大容量沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)方案

丁錦華,苗本健,李賽賽,楊仁旭,郭向榮

(廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,廣東 廣州 510330)

0 引言

大容量實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)電源通常有2種方式,一種由電網(wǎng)提供,另一種由沖擊短路發(fā)電機(jī)提供。如果電源由電網(wǎng)提供,大容量短路試驗(yàn)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。因此,大容量實(shí)驗(yàn)室為避免試驗(yàn)時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,通常采用沖擊短路發(fā)電機(jī)作為試驗(yàn)電源,由于沖擊短路發(fā)電機(jī)價(jià)格昂貴,如果操作失誤或出現(xiàn)故障,會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流或過(guò)電壓等情況,發(fā)電機(jī)損壞造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此需要配置繼電保護(hù)裝置,在發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行動(dòng)作保護(hù)。

沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)不同于常規(guī)火電廠發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī),具有帶載運(yùn)行時(shí)間短、有強(qiáng)勵(lì)磁功能、短路容量遠(yuǎn)大于標(biāo)稱(chēng)容量、短路電流直流分量大等特點(diǎn),常規(guī)發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)方案需要做一定調(diào)整,且常規(guī)電磁式電流互感器具有體積大、暫態(tài)性能不足、容易磁飽和等特點(diǎn),并不適合用作大容量沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)保護(hù)電流互感器[3-4]。針對(duì)以上問(wèn)題,本文通過(guò)描述沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)的主要故障及相應(yīng)繼電保護(hù)原理,分析了全光纖電流互感器特點(diǎn),設(shè)計(jì)了適用于沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)方案,并以額定容量100 MVA沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)為例,詳細(xì)分析了全光纖電流互感器的發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)參數(shù)整定方式。

1 發(fā)電機(jī)組主要故障類(lèi)型

1.1 定子繞組故障

定子繞組故障包括定子繞組相間短路、定子繞組匝間短路、定子繞組單相接地3種情況。大容量、高電壓發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣性能不足或機(jī)組運(yùn)行對(duì)匝間絕緣造成磨損時(shí),會(huì)造成繞組相間短路、匝間短路、繞組接地等故障隱患。當(dāng)定子繞組出現(xiàn)以上故障時(shí),產(chǎn)生電流相對(duì)較大,會(huì)導(dǎo)致鐵心發(fā)生局部融化現(xiàn)象[5-6];同時(shí),該故障產(chǎn)生的不均勻磁場(chǎng)會(huì)使磁力作用大小不一,從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組振動(dòng)。

1.2 定子過(guò)壓、過(guò)負(fù)荷故障

當(dāng)運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)突然甩掉負(fù)荷時(shí),由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度增大及勵(lì)磁裝置動(dòng)作等原因,發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓將升高,至額定值的1.8～2倍,造成發(fā)電機(jī)絕緣受到損壞[6-7]。發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷的原因包括勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)和發(fā)電機(jī)輸出回路阻抗變小,雖然發(fā)電機(jī)具有一定過(guò)負(fù)荷能力,當(dāng)出現(xiàn)輸出回路意外短路等情況,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子電流增大超過(guò)定子繞組承受值,長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷會(huì)造成繞組溫度過(guò)高、絕緣擊穿,輕則縮短壽命,嚴(yán)重時(shí)可造成繞組短路、燒毀。

1.3 轉(zhuǎn)子接地故障

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子涉及勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身,多是由于絕緣問(wèn)題造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障。轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地在發(fā)電機(jī)故障中較為常見(jiàn),接地后不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子造成實(shí)際損傷;但如果發(fā)生2點(diǎn)接地,故障電流會(huì)由接地點(diǎn)經(jīng)過(guò)鐵心構(gòu)成回路,轉(zhuǎn)子將會(huì)因接地短路電流過(guò)大而面臨燒毀風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)轉(zhuǎn)子繞組部分被短路,會(huì)使轉(zhuǎn)子磁通分布不平衡,引起機(jī)組振動(dòng)而損壞發(fā)電機(jī)[8-9]。

2 發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)原理

2.1 差動(dòng)保護(hù)

發(fā)電機(jī)定子繞組故障一般采用差動(dòng)保護(hù)方式,包括完全縱差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)等類(lèi)型。通過(guò)引入機(jī)端電流互感器和中性點(diǎn)雙分支電流互感器的3組電流來(lái)完成發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)。發(fā)電機(jī)比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性采用傳統(tǒng)二折線方式實(shí)現(xiàn),如圖1所示。

圖1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性

圖1中,Id為差動(dòng)電流;Ir為制動(dòng)電流;Icdqd為差流門(mén)檻定值;Icdsd為差動(dòng)電流速斷定值;K為比率制動(dòng)系數(shù)定值;Ir1為比率特性拐點(diǎn)制動(dòng)電流整定值。

動(dòng)作方程如下：

(1)

發(fā)電機(jī)差動(dòng)速斷保護(hù)采用分相差動(dòng)邏輯,該保護(hù)為加速切除嚴(yán)重區(qū)內(nèi)故障而設(shè)定,為避免機(jī)組非同期合閘時(shí)的最大不平衡電流,其整定值一般為3～4倍額定電流。

2.2 定子過(guò)壓、過(guò)負(fù)荷保護(hù)

發(fā)電機(jī)定子過(guò)壓保護(hù)反映于發(fā)電機(jī)各種故障情況下引起的定子過(guò)電壓,取發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器的三相線電壓最大值Umax,可Umax設(shè)置兩段保護(hù),當(dāng)大于保護(hù)定值時(shí)動(dòng)作。

發(fā)電機(jī)定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)主要針對(duì)過(guò)負(fù)荷或外部故障引起的定子繞組過(guò)電流異常工況保護(hù),反映定子繞組的平均發(fā)熱狀況,保護(hù)動(dòng)作量取發(fā)電機(jī)機(jī)端最大相電流,由定時(shí)限過(guò)負(fù)荷和反時(shí)限過(guò)流2部分組成。定時(shí)限過(guò)負(fù)荷設(shè)1段跳閘保護(hù),當(dāng)三相電流最大值Imax大于定時(shí)限設(shè)定值Iop時(shí)進(jìn)行動(dòng)作保護(hù);反時(shí)限過(guò)流按定子繞組允許的過(guò)流能力來(lái)整定,其動(dòng)作特性,即過(guò)電流倍數(shù)與相應(yīng)允許持續(xù)時(shí)間的關(guān)系為

(2)

式中：Ktc為定子繞組過(guò)負(fù)荷常數(shù)(以機(jī)組廠家提供參數(shù)為準(zhǔn));In為發(fā)電機(jī)定子二次額定電流Ign為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值;Ign為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù);t為持續(xù)時(shí)間;a為與定子繞組溫升特性和溫度裕度相關(guān)的散熱效應(yīng)系數(shù),一般整定值為0.01～0.02。

動(dòng)作特性曲線由上限定時(shí)限、反時(shí)限、下限定時(shí)限3部分組成,定子過(guò)負(fù)荷反時(shí)限動(dòng)作特性如圖2所示。

圖2 定子過(guò)負(fù)荷反時(shí)限動(dòng)作特性

當(dāng)發(fā)電機(jī)電流大于上限定值Iup時(shí),則按上限定時(shí)限t3(最短延時(shí))動(dòng)作;當(dāng)電流超過(guò)下限啟動(dòng)值Idn,但又不足以使反時(shí)限部分動(dòng)作時(shí),則按下限定時(shí)限t4(最長(zhǎng)延時(shí))動(dòng)作;電流在Idn和Iup之間時(shí)則按反時(shí)限曲線動(dòng)作,設(shè)置三段保護(hù),分別動(dòng)作于不同斷路器。

2.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)(乒乓原理)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理是通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)子不同位置對(duì)地電阻值的變化來(lái)判定轉(zhuǎn)子是否接地及接地位置,主要分為非注入式和注入式2類(lèi)。非注入式主要有乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù),用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下接地故障,但在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下無(wú)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子接地故障;注入式包括直流電壓注入式、交流電壓注入式、方波電壓注入式、直流注入切換采樣式。無(wú)論發(fā)電機(jī)在停機(jī)還是運(yùn)行狀態(tài)都能正常發(fā)揮保護(hù)作用,且靈敏度不受運(yùn)行狀態(tài)影響,能最大限度保護(hù)發(fā)電機(jī)安全。

乒乓式開(kāi)關(guān)切換原理通過(guò)求解2個(gè)不同的接地回路方程,實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子接地電阻和接地位置,如圖3所示。其中,S1、S2為微機(jī)控制的靜態(tài)聯(lián)動(dòng)電子斷路器;Rf為轉(zhuǎn)子繞組接地電阻;a為接地點(diǎn)位置;E為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁直流電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí),可測(cè)得E2和R1上的電壓U1;當(dāng)S1斷開(kāi),S2閉合時(shí),可測(cè)得E2和R1上電壓U2,由這2種狀態(tài)列回路方程可求得接地電阻Rf和接地位置a的值。

圖3 轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)原理

轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地判據(jù)為Rf小于等于保護(hù)定制Rfset。由于勵(lì)磁電壓很小時(shí),不可能正確計(jì)算Rf和a的值,因此可以設(shè)定,當(dāng)E小于30 V時(shí)閉鎖判據(jù)。轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)設(shè)2段動(dòng)作值,Ⅰ段靈敏段動(dòng)作于報(bào)警,Ⅱ段普通段可由控制字選擇動(dòng)作信號(hào)或者跳閘。

3 發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)系統(tǒng)方案

本文以額定容量100 MVA沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組為工程案例來(lái)研究發(fā)電機(jī)組差動(dòng)保護(hù)、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)配置方案。發(fā)電機(jī)額定電壓為12 kV,選用PRS-785A3型微機(jī)成套保護(hù)裝置,發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 大容量沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)框圖

3.1 保護(hù)用電流互感器配置及整定方案

由于大容量沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組的一次時(shí)間常數(shù)較大,對(duì)暫態(tài)性能要求較高,普通電磁式電流互感器無(wú)法滿(mǎn)足要求,且短路時(shí)存在的直流分量容易引起電流互感器飽和,造成電流波形失真、保護(hù)裝置誤動(dòng)作,因此選用全光纖電流互感器作為差動(dòng)保護(hù)和過(guò)負(fù)荷保護(hù)電流互感器[10-11]。全光纖電流互感器基于法拉第磁光效應(yīng)及安培環(huán)路定理,通過(guò)干涉儀精密測(cè)量及閉環(huán)控制技術(shù),準(zhǔn)確測(cè)量Faraday旋光角,從而測(cè)量一次電流[12-13]。其具有體積小、重量輕、無(wú)磁飽和及鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍大、低頻傳變特性好、可數(shù)字量或模擬量輸出、安全且綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),且傳感部分為無(wú)源光纜,抗電磁干擾能力強(qiáng)[14],更能適應(yīng)發(fā)電機(jī)組保護(hù)需求,如圖5所示。通過(guò)定制模擬量輸出的信號(hào)處理單元,無(wú)需經(jīng)過(guò)合并單元,直接與保護(hù)裝置相連,提高了測(cè)量精度和抗干擾能力。

圖5 全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)

3.2 差動(dòng)保護(hù)配置及整定方案

差動(dòng)保護(hù)用機(jī)端三相電流互感器和中性點(diǎn)三相電流互感器均為全光纖電流互感器,如圖6所示,全程測(cè)量精度為0.2級(jí),模擬量輸出,一/二次變比為150 kA/1 A。由于各相全光纖電流互感器轉(zhuǎn)換時(shí)間不同,造成各相存在差動(dòng)電流,會(huì)對(duì)差動(dòng)保護(hù)準(zhǔn)確性造成影響[15]。為避免此種情況,6臺(tái)光纖電流互感器轉(zhuǎn)換通道采用同一時(shí)鐘,每通道時(shí)鐘差最大為20 ns,兩通道之間轉(zhuǎn)換時(shí)間最大差值為100 ns,對(duì)應(yīng)電流角度差為0.02°,時(shí)鐘差引起的差動(dòng)電流可忽略不計(jì)。各通道轉(zhuǎn)換延長(zhǎng)時(shí)間最大為50 μs,對(duì)應(yīng)電流角度差為0.9°,轉(zhuǎn)換延時(shí)引起的差動(dòng)電流為0.016倍短路電流。

圖6 發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電流互感器

差動(dòng)保護(hù)參數(shù)設(shè)置依據(jù)文獻(xiàn)[7],發(fā)電機(jī)二次額定電流Ign表達(dá)式為

(3)

式中：PN為發(fā)電機(jī)額定功率;UN為發(fā)電機(jī)額定相電壓;IGN為發(fā)電機(jī)一次額定電流;Ign為發(fā)電機(jī)二次額定電流;cosφ為發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù);nɑ為全光纖電流互感器變比。

差動(dòng)保護(hù)最小啟動(dòng)電流,即差流門(mén)檻定值Icdqd,按正常發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷時(shí)的最大不平衡電流整定,包括因全光纖電流互感器轉(zhuǎn)換延時(shí)造成的差動(dòng)電流,其表達(dá)式為

Icdqd≥Krel(Ker+Δm)Ign

(4)

式中：Krel為可靠系數(shù),取1.5～2.0;Ker為電流互感器綜合誤差,取0.2;Δm為裝置通道調(diào)整誤差引起的不平衡電流系數(shù),取0.02。

發(fā)電機(jī)短路容量遠(yuǎn)大于標(biāo)稱(chēng)容量,Krel取上限值2.0,可得差流門(mén)檻定值Icdqd≥0.44Ign;拐點(diǎn)電流Ir1=(0.7～1.0)Ign;差動(dòng)速斷電流Icdsd=(3～5)Ign;比率制動(dòng)系數(shù)K取值范圍為0.5～0.7,在此可取值為0.6,保護(hù)類(lèi)型和動(dòng)作方案如表1所示。

表1 保護(hù)類(lèi)型和動(dòng)作方案

3.3 定子過(guò)壓、過(guò)負(fù)荷保護(hù)配置及整定方案

定子過(guò)負(fù)荷保護(hù)用三相電流互感器同樣采用全光纖電流互感器,分為定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)和反時(shí)限過(guò)流保護(hù)2部分組成。

a.定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)

由于沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組主要用于進(jìn)行短路故障試驗(yàn),短路容量遠(yuǎn)大于標(biāo)稱(chēng)容量,因此整定值不再按發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許的條件整定,而是根據(jù)短路故障試驗(yàn)條件整定,可根據(jù)具體試驗(yàn)條件修改。

b.反時(shí)限過(guò)流保護(hù)

反時(shí)限過(guò)流保護(hù)上限電流Iup按機(jī)端金屬性三相短路條件整定：

(5)

反時(shí)限動(dòng)作特性的下限電流Idn按與過(guò)負(fù)荷保護(hù)配合的條件整定：

(6)

式中：Kco為配合系數(shù),取1.0～1.05。

根據(jù)發(fā)電機(jī)廠家提供的參數(shù)可得出反時(shí)限相應(yīng)整定值,同時(shí)還要考慮試驗(yàn)回路耐受電流條件,綜合設(shè)定保護(hù)定值。定子過(guò)壓保護(hù)用機(jī)端三相電壓互感器采用電磁式,一次側(cè)/二次側(cè)采用Y/Yn接法。

3.4 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)配置及整定方案

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)由微機(jī)保護(hù)裝置和安裝在勵(lì)磁柜內(nèi)的電流互感器組成,如圖7所示,微機(jī)保護(hù)裝置引入轉(zhuǎn)子繞組直流電壓、直流電流、轉(zhuǎn)子大軸和接地信號(hào),通過(guò)內(nèi)部判斷程序(乒乓原理)實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子繞組接地阻值。當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地后進(jìn)入普通段報(bào)警動(dòng)作,經(jīng)過(guò)內(nèi)部延時(shí)后自動(dòng)投入2點(diǎn)接地保護(hù)程序,若此后再次發(fā)生轉(zhuǎn)子接地故障,測(cè)得接地位置將發(fā)生變化,裝置判定轉(zhuǎn)子出現(xiàn)2點(diǎn)接地故障。

圖7 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)接線示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合大容量沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)組特點(diǎn),設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足沖擊短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)要求的繼電保護(hù)方案。方案采用全光纖電流互感器作為發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)用電流互感器,避免了常規(guī)電磁式電流互感器體積大、暫態(tài)性能不足、容易磁飽和等缺點(diǎn),使用定制模擬量輸出的信號(hào)處理單元,無(wú)需合并單元等中間環(huán)節(jié),減少了信號(hào)延遲,提高了測(cè)量準(zhǔn)確性和抗干擾能力。