基于電壓相角差的發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器非全相保護(hù)

李方玖，易亞文，張林枝，代順娟，陳 偉

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

1 引言

發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器（GCB）日常操作頻繁，易因機(jī)械結(jié)構(gòu)長期磨損而發(fā)生傳動(dòng)連桿脫落等故障，造成GCB非全相運(yùn)行。GCB發(fā)生非全相故障時(shí)，發(fā)電機(jī)將處于非全相運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)維人員初期很難從三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)指示標(biāo)識(shí)發(fā)現(xiàn)該問題，此時(shí)若無保護(hù)反映動(dòng)作，定子繞組將長時(shí)間承受負(fù)序電流，造成發(fā)電機(jī)振動(dòng)加劇和轉(zhuǎn)子過熱，嚴(yán)重危及發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。

傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置常采用負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)反映GCB非全相故障。近年，相關(guān)科研人員提出了基于GCB兩端電壓差和基波零序電壓相角差等新技術(shù)的GCB非全相保護(hù)[5-6]，少量產(chǎn)品已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。根據(jù)某大型水電站的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)初期帶小負(fù)荷運(yùn)行或解列停機(jī)過程中發(fā)生GCB非全相故障時(shí)，實(shí)際呈現(xiàn)的電氣量特性不完全滿足以上幾種保護(hù)判據(jù)，保護(hù)裝置可能均存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合兩起GCB非全相故障的實(shí)際案例，分析多工況故障狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的電氣特性，提出更優(yōu)的保護(hù)動(dòng)作判據(jù)。

2 發(fā)電機(jī)不同運(yùn)行工況下GCB非全相故障分析

對(duì)于GCB非全相故障，通常采用對(duì)稱分量法[7]對(duì)單機(jī)無窮大系統(tǒng)發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器非全相運(yùn)行時(shí)GCB兩側(cè)的電氣量理論特性進(jìn)行分析。分析可得：GCB非全相運(yùn)行時(shí)，電氣特性呈現(xiàn)出故障相兩側(cè)產(chǎn)生電壓差和相角差、負(fù)序電流、基波零序電壓差和相角差，這些電氣量值與發(fā)電機(jī)側(cè)、系統(tǒng)側(cè)電源電動(dòng)勢(shì)以及序網(wǎng)絡(luò)阻抗大小有關(guān)，當(dāng)在序網(wǎng)絡(luò)阻抗一定的情況下，這些電氣量值會(huì)隨著負(fù)荷電流的增大而增大，而非斷線相電壓差和相角差為零[5-6]。

下面結(jié)合某大型水電站的實(shí)際運(yùn)行案例，從機(jī)組故障錄波裝置錄取的波形數(shù)據(jù)中，摘錄負(fù)序電流、電壓差以及電壓相角差等電氣特征值，分析發(fā)電機(jī)發(fā)生GCB非全相故障時(shí)的實(shí)際電氣特性。

2.1 案例1分析

案例1：2018年11月，該水電站某臺(tái)800 MW發(fā)電機(jī)開機(jī)并網(wǎng)，出力增加過程中“發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)”等信號(hào)報(bào)警。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)該發(fā)電機(jī)出口隔離開關(guān) C相操作連桿拐臂脫落，C相處于斷開狀態(tài)，造成GCB非全相運(yùn)行。

本例中，從GCB合閘并網(wǎng)到發(fā)現(xiàn)故障停機(jī)，機(jī)端電流最高升至40%的額定電流。表1從故障錄波中摘錄了不同機(jī)端電流時(shí)的電氣量變化情況。通過表1內(nèi)數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論：①負(fù)序電流和GCB兩側(cè)基波零序電壓有效值差值隨機(jī)端電流增加而增加趨勢(shì)極為明顯，其中負(fù)序電流有效值約為機(jī)端電流57%；②GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差值一直保持較大值，相角差值均在100°以上；③斷線相兩側(cè)電壓有效值差值隨機(jī)端電流增加成增加或減少趨勢(shì)；④斷線相兩側(cè)電壓相角差值隨機(jī)端電流增加成增加趨勢(shì)。

表1 案例1電氣量二次值變化統(tǒng)計(jì)表

2.2 案例2分析

案例2：2019年1月，該水電站某臺(tái)800 MW發(fā)電機(jī)，在停機(jī)備用負(fù)荷降為零，發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘后，雙套變壓器保護(hù)“主變低壓側(cè)零序電壓報(bào)警”動(dòng)作。經(jīng)檢查，該發(fā)電機(jī)出口斷路器 C相因傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障而未斷開，造成GCB非全相運(yùn)行。

表2從故障錄波中摘錄了從GCB分閘至發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓衰減至零的電氣量變化情況。通過表2的數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論：①隨時(shí)間推移斷開相兩側(cè)電壓有效值最大差值和GCB兩側(cè)基波零序電壓有效值差值從起初的較小值逐步增大，并接近線電壓額定值100 V；②隨時(shí)間推移斷開相兩側(cè)相電壓相角差值同樣從起初的較小值逐步增大；③隨時(shí)間推移GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差值一直保持較大值；④以上數(shù)據(jù)均在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓衰減至接近零前呈現(xiàn)如表2變化規(guī)律，待發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓衰減至接近零后，以上所有差值均趨于較大穩(wěn)定值。

表2 案例2電氣量二次值變化統(tǒng)計(jì)表

2.3 GCB非全相故障的電氣特性分析

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)電機(jī)組發(fā)生有危害的GCB非全相故障的運(yùn)行工況大致可分為：①發(fā)電機(jī)開機(jī)合GCB并網(wǎng)，發(fā)生GCB一相或兩相未合上；②發(fā)電機(jī)正常帶負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)生保護(hù)動(dòng)作或是機(jī)構(gòu)偷跳GCB一相或兩相；③發(fā)電機(jī)減負(fù)荷停機(jī)斷開GCB，發(fā)生GCB一相或兩相未斷開。

以上2個(gè)案例分別代表了①③兩種工況。第②種工況與第①種工況類似，只是所帶負(fù)荷更大。根據(jù)案例分析，GCB非全相故障呈現(xiàn)出的具有共性的電氣特征量為GCB兩側(cè)的相電壓差、相角差和基波零序電壓差、相角差。GCB兩側(cè)的相電壓相角差和基波零序電壓差在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)初期呈現(xiàn)最小值，其值隨發(fā)電機(jī)出力增加而增大；GCB兩側(cè)的相電壓差和基波零序電壓相角差不隨發(fā)電機(jī)出力變化而變化，但較正常運(yùn)行情況下的差值相比均呈現(xiàn)出明顯增大現(xiàn)象。

3 GCB非全相保護(hù)判據(jù)

3.1 基于負(fù)序電流的負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)

該保護(hù)以負(fù)序電流量為保護(hù)判據(jù)。由案例1、2分析可知，GCB非全相僅依靠負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)反映非全相運(yùn)行故障是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一是在發(fā)電機(jī)剛非全相并網(wǎng)負(fù)荷還未增加時(shí)和發(fā)電機(jī)將負(fù)荷減為零后非全相解列時(shí)均沒有靈敏度；二是負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長，不能及時(shí)反映非全相故障，存在其他保護(hù)搶先動(dòng)作擴(kuò)大故障范圍的問題。

3.2 基于GCB兩側(cè)電壓相量差的GCB非全相保護(hù)

由文獻(xiàn)[5]提出的基于GCB兩側(cè)電壓相量差的GCB非全相保護(hù)。該保護(hù)判據(jù)在GCB兩側(cè)相量差的基礎(chǔ)上還需要增加負(fù)序電壓、零序電壓等輔助判據(jù)，判據(jù)較為復(fù)雜。由案例1數(shù)據(jù)可知，GCB兩側(cè)相電壓相量差有效值隨機(jī)端電流增加呈增加或減少趨勢(shì)，這將增加電壓相量差定值整定難度。另外，該保護(hù)判據(jù)還需滿足發(fā)電機(jī)機(jī)端與主變低壓側(cè)三相電壓中的最小相電壓有效值需要大于90%額定相電壓有效值，顯然案例2中隨著發(fā)電機(jī)電壓衰減，該判據(jù)將不滿足，造成保護(hù)拒動(dòng)。

3.3 基于GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差的GCB非全相保護(hù)

由文獻(xiàn)[6]提出的基于GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差的GCB非全相保護(hù)。該保護(hù)判據(jù)還需滿足發(fā)電機(jī)機(jī)端與主變低壓側(cè)三相電壓中的最小相電壓有效值需要大于80%額定相電壓有效值，顯然案例2中隨著發(fā)電機(jī)電壓衰減，該判據(jù)將不滿足，造成保護(hù)拒動(dòng)。

4 GCB非全相保護(hù)新型判據(jù)的提出

根據(jù)前文分析，GCB非全相故障的電氣特征量集中體現(xiàn)為GCB兩側(cè)的相電壓差、相角差和基波零序電壓差、相角差，以此為判別對(duì)象，可提出基于GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓的相角差的復(fù)合判據(jù)。該判據(jù)的表達(dá)式見式（1）。

條件1：φGX和φTX分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端和主變低壓側(cè)相電壓相角； X為A、B、C相；max表示取相電壓相角差最大值；φG-T.SET為發(fā)電機(jī)機(jī)端和主變低壓側(cè)相電壓相角差的動(dòng)作值，可按發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后勵(lì)磁系統(tǒng)能夠給定的最低初始負(fù)荷或發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行允許的負(fù)序電流所對(duì)應(yīng)GCB非全相故障的發(fā)電機(jī)機(jī)端和主變低壓側(cè)相電壓相角差經(jīng)驗(yàn)值整定。該水電站發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行允許負(fù)序電流值較大，即按發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后初始給定負(fù)荷（6.25%In）所對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)機(jī)端和主變低壓側(cè)相電壓相角差經(jīng)驗(yàn)值整定。實(shí)測(cè)相角差值為2°，為保證可靠動(dòng)作，建議定值取1°。

條件2：φG0和φT0分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端和主變低壓側(cè)零序電壓相角；φ0.SET為發(fā)電機(jī)機(jī)端和主變低壓側(cè)零序電壓相角差的動(dòng)作值，該值整定原則與條件1中φG-T.SET的整定原則相似。實(shí)測(cè)相角差值為100°，為保證可靠動(dòng)作，建議定值取90°。

條件3：UG0和UTO分別為發(fā)電機(jī)機(jī)端和主變低壓側(cè)零序電壓有效值；ΔUG-T.SET為輔助判據(jù)，用于發(fā)電機(jī)和主變單側(cè)正常停運(yùn)或空載時(shí)閉鎖該保護(hù)，可按躲過發(fā)電機(jī)和主變單側(cè)正常停運(yùn)或空載時(shí)的零序電壓差實(shí)測(cè)值整定。該水電站實(shí)測(cè)零序電壓差值為0.1～0.4 V，取1.5倍的可靠系數(shù)，建議定值取0.6 V。

當(dāng)式（1）的條件 1～3同時(shí)滿足時(shí)，保護(hù)判定GCB非全相故障，延時(shí)動(dòng)作于報(bào)警或是跳閘。發(fā)電機(jī)帶大負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的電氣特征量較大時(shí)，該保護(hù)判據(jù)能可靠動(dòng)作；發(fā)電機(jī)合GCB并網(wǎng)初期帶極小負(fù)荷或減負(fù)荷至零斷開GCB運(yùn)行工況下，發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的電氣特征量較小時(shí)，該保護(hù)判據(jù)仍能靈敏動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生TV斷線時(shí)，GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差可相互起到閉鎖作用，避免該保護(hù)判據(jù)誤動(dòng)；當(dāng)發(fā)電機(jī)和主變單側(cè)正常停運(yùn)或空載時(shí)，條件3可閉鎖該保護(hù)，避免該保護(hù)判據(jù)誤動(dòng)。

5 結(jié)語

分析該水電站兩起GCB非全相故障案例波形數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓差和相角差顯著增大，現(xiàn)有的基于負(fù)序電流、GCB兩側(cè)電壓相量差和基波零序電壓相角差的判據(jù)都存在一定拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。本文提出的基于GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差的復(fù)合判據(jù)，定值整定原則考慮了發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后勵(lì)磁系統(tǒng)能夠給定的最低初始負(fù)荷這種最極端運(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的非全相故障經(jīng)驗(yàn)值，可滿足各種工況下GCB非全相保護(hù)可靠性和靈敏性的要求。發(fā)電機(jī)合GCB并網(wǎng)初期帶極小負(fù)荷或減負(fù)荷至零斷開GCB運(yùn)行工況下，發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差電氣特征量可讓該新型判據(jù)靈敏動(dòng)作；GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差、基波零序電壓差構(gòu)成的與門復(fù)合判據(jù)，既可有效避免TV斷線造成的保護(hù)誤動(dòng)，又可有效避免發(fā)電機(jī)和主變單側(cè)正常停運(yùn)或空載時(shí)保護(hù)誤動(dòng)。由此可見，發(fā)電機(jī)開機(jī)并網(wǎng)、正常帶負(fù)荷運(yùn)行以及停機(jī)備用等各種工況下，該新型判據(jù)對(duì)GCB非全相故障均能起到良好的保護(hù)作用。