有色冶煉企業(yè)余熱發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)配置及整定計算實例

卞海林

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 汽輪發(fā)電機(jī)故障和不正常工作狀態(tài)及相應(yīng)的保護(hù)配置

有色冶煉企業(yè)內(nèi)的余熱發(fā)電汽輪發(fā)電機(jī)有別于電網(wǎng)內(nèi)的火電廠汽輪發(fā)電機(jī),有自身的特點。它通過余熱鍋爐將生產(chǎn)過程中的廢熱轉(zhuǎn)化為蒸汽進(jìn)行發(fā)電,蒸汽量的大小受冶煉規(guī)模的限值,且隨冶煉過程波動變化。余熱發(fā)電機(jī)組容量一般不會很大,基本為50 MW以下的小型汽輪發(fā)電機(jī)組；另外余熱發(fā)電均為中壓側(cè)直接并網(wǎng),所發(fā)電量廠內(nèi)直接消耗,不需要升壓變壓器。其繼電保護(hù)配置必須根據(jù)自身的特點來合理配置。

根據(jù)《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》GB/T 14285—2006的規(guī)定,繼電保護(hù)的設(shè)計應(yīng)以合理的運行方式和可能的故障類型為依據(jù),并應(yīng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性四項基本要求。

1.1 余熱發(fā)電的汽輪發(fā)電機(jī)可能發(fā)生的故障及相對應(yīng)的保護(hù)配置

1.1.1 發(fā)電機(jī)定子繞組相間短路

定子繞組相間短路會產(chǎn)生很大的短路電流,嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機(jī)。因此,應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù),動作于發(fā)電機(jī)停機(jī)。

1.1.2 發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路

定子繞組匝間短路會產(chǎn)生很大的環(huán)流,引起故障處溫度升高,使絕緣老化,甚至擊穿絕緣,發(fā)展成單相接地或相間短路,擴(kuò)大發(fā)電機(jī)事故。因此,應(yīng)裝設(shè)橫聯(lián)差動保護(hù),動作于發(fā)電機(jī)停機(jī)。

1.1.3 發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地

發(fā)電機(jī)單相接地后,其電容電流流過故障點鐵芯,當(dāng)電容電流較大或持續(xù)時間較長時,會使鐵芯熔化損壞。因此,應(yīng)裝設(shè)定子繞組接地保護(hù),動作于發(fā)信號報警。

1.1.4 轉(zhuǎn)子一點接地,轉(zhuǎn)子兩點接地

轉(zhuǎn)子一點接地由于沒有構(gòu)成通路,對發(fā)電機(jī)沒有直接危害,因此應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù),保護(hù)動作于信號報警。如轉(zhuǎn)子再發(fā)生另一點接地,就會造成轉(zhuǎn)子兩點接地,則轉(zhuǎn)子繞組一部分被短接,這樣不但會燒毀轉(zhuǎn)子繞組,而且由于部分繞組短接后破壞磁路對稱性,造成磁勢不平衡而引起機(jī)組劇烈振動。因此應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子一點接地穩(wěn)定后投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)壓板,轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)動作于停機(jī)。

1.1.5 發(fā)電機(jī)失磁

發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子繞組斷線、勵磁回路故障或滅磁開關(guān)誤動等原因,將造成轉(zhuǎn)子失磁,失磁故障不僅對發(fā)電機(jī)造成危害,而且吸收電力系統(tǒng)大量無功,嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全,因此應(yīng)裝設(shè)失磁保護(hù),動作于跳閘。

1.2 汽輪發(fā)電機(jī)的不正常工作狀態(tài)及相應(yīng)的保護(hù)配置

(1)由于外部短路、非周期合閘以及系統(tǒng)振蕩等原因引起發(fā)電機(jī)過電流,應(yīng)裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)、負(fù)序過電流保護(hù),作為外部短路和內(nèi)部短路的后備保護(hù),動作于停機(jī)。

(2)由于負(fù)荷超過發(fā)電機(jī)額定值引起發(fā)電機(jī)對稱過負(fù)荷,應(yīng)裝設(shè)過負(fù)荷保護(hù),動作于發(fā)信號報警。對于負(fù)序電流超過發(fā)電機(jī)長期允許值所造成的不對稱過負(fù)荷,應(yīng)裝設(shè)負(fù)序過負(fù)荷保護(hù),動作于發(fā)信號報警。

(3)在突然甩負(fù)荷時,因其發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)過程比較緩慢,轉(zhuǎn)速急劇上升而引起過電壓。因此應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù),動作于停機(jī)。

(4)當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)主汽門突然關(guān)閉而發(fā)電機(jī)斷路器未斷開時,發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收有功而過渡到同步電動機(jī)運行狀態(tài),對汽輪機(jī)葉片尤其是尾葉造成過熱損傷等。因此應(yīng)裝設(shè)逆功率保護(hù),動作于停機(jī)。

(5)汽輪機(jī)葉片有自己的自振頻率,并網(wǎng)運行的發(fā)電機(jī),當(dāng)系統(tǒng)頻率異常時,汽輪機(jī)葉片可能產(chǎn)生共振,從而使葉片發(fā)生疲勞,長久下去可能損壞汽輪機(jī)的葉片。因此應(yīng)裝設(shè)頻率保護(hù),動作于停機(jī)。

2 工程實例

下文通過工程實例,對余熱發(fā)電機(jī)組的保護(hù)整定計算加以說明。

某有色冶煉廠設(shè)有一個余熱發(fā)電站,安裝有一臺容量為7 500 kW的某進(jìn)口余熱發(fā)電機(jī)組,定子繞組為單星型。該電站通過一路并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線與附近的10 kV配電站并網(wǎng)。該站內(nèi)10 kV母線的最大運行方式下的短路電流為11.8 kA,最小運行方式下的短路電流為10.9 kA。系統(tǒng)主接線如下：

短路電流采用標(biāo)幺值法計算,基準(zhǔn)電壓UB=10.5 kV；基準(zhǔn)容量SB=100 MVA；基準(zhǔn)電流IB=5.5 kA。

2.1 繼電保護(hù)配置

針對故障類型以及不平衡運行狀態(tài),發(fā)電機(jī)自身參數(shù)等等,應(yīng)裝設(shè)一下繼電保護(hù)裝置：

(1)由于發(fā)電機(jī)的功率為7.5 MW,所以應(yīng)裝設(shè)縱差保護(hù)。

(2)容量小于50 MW的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值為4 A,裝設(shè)接地保護(hù)裝置。

(3)雖然定子繞組為星形接線,但每相沒有并聯(lián)分支,故不裝設(shè)橫差保護(hù)。

圖1 系統(tǒng)主接線

(4)復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)。

(5)帶延時的過電壓保護(hù)。

(6)失磁保護(hù)。

(7)發(fā)電機(jī)頻率保護(hù)。

(8)逆功率保護(hù)。

2.2 繼電保護(hù)整定

2.2.1 相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)備

發(fā)電機(jī)額定電流Ief=485 A；

發(fā)電機(jī)額定電壓Uef=10.5 kV；

發(fā)電機(jī)額定視在功率：S=8 825 kVA；

電流互感器變比：nl=500/1=500；

電壓互感器變比：ny=10 500/100=105；

零序電流互感器變比：nl0=60/1=60；

最小運行方式下系統(tǒng)電抗：XS=0.73；

發(fā)電機(jī)同步電抗：Xd=2.2；

發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗：X′d=20%；

發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗：X″d=14.5%；

發(fā)電機(jī)負(fù)序電抗：X(2)=17.5%；

發(fā)電機(jī)零序電抗：X(0)=7.5%；

最小運行方式下：發(fā)電機(jī)出口三相短路流過保護(hù)裝置的最小短路電流：

2.2.2 保護(hù)整定計算

雖然不同微機(jī)保護(hù)廠家的保護(hù)配置和保護(hù)原理上有些許差別,但大體上是相同的,其保護(hù)的整定計算也基本類似。

2.2.2.1 主保護(hù)整定

比例制動式縱聯(lián)差動保護(hù)：

發(fā)電機(jī)比例制動式縱聯(lián)差動保護(hù)的基本原理是比較發(fā)電機(jī)兩側(cè)的電流的大小和相位,反映發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線的相間短路,是發(fā)電機(jī)的主要保護(hù)。在微機(jī)保護(hù)裝置中廣泛采用比率差動保護(hù)。比率差動保護(hù)的作用原理是它的動作電流隨著外部故障的短路電流的增大而自動增大,而且動作電流的增大比不平衡電流增大的更快,使其在任何情況下的外部故障時保護(hù)不會誤動作。將外部故障的短路電流作為制動電流,把流入差動回路的電流作為動作電流,如動作電流大于制動電流,則保護(hù)動作；反之保護(hù)不動作。

①保護(hù)裝置最小動作電流(按躲過最大負(fù)荷條件下差回路的不平衡電流整定)：

式中KK—可靠系數(shù),一般取1.3～1.5；

Kfzq—非周期分量影響系數(shù),一般取1.0；

Ktx—電流互感器的同型系數(shù),取0.5；

fi—電流互感器的最大相對誤差,取0.1；

Ie.f—發(fā)電機(jī)的一次額定電流；

nl—電流互感器變比。

實際上最小動作電流的確定還要根據(jù)選定的制動系數(shù)和繼電器的固有動作電流來確定。

運行中的設(shè)備可由實測決定,但不能小于繼電器的固有動作電流,規(guī)程規(guī)定具有比率制動的發(fā)電機(jī)差動保護(hù)Iopmin=0.1～0.3Ief,一般取0.2Ief。

②比率制動拐點的整定

在負(fù)荷電流下,CT誤差很小,不平衡電流也很小,因此即使無制動電流也不會誤動,則拐點應(yīng)取(0.8～1)I2ef,考慮一定的可靠性取Ires=0.8I2ef=0.8×485/500=0.78 A。

③比例制動系數(shù)：Ks=KKKfzqKtxfi=(1.3～1.5)×1×0.5×0.1=0.065～0.075。

考慮到實際應(yīng)用中電流互感器的飽和或TA暫態(tài)特性的不一致,同時為了防止外部短路誤動作,適當(dāng)提高差動保護(hù)動作特性折線斜率,推薦Ks取0.3～0.5,兼顧到靈敏度的要求,一般取較小值,即Ks=0.3。

④靈敏度校驗

式中—發(fā)電機(jī)出口金屬性兩相短路時流進(jìn)保

護(hù)安裝處的最小短路電流；

Idz—對應(yīng)于所校驗繼電器的動作電流；

KS—比例制動系數(shù)。

2.2.2.2 后備保護(hù)整定

(1)復(fù)合電壓起動的過電流保護(hù)

發(fā)電機(jī)相間短路保護(hù)通常反應(yīng)出過電流,為了區(qū)別正常過負(fù)荷還是內(nèi)部故障事故過電流,過電流保護(hù)通常需要加裝低壓元件來作為判別用,即復(fù)合電壓閉鎖過電流保護(hù)。

①保護(hù)裝置動作電流

式中KK—可靠系數(shù),一般取1.2；

Kh—返回系數(shù),一般取0.95；

Ief—發(fā)電機(jī)的一次額定電流；

nl—電流互感器變比。

②負(fù)序電壓元件(按躲過正常運行時的不平衡電壓整定)

式中U2e—額定電壓二次值；

③相間低電壓元件(按躲過電動機(jī)自起動或發(fā)電機(jī)失磁而出現(xiàn)非同步運行方式時的最低電壓定值整定)

式中U2e—額定電壓二次值。

(2)定時限過負(fù)荷保護(hù)

保護(hù)裝置動作電流(對稱過負(fù)荷按發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)荷電流條件下能可靠返回的條件來整定)：

式中KK—可靠系數(shù),一般取1.05；

Kh—返回系數(shù),一般取0.95；

Ief—發(fā)電機(jī)的一次額定電流。

nl—電流互感器變比。

(3)負(fù)序過流保護(hù)

發(fā)電機(jī)由于負(fù)荷不平衡或外部不對稱短路而產(chǎn)生的負(fù)序電流,將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生附加損失和額外溫升。如不及時處理,就可能嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機(jī),因此應(yīng)裝設(shè)負(fù)序過電流保護(hù)。

負(fù)序過流按躲過發(fā)電機(jī)長期允許的負(fù)序電流值和躲過最大負(fù)荷下負(fù)序電流濾過器的不平衡電流整定：

式中Ief—發(fā)電機(jī)的一次額定電流；

nl—電流互感器變比。

延時1 s。

2.2.2.3 零序電流保護(hù)

按規(guī)程規(guī)定,50 MW以下發(fā)電機(jī)組允許的接地電流值為4 A,根據(jù)零序CT給的參數(shù),將4 A換算成二次值,乘以1.1倍可靠系數(shù)即可。

即：Idz0=1.1×4/60=0.073 A。

2.2.2.4 過電壓保護(hù)

保護(hù)動作電壓整定值：

式中U2e—額定電壓二次值；

保護(hù)動作延時,一般取0.5 s。

2.2.2.5 低電壓保護(hù)

保護(hù)動作電壓整定值：Udz=(0.7～0.8)U2e=(0.7～0.8)×100=70～80 V。

建議取80 V。

2.2.2.6 失磁保護(hù)

(1)阻抗元件整定

本公司保護(hù)為異步邊界阻抗判據(jù),采用下式：

式中Se—發(fā)電機(jī)額定容量；

Ue—發(fā)電機(jī)額定電壓；

nl—發(fā)電機(jī)CT變比；

ny—發(fā)電機(jī)PT變比；

Kk—可靠系數(shù),取1.2；

X′d—發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗；

Xd—發(fā)電機(jī)同步電抗。

延時一般取0.5～1 s用以躲開系統(tǒng)振蕩誤動。

(2)低電壓元件整定：Udz=(0.7～0.8)U2e=(0.7～0.8)×100=70～80 V,建議取80 V。

(3)負(fù)序電壓元件整定值：Udz=(0.05～0.06)U2e=(0.05～0.06)×100=5～6 V,建議取6 V。

2.2.2.7 接地保護(hù)

(1)轉(zhuǎn)子一點接地

余熱發(fā)電機(jī)為空冷的發(fā)電機(jī)組,高定值一般取10～30 kΩ,低定值一般取0.5～2.5 kΩ；動作時限取5～10 s。

(2)轉(zhuǎn)子兩點接地

接地位置變化Δa(%)一般取10%左右,根據(jù)不同發(fā)電機(jī)做相應(yīng)調(diào)整,延時盡量短,為躲過瞬時接地引起的兩點接地現(xiàn)象,應(yīng)考慮短延時,一般取1 s左右。

(3)定子一點接地(基波零序電壓)

一般取15～25 V,本例取20 V,延時1 s。

2.2.2.8 頻率積累保護(hù)

整定如下：48.0 Hz-累計運行時間不低于2 h,47.5 Hz-累計運行時間不低于1 h,50.5～51.0 Hz-累計運行時間不低于180 min,51.0～51.5 Hz-累計運行時間不低于30 min。

2.2.2.9 逆功率保護(hù)

(1)逆功率保護(hù)動作功率整定

建議一般按1%的額定有功整定,故取Pop=0.01×7 500=75 kW。

(2)延時整定

逆功率保護(hù),不經(jīng)主氣門觸點閉鎖,延時15 s動作于信號,延時60 s動作于解列。

3 結(jié)束語

隨著有色冶煉廠余熱發(fā)電項目的投產(chǎn),發(fā)電機(jī)已經(jīng)成為其內(nèi)部電網(wǎng)的重要組成部分。本文通過分析發(fā)電機(jī)可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài),提出相應(yīng)繼電保護(hù)方案、整定計算原則及實例計算,對類似發(fā)電機(jī)的保護(hù)整定具有一定的參考借鑒作用。