縱向零序電壓保護(hù)及其誤動(dòng)原因簡(jiǎn)析

謝勇,馬晶晶

(華能玉環(huán)電廠,浙江玉環(huán) 317604)

0 引言

發(fā)電機(jī)定子繞組匝間保護(hù)作為主設(shè)備發(fā)電機(jī)故障的主保護(hù)之一,其重要性是不言而喻的。一般來(lái)說(shuō),定子繞組匝間絕緣較對(duì)地絕緣強(qiáng)度高,但往往會(huì)因?yàn)榫€棒變形、振動(dòng)造成長(zhǎng)期受熱和絕緣老化而引起匝間短路。匝間短路時(shí),就會(huì)出現(xiàn)縱向零序電壓和縱向負(fù)序電壓。另外,匝間短路時(shí)短路處的電流非常大,可能會(huì)超過(guò)機(jī)端三相短路電流。因而,大中型發(fā)電機(jī)組裝設(shè)匝間短路保護(hù)顯得尤為重要。匝間保護(hù)目前主要包括橫差保護(hù)和縱向零序電壓匝間保護(hù)。對(duì)于雙星形接線中性點(diǎn)引出6個(gè)端子的發(fā)電機(jī)組,通常裝設(shè)單元件式橫差保護(hù);而對(duì)于中性點(diǎn)只引出3個(gè)出線端子的發(fā)電機(jī)組,則只能裝設(shè)縱向零序電壓保護(hù)。國(guó)內(nèi)的大中型發(fā)電機(jī)由于定子繞組的接線原因大部分仍采用縱向零序電壓匝間保護(hù),此外,在現(xiàn)代的微機(jī)保護(hù)中還采用工頻變化量匝間保護(hù)。

1 縱向零序電壓匝間保護(hù)構(gòu)成原理及定值整定

1.1 保護(hù)構(gòu)成及基本原理

縱向零序電壓原理構(gòu)成的匝間短路保護(hù)可應(yīng)用于各種發(fā)電機(jī)組,尤其是中性點(diǎn)沒(méi)有引出三相六端子的發(fā)電機(jī)。當(dāng)前的保護(hù)方式大都為由負(fù)序功率方向閉鎖的縱向零序電壓匝間短路保護(hù)。其原理接線圖如圖1所示。在圖1中,TV0是專用的全絕緣電壓互感器,TV1是普通的電壓互感器。TV0的一次繞組中性點(diǎn)與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過(guò)高壓電纜連接起來(lái)而不接地。所以,TV0的二次繞組不能用來(lái)測(cè)量相對(duì)地電壓,其開(kāi)口三角繞組接具有三次諧波濾過(guò)器的高靈敏零序過(guò)電壓繼電器。在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生匝間短路或中性點(diǎn)不對(duì)稱的各種相間短路時(shí),會(huì)產(chǎn)生對(duì)中性點(diǎn)的縱向零序電壓,當(dāng)開(kāi)口三角繞組輸出電壓達(dá)到整定值時(shí),保護(hù)動(dòng)作出口。

圖1 縱向零序電壓保護(hù)原理結(jié)構(gòu)圖

1.2 保護(hù)定值整定

縱向零序電壓匝間保護(hù)的定值在現(xiàn)場(chǎng)整定中一般包括3個(gè)部分,即縱向零序電壓定值,專用TV0斷線閉鎖元件的定值,負(fù)序功率方向元件的定值?？v向零序電壓定值實(shí)際的整定中,國(guó)產(chǎn)的125MW汽輪發(fā)電機(jī)組,可取5～10V,國(guó)產(chǎn)的200MW及300 MW的汽輪發(fā)電機(jī),可取2.5～3V。三次諧波濾過(guò)器濾過(guò)比要大于80。專用TV0斷線閉鎖元件的定值主要指專用TV0與普通TV同名相之間的二次電壓差值ΔUAB,ΔUBC,通常整定為:壓差ΔUAB=ΔUBC=10V;負(fù)序電壓(相電壓)U2=8～10V。負(fù)序功率方向元件的定值一般指動(dòng)作行為是允許式或禁止式,外部系統(tǒng)不對(duì)稱短路時(shí)負(fù)序功率由系統(tǒng)流入發(fā)電機(jī)(反向功率),內(nèi)部和匝間短路負(fù)序功率由發(fā)電機(jī)流向系統(tǒng)。對(duì)于單星性接線的中小型機(jī)組,由于匝間短路時(shí)產(chǎn)生的負(fù)序功率較大,動(dòng)作方式為允許式。對(duì)于雙星性連接的大型機(jī)組,匝間短路時(shí)產(chǎn)生的負(fù)序功率較小,動(dòng)作方式為禁止式。國(guó)內(nèi)微機(jī)型的縱向零序電壓匝間保護(hù),由于動(dòng)作靈敏度高,負(fù)序功率方向元件一般采用允許式,可防止任何原因(如TV0三次回路出現(xiàn)問(wèn)題)造成保護(hù)誤動(dòng)。GE公司的發(fā)變組保護(hù)中負(fù)序功率方向元件為閉鎖元件,采用“負(fù)序方向過(guò)流1反向”閉鎖縱向零序電壓元件動(dòng)作,由于在切除外部不對(duì)稱短路時(shí),機(jī)端負(fù)序功率的突變會(huì)引起負(fù)序方向元件誤動(dòng),為安全起見(jiàn),增設(shè)0.1s延時(shí)元件。

2 縱向零序電壓匝間保護(hù)誤動(dòng)原因及預(yù)防

2.1 縱向零序電壓匝間保護(hù)二起誤動(dòng)事故簡(jiǎn)析

(1)某電廠1臺(tái)125MW的機(jī)組,其縱向零序電壓匝間保護(hù)包括零序電壓元件LLY-3型繼電器,電壓斷線閉鎖元件LB-5繼電器。沒(méi)增設(shè)負(fù)序功率方向元件。

該電廠當(dāng)日機(jī)組帶負(fù)荷115MW,匝間保護(hù)在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)突然動(dòng)作跳閘,發(fā)電機(jī)負(fù)荷降為零。相關(guān)人員對(duì)發(fā)電機(jī)本體及相應(yīng)的一次設(shè)備進(jìn)行檢查后,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象。由于該廠沒(méi)有將TV0的電壓回路接至發(fā)變組故障錄波器,無(wú)法查看故障時(shí)的波形。但繼電保護(hù)人員在測(cè)量TV0一次側(cè)的熔絲時(shí),發(fā)現(xiàn)A相的熔絲已熔斷。熔絲熔斷后,斷線閉鎖元件應(yīng)該動(dòng)作閉鎖保護(hù)出口,那么,是不是斷線閉鎖繼電器存在什么問(wèn)題呢?繼電保護(hù)人員對(duì)LB-5繼電器檢驗(yàn)后,各項(xiàng)數(shù)據(jù)均合格,LLY-3繼電器及其動(dòng)作回路也正確。到底是什么原因造成保護(hù)誤動(dòng)的呢?后來(lái),某廠保護(hù)人員與浙江省電力試驗(yàn)研究院有關(guān)人員砸開(kāi)熔斷器,終于找出了問(wèn)題的癥結(jié)所在,該熔斷器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 熔斷器結(jié)構(gòu)圖

圖2 中圓圈處為熔斷器熔斷點(diǎn),經(jīng)過(guò)分析,認(rèn)定問(wèn)題就在熔斷器里,當(dāng)熔斷器熔絲熔斷時(shí),由于熔絲無(wú)彈性,熔斷點(diǎn)兩端之間的距離很近,故發(fā)電機(jī)的一相電壓可從熔斷點(diǎn)的一端經(jīng)石英沙棒的介質(zhì)電阻串至另一端,呈現(xiàn)的結(jié)果不是TV一次斷線,而是TV一次的一相回路中串入1個(gè)較大的電阻,該相的電壓并不能降為零,只是使電壓降低。從而導(dǎo)致三相電壓發(fā)生不平衡,在TV開(kāi)口三角繞組及二次產(chǎn)生一不平衡電壓。由于斷線閉鎖的動(dòng)作值較大(10 V),不會(huì)動(dòng)作出口,而匝間保護(hù)的動(dòng)作電壓較小,從而動(dòng)作于出口。

(2)某電廠1臺(tái)200MW汽輪發(fā)電機(jī),發(fā)變組配置全套整流型保護(hù)。在運(yùn)行中,因220kV側(cè)線路發(fā)生瞬間接地故障,發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)切機(jī),專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何的異?，F(xiàn)象。后在錄波器錄到的電壓波形看到,當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí),開(kāi)口三角輸出的零序電壓為5～6V,而匝間保護(hù)的動(dòng)作整定電壓為3V,在線路發(fā)生單相接地時(shí),專用TV開(kāi)口三角形兩端又怎么會(huì)出現(xiàn)那么大的零序電壓呢?依據(jù)對(duì)稱分量法分析,主變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí),發(fā)電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)零序電壓。但是,由于發(fā)電機(jī)三相對(duì)中性點(diǎn)存在著不平衡。當(dāng)Yn,d接線的主變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí),發(fā)電機(jī)回路只有兩相出現(xiàn)短路電流,由于電樞反映的不對(duì)稱,加大了定子電壓三相對(duì)中性點(diǎn)的不平衡度,從而在專用TV開(kāi)口三角中出現(xiàn)零序,加上定子匝間保護(hù)的整定動(dòng)作電壓只有3V,故保護(hù)誤動(dòng)。之后,專業(yè)人員發(fā)現(xiàn)匝間保護(hù)沒(méi)有加裝負(fù)序功率方向元件,增加反映內(nèi)部故障的負(fù)序功率方向元件之后,只有當(dāng)縱向零序電壓元件與負(fù)序功率方向元件同時(shí)動(dòng)作時(shí),保護(hù)才會(huì)動(dòng)作出口。運(yùn)行實(shí)踐表明,改進(jìn)過(guò)的匝間保護(hù)再?zèng)]有發(fā)生不正確動(dòng)作的現(xiàn)象。

2.2 縱向零序電壓匝間的誤動(dòng)原因及防止措施

從上面的事例可以看出,在發(fā)電機(jī)外部發(fā)生短路故障或熔絲熔斷及接觸不良極易造成保護(hù)裝置誤動(dòng),引起保護(hù)誤動(dòng)的原因還有很多。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析,零序電壓保護(hù)誤動(dòng)的原因及防止措施主要包括以下5個(gè)方面:

(1)發(fā)電機(jī)外部發(fā)生短路故障的暫態(tài)過(guò)程出現(xiàn)誤動(dòng),這一點(diǎn)在一些沒(méi)裝設(shè)負(fù)序功率方向閉鎖的零序電壓匝間保護(hù)的機(jī)組上誤動(dòng)比例較高。防止措施:增設(shè)負(fù)序功率方向閉鎖功能或?qū)⒈Ｗo(hù)改為性能可靠動(dòng)作靈敏度高的微機(jī)保護(hù),同時(shí),還應(yīng)注意在外部故障切除時(shí)負(fù)序方向元件與縱向零序電壓元件之間的觸點(diǎn)返回時(shí)間不一致的問(wèn)題。

(2)專用互感器TV0的一次或二次熔絲發(fā)生熔斷或接觸不良導(dǎo)致誤動(dòng)。防止措施:必須使用性能良好的斷線閉鎖繼電器及熔絲。同時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)要加強(qiáng)對(duì)熔絲的維護(hù),開(kāi)機(jī)前應(yīng)該先測(cè)量一下熔絲上、下端電阻,看三相是否平衡及接觸是否良好,開(kāi)口三角繞組二次側(cè)裝有旋式熔絲及快速小開(kāi)關(guān)的應(yīng)該取消。

(3)專用互感器TV0中性點(diǎn)與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的電纜連接線接觸不良或者是絕緣發(fā)生擊穿造成定子繞組單相接地,現(xiàn)場(chǎng)中常常會(huì)忽略這一段電纜。一旦電纜接頭出現(xiàn)松動(dòng),使二組PT的中性點(diǎn)不能可靠連接或者絕緣擊穿導(dǎo)致定子繞組單相接地,將會(huì)使縱向零序電壓保護(hù)誤動(dòng)出口或造成定子繞組接地保護(hù)動(dòng)作,這些現(xiàn)象都是現(xiàn)場(chǎng)不允許出現(xiàn)的。防止措施:該段電纜必須使用高壓絕緣電纜(現(xiàn)場(chǎng)往往會(huì)忽略這一點(diǎn),只使用一段普通的引線連接了事),并且要定期檢查該段電纜的絕緣性能、緊固電纜的聯(lián)接螺絲。

(4)專用互感器TV0開(kāi)口三角繞組的2根引出線不正確而造成誤動(dòng)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接線中,常常會(huì)利用兩端的接地線來(lái)代替其中的1根連接線,如圖3所示。采用圖3的接線方式,2個(gè)不同接地端會(huì)由于其他使用接地線的電源通過(guò)大電流而在2個(gè)接地點(diǎn)之間產(chǎn)生電位差,使保護(hù)誤動(dòng)(如使用低頻大功率電焊機(jī)、帶地線的試驗(yàn)電源等)。防止措施:正確的接線方式應(yīng)該將開(kāi)口三角繞組與二次繞組的N線分開(kāi),同時(shí),用2根連接線直接放到保護(hù)屏上。再將開(kāi)口三角繞組L,N用2根線引入裝置或零序電壓繼電器上。

圖3 縱向零序電壓保護(hù)錯(cuò)誤接線圖

(5)電壓斷線閉鎖繼電器的動(dòng)作時(shí)間與零序電壓匝間保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間配合不當(dāng)。由于匝間保護(hù)動(dòng)作無(wú)延時(shí),故前者的動(dòng)作時(shí)間在實(shí)際中往往要大于后者的動(dòng)作時(shí)間。使得在出現(xiàn)斷相時(shí),斷線閉鎖繼電器來(lái)不及閉鎖保護(hù)出口。防止措施:給匝間保護(hù)增加150～200ms的延時(shí)。特別是對(duì)于模擬式的保護(hù),增加150～200ms的延時(shí)不但確?？煽块]鎖保護(hù)出口,而且還有利于躲過(guò)暫態(tài)過(guò)程中的三次諧波的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

在上述的論述中,對(duì)縱向零序電壓匝間短路保護(hù)的認(rèn)識(shí),也許只是管中窺豹。但值得一提的是,由于縱向零序電壓匝間保護(hù)構(gòu)成比較復(fù)雜,且靈敏度不高,容易發(fā)生誤動(dòng),特別是近年來(lái)一些進(jìn)口機(jī)組強(qiáng)調(diào)其定子繞組匝間短路的可能性很小而建議不裝設(shè)匝間短路保護(hù)(像ABB公司以及西門子公司等進(jìn)口機(jī)組)。運(yùn)行實(shí)踐表明,這樣不利于大型發(fā)電機(jī)的安全,且國(guó)內(nèi)、外都發(fā)生過(guò)匝間短路保護(hù)燒毀發(fā)電機(jī)的事故。因而在不能裝設(shè)單元件橫差保護(hù)的情況下,應(yīng)盡量使用程序完善、性能可靠的縱向零序電壓匝間微機(jī)保護(hù),針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種可能發(fā)生誤動(dòng)的原因,采取必要的反事故措施,提高保護(hù)的動(dòng)作正確性,確保發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行,減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

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