基于柔性光學(xué)電流互感器的選擇性定子接地保護(hù)

劉 灝，魏玉芳，李華忠

（1.國(guó)能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

深溪溝水電站位于大渡河中游，屬于國(guó)家能源集團(tuán)大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司規(guī)劃的第18級(jí)電站，該水電站電氣主接線采用“兩機(jī)一變”擴(kuò)大單元接線方式，裝設(shè)4臺(tái)額定容量165 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)出口電壓15.75 kV，經(jīng)兩臺(tái)主變壓器升壓至500 kV，通過(guò)單回500 kV深布線將電量輸送至四川電網(wǎng)。

原深溪溝水電站發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置采用南瑞繼保RCS-985GW裝置，配置了基于基波零序電壓原理及三次諧波電壓原理的定子接地保護(hù)，其中基波零序電壓定子接地保護(hù)采集發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次側(cè)電壓，保護(hù)動(dòng)作于解列、滅磁、停機(jī)，三次諧波電壓定子接地保護(hù)動(dòng)作于發(fā)信報(bào)警。上述定子接地保護(hù)功能雖能反映發(fā)電機(jī)定子全范圍接地故障從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警和跳閘，但存在動(dòng)作無(wú)選擇性、擴(kuò)大停電范圍的問(wèn)題，即兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線范圍內(nèi)的其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障后，并列運(yùn)行的非故障發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)接地變電壓、發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓特征與故障發(fā)電機(jī)一致，因此非故障發(fā)電機(jī)的定子接地保護(hù)同樣將動(dòng)作跳閘，擴(kuò)大了事故停電范圍，造成電網(wǎng)功率缺額，對(duì)水電站及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。

該問(wèn)題是深溪溝水電站以及國(guó)內(nèi)同類型接線方式水電站電力生產(chǎn)面臨的難題，為解決該難題，國(guó)內(nèi)部分水電站通過(guò)采取將擴(kuò)大單元接線方式下的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)限極差配合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性跳閘，例如將其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)置為t，另一臺(tái)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)置為t+0.3 s。該方式存在以下問(wèn)題：僅短延時(shí)整定的發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障時(shí)能實(shí)現(xiàn)選擇性跳閘，而長(zhǎng)延時(shí)整定的發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障后反而因保護(hù)動(dòng)作時(shí)限過(guò)長(zhǎng)不能迅速動(dòng)作隔離故障，導(dǎo)致故障發(fā)展，極易引發(fā)損壞更大的發(fā)電機(jī)匝間短路或相間短路故障。

針對(duì)該問(wèn)題，深溪溝水電站開(kāi)展了發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置功能升級(jí)完善，應(yīng)用了基于光學(xué)電流互感器的選擇性定子接地保護(hù)功能。本文介紹了選擇性定子接地保護(hù)原理、技術(shù)方案及驗(yàn)證試驗(yàn)方法，并通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，得出基于光學(xué)電流互感器的選擇性定子接地保護(hù)能正確判別發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)外故障從而選擇性動(dòng)作跳閘，避免了非故障發(fā)電機(jī)停運(yùn)。

1 保護(hù)原理及技術(shù)方案

文獻(xiàn)[1-3，8]提出了基于零序方向元件的定子接地保護(hù)原理，即通過(guò)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電流與零序電壓構(gòu)成零序方向元件，通過(guò)零序電流與零序電壓相角關(guān)系判別發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障，基于該原理的保護(hù)方案在國(guó)內(nèi)部分水電站已實(shí)施應(yīng)用，普遍采用電磁式電流互感器采集發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電流的方案，該方案僅適用于機(jī)端采用規(guī)則對(duì)稱布置的電纜出線方式的小型發(fā)電機(jī)，深溪溝水電站發(fā)電機(jī)定子母排采用不規(guī)則母排布置方式，且發(fā)電機(jī)額定電流達(dá)6 700 A，因此電磁式電流互感器選型應(yīng)用困難，受不規(guī)則磁場(chǎng)影響導(dǎo)致不平衡電流極大，該技術(shù)方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[5，6，10]提出，光學(xué)電流互感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用可提高繼電保護(hù)的可靠性，發(fā)展完善保護(hù)原理，為保護(hù)提供新的功能。深溪溝水電站創(chuàng)新應(yīng)用柔性光學(xué)電流互感器替代傳統(tǒng)電磁式電流互感器采集發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電流，該光學(xué)電流互感器一次傳感器中的光信號(hào)經(jīng)過(guò)三相一次電流合成磁場(chǎng)作用后，在光學(xué)合并采集單元中進(jìn)行解析計(jì)算得到零序電流值，然后通過(guò)光纖送至繼電保護(hù)裝置，構(gòu)建了基于柔性光學(xué)電流互感器的選擇性定子接地保護(hù)，適用于大型水輪發(fā)電機(jī)，保護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 基于柔性光學(xué)CT的選擇性定子接地保護(hù)示意圖

柔性光學(xué)電流互感器安裝于發(fā)電機(jī)機(jī)端三相匯流母排處，用于采集擴(kuò)大單元接線范圍內(nèi)任一位置發(fā)生接地故障時(shí)流經(jīng)該發(fā)電機(jī)的零序故障電流，經(jīng)光學(xué)合并采集單元處理后送至繼電保護(hù)裝置，綜合發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓構(gòu)成零序功率方向元件，用以判別發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障，同時(shí)以發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次側(cè)抽頭采集的零序電壓構(gòu)成動(dòng)作元件，當(dāng)動(dòng)作元件與方向元件同時(shí)滿足時(shí)開(kāi)放繼電保護(hù)裝置跳閘出口，達(dá)到選擇性跳閘停機(jī)的目的。另選擇性定子接地保護(hù)設(shè)置高定值段，動(dòng)作元件同樣取發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次側(cè)抽頭電壓，但不經(jīng)零序方向閉鎖，其動(dòng)作時(shí)限略長(zhǎng)于判別零序方向的選擇性定子接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)限一個(gè)級(jí)差，作為后備保護(hù)。發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障以光學(xué)電流互感器安裝處為區(qū)分點(diǎn)，安裝處往中性點(diǎn)為區(qū)內(nèi)，反之為區(qū)外。零序方向元件開(kāi)放條件動(dòng)作特性圖，如圖2所示，當(dāng)擴(kuò)大單元接線方式下的其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生區(qū)內(nèi)接地故障時(shí)，其選擇性定子接地保護(hù)零序方向元件與動(dòng)作元件將同時(shí)滿足，保護(hù)動(dòng)作切除該故障發(fā)電機(jī)，反之?dāng)U大單元接線范圍內(nèi)的另一臺(tái)非故障發(fā)電機(jī)的選擇性定子接地保護(hù)動(dòng)作元件雖同樣滿足，但零序方向元件不滿足，故該非故障發(fā)電機(jī)的選擇性定子接地保護(hù)不動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了正確判別、選擇性動(dòng)作。

圖2 基于柔性光學(xué)電流互感器的選擇性定子接地保護(hù)動(dòng)作特性圖

2 接地保護(hù)驗(yàn)證試驗(yàn)

深溪溝水電站基于柔性光學(xué)電流互感器的選擇性定子接地保護(hù)應(yīng)用后，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了發(fā)電機(jī)單相接地故障試驗(yàn)，目的一是在接地故障試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)接地點(diǎn)的零序故障電流，與柔性光學(xué)電流互感器采集的零序故障電流進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該電流互感器能否準(zhǔn)確采集故障特征電流；二是驗(yàn)證發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)、區(qū)外發(fā)生接地故障時(shí)，選擇性定子接地保護(hù)能否正確動(dòng)作。

2.1 區(qū)外接地試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)步驟及過(guò)程

發(fā)電機(jī)采用他勵(lì)方式，停機(jī)狀態(tài)拆除勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)至發(fā)電機(jī)出口母線連接，從10 kV開(kāi)關(guān)柜接入他勵(lì)電源。在發(fā)電機(jī)機(jī)端光學(xué)電流互感器安裝處靠出口斷路器側(cè)設(shè)置單相接地故障點(diǎn)，故障點(diǎn)選取在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器A相一次保險(xiǎn)前端，利用鉗形電流表實(shí)測(cè)該接地點(diǎn)的故障電流,將發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)并遞升加壓至約7%～10%額定電壓的空載工況。區(qū)外接地故障試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖3 區(qū)外接地故障試驗(yàn)示意圖

2.1.2 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

考慮深溪溝發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)氧化鋅非線性電阻滅磁性能影響，為防止試驗(yàn)過(guò)程中由于定子三相電壓不對(duì)稱而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓過(guò)高導(dǎo)致相關(guān)測(cè)量二次元件損壞、氧化鋅擊穿，在轉(zhuǎn)子正負(fù)極端并接大功率電阻；為防止遞升加壓過(guò)程中電壓控制失效造成發(fā)電機(jī)損傷，過(guò)電壓保護(hù)按照0.15倍額定電壓整定，動(dòng)作時(shí)限壓縮為0.1 s。

2.1.3 試驗(yàn)過(guò)程記錄

檢查保護(hù)裝置測(cè)量顯示和波形數(shù)據(jù)分別如圖4、圖5。

圖4 區(qū)外接地故障試驗(yàn)點(diǎn)電氣量波形圖

圖5 區(qū)外接地故障選擇性定子接地保護(hù)動(dòng)作波形圖

由圖4、圖5可以看出,A相定子區(qū)外接地故障時(shí)刻，A相電壓為0 V，B、C相電壓為6 V，中性點(diǎn)零序電壓為5.96 V，機(jī)端零序電流一次值為0.7 A，接地故障點(diǎn)鉗形電流表實(shí)測(cè)零序電流0.71 A，驗(yàn)證了光學(xué)電流互感器采集的零序電流與實(shí)測(cè)故障電流一致；零序電流超前零序電壓226°，保護(hù)裝置判別為區(qū)外故障，動(dòng)作報(bào)文顯示定子零序電壓保護(hù)（判零序功率方向）未動(dòng)作，而作為對(duì)比的零序電壓高值（不判零序功率方向）動(dòng)作。

表1 區(qū)外接地試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格

2.2 區(qū)內(nèi)接地試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)步驟及過(guò)程

試驗(yàn)前置條件如2.1.1，在發(fā)電機(jī)定子母排C相上設(shè)置單相接地故障點(diǎn)，利用鉗形電流表實(shí)測(cè)該接地點(diǎn)的故障電流，區(qū)內(nèi)接地故障試驗(yàn)示意圖如圖6所示。

圖6 區(qū)內(nèi)接地故障試驗(yàn)示意圖

發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)并遞升加壓至約20%額定電壓的空載工況。由于區(qū)內(nèi)接地時(shí)流經(jīng)光學(xué)電流互感器的電流并非接地點(diǎn)的電流，而是發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)側(cè)均壓電容的容性電流，該電流理論計(jì)算值為：

式中:Cg為發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)側(cè)均壓電容0.13 μF；UΦ為額定電壓15.75 kV。

2.2.2 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

在轉(zhuǎn)子正負(fù)極端并接大功率電阻，防止過(guò)電壓導(dǎo)致相關(guān)測(cè)量二次元件損壞、氧化鋅擊穿；遞升加壓不超過(guò)30%額定電壓，因此過(guò)電壓保護(hù)按照0.3倍額定電壓整定，動(dòng)作時(shí)限壓縮為0.1 s；試驗(yàn)接地電流不超過(guò)3 A，需實(shí)測(cè)并監(jiān)視接地點(diǎn)故障電流。

2.2.3 試驗(yàn)過(guò)程記錄

檢查保護(hù)裝置測(cè)量顯示和波形數(shù)據(jù)分別如圖7、圖8：

圖7 區(qū)內(nèi)接地故障試驗(yàn)點(diǎn)電氣量波形圖

圖8 區(qū)內(nèi)接地故障選擇性定子接地保護(hù)動(dòng)作波形圖

由圖7、圖8可以看出,C相定子區(qū)內(nèi)接地故障時(shí)刻，C相電壓為0 V，A、B相電壓為20.4 V，中性點(diǎn)零序電壓為20.2 V，機(jī)端零序電流一次值為0.22 A，與理論推算（1）故障電流基本一致；零序電流超前零序電壓90°，保護(hù)裝置判別為區(qū)內(nèi)故障，動(dòng)作報(bào)文顯示定子零序電壓保護(hù)（判零序功率方向）、零序電壓高值（不判零序功率方向）均可靠動(dòng)作。

表2 區(qū)內(nèi)接地試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析上述發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)及選擇性定子接地保護(hù)動(dòng)作情況，得出：①在發(fā)電機(jī)區(qū)外定子接地故障時(shí)，柔性光學(xué)電流互感器采集的發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電流與接地故障點(diǎn)實(shí)測(cè)電流幅值基本一致，發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)定子接地故障時(shí)，柔性光學(xué)電流互感器采集的發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電流與理論計(jì)算電流幅值基本一致，驗(yàn)證了柔性光學(xué)電流互感器能精確采集擴(kuò)大單元接線方式下定子接地故障發(fā)生時(shí)的流過(guò)發(fā)電機(jī)的零序電流；②發(fā)生定子接地故障時(shí)，故障發(fā)電機(jī)的選擇性定子接地保護(hù)能正確判別區(qū)內(nèi)接地故障，零序方向元件可靠動(dòng)作，選擇性定子接地保護(hù)正確動(dòng)作，而非故障發(fā)電機(jī)正確判別區(qū)外接地故障，零序方向元件可靠閉鎖，選擇性定子接地保護(hù)不動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了“兩機(jī)一變”擴(kuò)大單元接線方式下的發(fā)電機(jī)定子接地故障選擇性動(dòng)作跳閘,避免非故障發(fā)電機(jī)停運(yùn)，縮小了事故停電范圍，減少發(fā)電廠發(fā)電經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)發(fā)電廠及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更可靠保障。該技術(shù)方案成功攻克了該電站及國(guó)內(nèi)類似水電站面臨的電力生產(chǎn)技術(shù)管理難題，具有廣泛推廣應(yīng)用前景。