1 比率差動保護基本原理

差動保護是比較各側(cè)電流的大小和相位，目前國內(nèi)絕大多數(shù)發(fā)電機都采用比率制動特性的差動保護作為定子繞組相間短路的主保護。

動作判據(jù)：

(1)

2 差動回路中的不平衡電流

2.1 區(qū)外短路時的最大不平衡電流

理論計算公式為

(2)

式中：Kaper為非周期分量系數(shù)，一般取1.5～2；Kst為TA同型系數(shù)，同型取0.5，不同型取1；fi為兩側(cè)TA的幅值之間誤差10%；Ik.out.max指外部最大短路電流的工頻分良。

在發(fā)電機機端差動保護區(qū)外發(fā)生短路，發(fā)電機兩側(cè)一次電流完全一樣，經(jīng)過電流互感器變換以后，兩側(cè)TA特性和飽和程度的不同造成二次電流也不一樣，而且短路電流越大，TA飽和越嚴(yán)重，不平衡電流越大。

在此短路電流下，兩側(cè)電流互感器各自都要產(chǎn)生負(fù)誤差，即如果一側(cè)TA誤差按0%計算，另外一側(cè)TA誤差按-10%計算，那么它們誤差之差的最大值就是10%，這里的fi不能理解成電流互感器誤差為10%。另外考慮到發(fā)電機兩側(cè)TA是否同型，還要引入同型系數(shù)Kst。

區(qū)外短路產(chǎn)生的短路電流在暫態(tài)過程中一定會包含有非周期分量的，也就是衰減的直流分量，這些諧波分量也會使互感器飽和，也要產(chǎn)生誤差，因此我們還要考慮非周期分量系數(shù)。

通過分析可知，在外部短路時差動回路中有很大的不平衡電流，要使差動保護不誤動，動作值應(yīng)大于此不平衡電流，以前的差動保護就是按照這樣整定的，靈敏度就很低，所以現(xiàn)在都采用比率制動特性的差動保護。

2.2 正常運行時的不平衡電流

國標(biāo)規(guī)定，正常運行時，5P級電流互感器誤差不得超過±1%，10P級電流互感器誤差不得超過±3%，如果超出了這個范圍，這種互感器絕對不能使用，因此發(fā)電機正常運行時兩側(cè)TA誤差之差不會大于6%，這個誤差是由TA二次側(cè)匝數(shù)在制造時的不精確造成的。另外考慮到保護裝置采樣通道的誤差之差為2%，所以發(fā)電機正常運行時差動回路的不平衡電流理論上最大為8%Ige左右。

3 關(guān)于整定計算的問題

多數(shù)繼電保護專業(yè)人員認(rèn)為，只要保護整定值在國家頒發(fā)的大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則(DL/T 684—2012)范圍之內(nèi)就可以了，這是一種不負(fù)責(zé)任的工作態(tài)度，國家頒發(fā)的導(dǎo)則只是適用大多數(shù)情況下的基本標(biāo)準(zhǔn)，必須要結(jié)合到現(xiàn)場實際來靈活處理。

3.1 門檻值(最小動作電流)

DL/T 684—2012整定導(dǎo)則要求，差動保護門檻值躲過發(fā)電機正常運行時的最大不平衡電流，取0.2～0.3倍的額定電流。但絕大多數(shù)電廠為了防止區(qū)外短路保護誤動，門檻值都取0.3 Ige甚至更大。經(jīng)不完全統(tǒng)計，實際上發(fā)電機在正常運行時差動不平衡電流都不超過0.05 Ige，再考慮可靠系數(shù)2倍以后才只有0.1 Ige,這是其一；其次，前面分析過正常運行時的不平衡電流為0.08 Ige左右，再考慮可靠系數(shù)2倍以后才只有0.16 Ige。因此，現(xiàn)在很多電廠把門檻值都整定為0.3 Ige。

國內(nèi)某電廠專業(yè)人員在整定計算時為了防止區(qū)外短路誤動，錯誤地認(rèn)為只要在機端差動保護區(qū)內(nèi)發(fā)生兩相短路時滿足靈敏度就可以了，把門檻值取為高限值0.4 Ige，片面強調(diào)不誤動而忽略了保護靈敏度。2004年5月該廠一臺發(fā)電機在滿負(fù)荷運行時因差動保護動作停機，事后檢查時發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電機中性點附近發(fā)生了匝數(shù)很少的相間短路，定子繞組和鐵芯損壞非常嚴(yán)重，差動保護動作速度如此快，可為什么還會產(chǎn)生這么嚴(yán)重的后果？分析發(fā)現(xiàn)，由于相間短路匝數(shù)少，故障初期差動電流不是很大，而門檻值整定太高，保護的靈敏度不高，所以故障就只有發(fā)展到差動保護能夠動作為止，這時發(fā)電機定子繞組已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，修復(fù)十分困難。

從以上分析可以看出，發(fā)電機差動保護門檻值一定要根據(jù)發(fā)電機正常運行時差動不平衡電流的實測數(shù)據(jù)來確定，在確保正常時不誤動的情況下，盡可能提高保護靈敏度，門檻值無根據(jù)的增大是完全沒有必要的，畢竟發(fā)電機差動保護主要作用是能快速地對故障產(chǎn)生反應(yīng)，而不是防止誤動，整定時不能完全照搬導(dǎo)則上規(guī)定的0.2～0.3 Ige。

3.2 拐點值(最小制動電流)

比率制動的差動保護不但可以提高保護靈敏度，而且還可以很好地防止在區(qū)外短路時保護的誤動。拐點值表示的意思就是當(dāng)區(qū)外短路制動電流(即穿越性電流)較大時，電流互感器可能要飽和(并且穿越性電流越大，差動不平衡電流就越大)，要產(chǎn)生較大的不平衡電流，保護可能要誤動，為防止保護誤動，差動電流動作值自動按照比率增大。

實際上，最小制動電流應(yīng)該是按照保護用的電流互感器額定電流來確定(因為只有電流超過了其額定值時電流互感器才可能飽和)，但是為了防止區(qū)外故障保護誤動，把拐點提前了，一般都是按照發(fā)電機的額定電流Ige來確定(電流互感器額定電流比發(fā)電機大)，現(xiàn)在整定導(dǎo)則要求最小制動電流范圍取0.7～1 Ige，更可以保證在區(qū)外故障時保護不誤動，隨著拐點電流的減小，動作區(qū)也減少了，保護的靈敏度也降低了。

那么最小制動電流是該怎么取才合適呢？目前發(fā)電機差動保護所用TA有兩種：P級和TP級。TP級電流互感器鐵芯中有氣隙，暫態(tài)飽和能力強，在外部短路的暫態(tài)過程中不飽和或者基本不飽和，所產(chǎn)生的不平衡電流小，對于采用TP級TA的發(fā)電機差動保護最小制動電流就應(yīng)該取大一點，比如1 Ige，而對于采用P級TA的就相對取小一點，比如0.8 Ige。

3.3 制動系數(shù)

工程中一般通過計算得到的制動系數(shù)S都小于0.3，為防止誤動，大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則(DL/T 684—2012)要求S=0.3～0.5，制動系數(shù)可以適當(dāng)提高，一般整定成0.4為宜。

4 調(diào)試檢修中的主要事項

絕大多數(shù)的發(fā)電機差動保護誤動是由工作人員的“三誤”造成的。

4.1 電流互感器極性問題

極性接反造成差動保護誤動的事情時常發(fā)生，很多工作人員只是把二次側(cè)接線對調(diào)，根本不去考慮是什么原因造成差動保護誤動，這是我們繼電保護人員的大忌，否則今后還要出問題。差動保護所用TA二次側(cè)接線究竟是正引出還是反引出，必須要結(jié)合保護裝置差動計算公式和TA一次設(shè)備的安裝方向來確定，離開這兩個條件來談極性接線是否正確是沒有用的，提高技能是解決問題的關(guān)鍵所在。

4.2 電流互感器中性點重復(fù)接地問題

反事故措施要求差動保護所用TA二次只允許一點接地。對于微機保護，接地點可以在保護室，也可以在就地端子箱，經(jīng)常會出現(xiàn)在兩側(cè)都接地的情況下。在正常情況下可能安然無事，一旦發(fā)生一次系統(tǒng)接地故障或者雷擊產(chǎn)生地電流造成兩接地點有電位差，將引起差動保護誤動。因此，這類問題的檢查在每次隱患排查時必須認(rèn)真執(zhí)行，采用對電流回路絕緣檢查的方法能夠很好發(fā)現(xiàn)是否有重復(fù)接地現(xiàn)象。

4.3 誤整定

誤整定是繼保人員的大忌。每次保護校驗整定時經(jīng)常會出現(xiàn)某整定值或者控制字輸入錯誤，造成該保護功能失效。嚴(yán)格執(zhí)行繼電保護復(fù)核制度，是杜絕誤整定的重要措施。

4.4 TA斷線閉鎖差動保護問題

以前基本上都采用斷線后閉鎖差動保護，現(xiàn)在隨著發(fā)電機機組容量越來越大，其額定電流最大達到20 000 A甚至以上，加上所用TA變比非常大，二次側(cè)開路除了產(chǎn)生上萬伏電壓燒壞TA以外，甚至?xí)鹬鲝S房電纜著火的惡性事故，除了差動保護能夠反應(yīng)以外，其他保護都不能反應(yīng)。因此現(xiàn)在已有一個共識，整定時TA二次斷線都采取不再閉鎖差動保護，繼電保護反措也是這樣規(guī)定的。

4.5 誤接線問題

2014年8月，河南某電廠曾經(jīng)發(fā)生過這樣一件事：該廠雙機正常運行時，某線路發(fā)生單相接地故障，引起其中一臺發(fā)電機差動保護(A柜)動作造成非停。事后工作人員對保護裝置、二次控制回路、電流回路、定值做了全面的檢查，都沒有發(fā)現(xiàn)問題，最后通過對故障錄波采集的數(shù)據(jù)進行詳細(xì)的分析后得出中性點側(cè)TA有飽和情況的發(fā)生，進一步檢查發(fā)現(xiàn)B相TA保護級和測量級接反了，這造成區(qū)外短路中性點側(cè)測量級TA飽和差動電流增大而誤動。如果沒有發(fā)生區(qū)外故障，這種接線錯位可能永遠(yuǎn)不會被發(fā)現(xiàn)。工程中，如果保護和測量的TA用反了，在正常運行時將會造成計量不準(zhǔn)，區(qū)外故障保護誤動以及區(qū)內(nèi)故障保護靈敏度降低。因此，繼電保護工作必須認(rèn)真仔細(xì)，兢兢業(yè)業(yè)，來不得半點馬虎。

5 結(jié)語

要想發(fā)電機差動保護正確動作，除了讓發(fā)電機具有高品質(zhì)的保護裝置以外，更重要的是工作人員要對其進行精心運維和正確的整定計算，在防止誤動的前提下提高保護靈敏度是我們專業(yè)人員必須具有的基本技能，只有加強對保護理論的學(xué)習(xí)和提高實際操作技能，才能杜絕繼電保護“三誤”事件的發(fā)生，才能確保機組安全穩(wěn)定地運行。