发电机、变压器保护配置问题的探讨

232003 年第 2 期 浙江电力 讨论与建议 发电机、变压器保护配置问题的探讨 Investigation on Disposing of Generator Protection and Transformer Protection 摘要 : 文章对在配置变压器、发电机等主设备保护时遇到的问题如发电机的失磁保护、匝间保护、变压 器的零序保护、非全相保护、失灵保护进行了 , 并提出了改进。并对变压器保护、发电机保护 组屏提出了要求。 关键词 : 主设备 ; 保护 ; 配置 ; 建议 中图分类号 : TM772 文献标识码 : B 文章编号 : 1007 - 1881(2003) 02 - 0023 - 03 裘愉涛 1 , 梁海宁 2 (1. 浙江省电力调度通信中心 , 浙江 杭州 310007 ; 2. 杭州半山发电有限公司 , 浙江 杭州 310015) 发电机和变压器是电力系统中的重要设备 , 相 应保护的配置直接关系到这些设备的安全和电力系 统的稳定 , 根据浙江电网的运行情况 , 对微机型发 变组保护的配置作一些分析 , 并提出了改进方案。 1 发电机失磁保护 发电机失磁是常见的故障形式。特别是大型 机组励磁系统的环节多 , 增加了发生低励或失磁 的机会。发电机低励或失磁后 , 将过渡到异步运 行 , 转子出现转差 , 定子电流增大 , 定子电压下 降 , 有功功率下降 , 无功功率反向 (原为过励磁运 行时) 增大 ; 在转子回路中出现差频电流 , 电力系 统的电压下降及某些电源支路过电流。所有这些 电气量的变化 , 都伴有一定程度的摆动 , 在一定 条件下 , 将破坏电力系统的稳定运行 , 威胁发电 机本身的安全。 从故障特性分析 , 构成失磁保护的主判据 : 系统侧主判据为高压母线三相同时低电压 , 以防 止机组失磁时引发无功储备不足的系统电压崩溃 ; 发电机侧主判据为异步边界阻抗 (静稳极限阻抗) 。 辅助判据 : 负序电压 (电流)元件 , 当机组发生失磁 时 , 不存在负序电压 (电流) , 只有发生不对称故障 时 , 负序电压 (电流)元件动作 , 闭锁失磁保护 ; 无 功功率方向 , 当机组失磁时 , 无功反向 , 朝向机 组 , 目前作为无功调节手段要求机组能无功进相 运行 , 因此该判据已不适用。转子低电压元件 (包 括定励磁低电压判据和变励磁电压判据) , 该元件 是比较好的判据 , 除自保护装设点到发电机励磁绕 组这一区域开路引起的失磁外 , 该元件都能够正确 动作 [1 ]。失磁保护的逻辑如图 1 所示。 系统侧三相低电压动作与励磁低电压经 T3 短 延时出口 ; 异步边界阻抗 (静稳极限阻抗) 动作与 励磁低电压经 T1 延时发信 , T2 延时出口 ; 为防止 励磁绕组开焊时励磁低电压元件拒动 , 设置阻抗 经 ( T1 + T) 延时发信 , ( T2 + T) 长延时出口。 随着系统容量的不断增大及网架结构的增 强 , 系统的无功储备也增强了很多 , 而且快速微 机励磁调节器也在系统中大量使用。这样 , 对于 几个并联连接的发电机 , 当某台发电机失磁期 图 1 发电机失磁保护逻辑图 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 24 2003 年第 2 期浙江电力 间 , 系统电压变化较小 , 系统侧三相低电压可能 拒动 ; 但是一机失磁故障可能使故障机组的机端 电压过低 , 危及厂用辅机的正常工作 , 为此失磁 保护的三相现时低电压可以接在机端。 300 MW及以上的大型汽轮机发电机普遍采用 无刷励磁方式 , 而无刷励磁发电机转子电压不直 接引出 , 因此励磁低电压判据不适合于无刷励磁 发电机的失磁保护。则失磁保护的逻辑可改为图 2 所示。 发电机机端三相同时低电压与异步边界阻抗 (静稳极限阻抗) 动作经 T1 延时发信 , T2 延时出 口 ; 闭锁条件为 PT断线或负序电压元件动作。 2 发电机定子匝间短路保护 条件允许的情况下优先采用横差保护 , 一般 采用纵向零序电压继电器 (三次谐波电压滤过比大 于 80) + 负序方向继电器 + PT断线闭锁。保护宜 延时 50～100 ms 动作于全停。 纵向零序电压型匝间保护的主判据是纵向零 序电压的基波分量 , 纵向零序电压取自专用电压 互感器的三角开口电压回路 , 电压互感器一次侧 的中性点与发电机中性点直接连接 (通过高压电 缆) 而不能直接接地。当发电机内部或外部发生单 相接地故障时 , 即使发电机的中性点电位升高 , 三相对中性点的电压仍然完全对称 , 开口三角输 出电压仍等于 0。只有当发电机内部发生匝间短 路或者发生对中性点不对称的各种相间短路时 , 电压互感器三相对中性点的电压不再平衡 , 开口 三角才有电压输出。 对于单元接线的发变组 , 主变的接线多为 Y/ Δ型 , 即发电机侧为小电流系统。用对称分量法 分析 , 在变压器高压侧发生各种故障时 , 均不会 出现纵向零序电压。实际上当主变高压侧发生单 相接地故障时 , 发电机只有两相中流过故障电 流。但是发电机三相参数不可能完全对称 , 在短 路时的暂态过程中 , 电枢反应及漏磁通的影响 , 使得三相电压对中性点的不对称增大 , 产生较大 的纵向零序电压。为提高零序电压型匝间保护的 动作可靠性 , 应有负序功率方向闭锁元件 , 且适 当提高零序电压动作值。 负序功率方向元件 P2 的动作方向有 2 种方 式。当 P2 动作方向指向发电机时 , 即 P2 常开接点 与纵向零序电压元件的常开接点组成“与门”出 口。发电机正常运行时 , 由于外部系统的不对称 , 存在流向发电机的负序功率 , 使发电机内部轻微故 障时负序功率方向保护拒动 , 因此这种保护方案的 灵敏度不高。当 P2 动作方向指向系统时 , 即 P2 常 闭接点与纵向零序电压元件的常开接点组成“与 门”出口。这种方式能在发电机内部故障时 , 匝间 保护可靠动作。而在外部故障时 , P2 元件常闭接 点立刻断开 , 断开的速度应比零序电压元件接点闭 合快 , 同时 P2 返回应慢于零序电压元件。 外部三相对称短路时 , 出现的纵向不平衡电 压可能使零序电压元件动作 , 一旦采用 P2 元件采 用常闭接点时它将保持闭合 , 保护误动作。因此 我省原有的整流型、集成电路型保护采用的是第 一种方案。采用微机保护后 , 它可以将三相短路 开始瞬间不对称负序分量记忆住 , 保证 P2 正确断 开常闭接点 , 因此采用上述的第二种方案。 3 变压器零序保护 3. 1 分级绝缘且中性点装放电间隙的升压双 圈变压器 中性点装放电间隙的分级绝缘变压器 , 装设 两段式零序电流保护和反映零序电压、间隙放电 电流的零序电流电压保护。零序电流接到中性点 引出线的电流互感器上。放电间隙零序电流接到 放电间隙的电流互感器上。 零序电流 Ⅰ、Ⅱ段 : 以较短时限动作于断开 220 kV 母联断路器 , 以较长时限解列灭磁。 零序电流 (在中性点接地闸刀断开时投入) 电 压保护 : 经 0. 3～0. 5 s 时限解列灭磁。 对于大型发变组单元接线 (如北仑电厂) , 为 防止机组过电压 , 发电机制造商会要求主变中性 点接地运行。 3. 2 升压三圈变压器 图 2 无刷励磁发电机失磁保护逻辑图 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 252003 年第 2 期 浙江电力 图 3 非全相保护判别回路动作逻辑图 全绝缘变压器 , 装设两段零序电流保护和零 序电压保护。系统接地故障 , 先切除中性点接地 的变压器 , 后切除中性点不接地的变压器。零序 电流接到中性点引出线的电流互感器上。 中性点装放电间隙的分级绝缘变压器 , 装设 两段式零序电流保护和反映零序电压和间隙放电 电流的零序电流电压保护。零序电流接到中性点 引出线的电流互感器上 , 放电间隙零序电流接到 放电间隙的电流互感器上。 零序电流 Ⅰ段 : 以较短时限动作断开 220 kV 母联断路器 , 以较长时限动作断开本侧断路器 : 零序电流 Ⅱ段 : 以较短时限动作断开本侧断 路器 , 以较长时限动作断开变压器各侧断路器并 灭磁。 零序电压保护经 0. 3～0. 5 s 时限动作断开变 压器各侧断路器并灭磁。 零序电流 (在中性点接地闸刀断开时投入) 电 压保护经 0. 3～0. 5 s 时限动作断开变压器各侧断 路器并灭磁。 4 发电机非全相运行保护 大型发电机变压器组装设非全相运行保护 , 主要考虑到主变高压侧采用分相操作的断路器 , 开关存在非全相运行的问题。发生非全相运行 后 , 将有负序电流流过发电机 , 如果此时靠反应 负序电流的反时限保护 , 则会由于动作时间过 长 , 使相邻线路对侧保护抢先动作 , 并使故障范 围扩大。基于以上原因 , 装设非全相运行保护。 由灵敏的负序电流、零序电流元件及非全相判别 回路组成 , 动作逻辑如下图 3。 图中 A52a、B52a、C52a 为发变组高压侧开关 三相辅助常开接点 , A52b、A52b、C52b 为发变组 高压侧开关三相辅助常闭接点。 当系统发生不对称故障 , 故障处的负序 (零 序) 电流流至发变组 , 当负序 (零序) 电流分量达到 整定值时 , 负序 (零序) 元件动作。对于发电机非 全相保护而言 , 仅属负序 (零序) 元件动作 , 对保 护本身及总出口无影响。当然可采取一定的措施 避免外部不对称故障造成负序 (零序) 元件动作 , 如加装方向元件等。但必要性不大。相反使得回 路复杂 , 可靠性势必降低。 5 发电机失灵保护 原有方案采用两组零序电流继电器构成判别 回路 , 若开关三相失灵时 , 判别回路将不能起 动 , 失灵保护拒动。在采用两组相电流元件构成 判别回路时 , 考虑发电机、变压器故障的特点 , 较难选择电流元件的定值。电流元件的定值较 大 , 在某些故障时 , 如匝间短路等 , 可能不能保 证电流元件的动作 , 判别回路不能起动 , 失灵保 护拒动 ; 而降低电流元件的定值 , 受条件限制 , 仍难保证任何故障时灵敏度 , 且相电流元件正常 处于动作状态 , 需要在主开关跳开时可靠返回 , 这就对此元件及相应接点提出了很高的要求。 发变组某些类型故障时 , 系统母线电压变化 不大。因此 , 原有方案对分相操作开关 , 要求采 用零序电流元件的动作接点解除复合电压闭锁 , 以保证此时失灵保护的动作。但对三相操作开 关 , 就很难找到合适的解除电压闭锁的判据 , 如 果用相电流元件 , 正常运行时就可能解除了电压 闭锁 , 使电压闭锁起不到应有的作用 ; 如果用保 护动作接点 , 则在处理保护缺陷或部分保护校验 时 , 失灵保护的安全性又大为降低 ; 如果再增加 其它判据 , 回路又可能过于复杂。 综合上面的分析 , 可采用图 4 方案 , 结合了 零序方案和相电流方案的优点 , 同时增加了负序 电流元件判据。判别元件是由负序、零序、相电 流元件组成 , 其逻辑见图 4。 在负序、零序或相电流启动后 , “与”全停出 口接点及断路器辅助接点 , T1 去解除失灵保护复 合电压闭锁 , T2 去重跳本开关 , T3 去启动失灵。 6 发电机变压器保护的组屏 目前我省优先选用的发电机变压器保护主要 采用有多重保护功能的微机保护装置 , 即相同的 (下转第 67 页) © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 672003 年第 2 期 浙江电力 · · · · · 37. 8 kW , 改造后 4 组总损耗 28. 4 kW , 节能 9. 4 kW , 每年按 300 天 (7 200 h) 算 , 每年可节电 67 680 kW h。 按正常运行考虑 , 改造前投 6 组损耗 25. 2 kW , 改造后投 2 组损耗 14. 2 kW , 节能 10 kW , 每 年按 300 天 (7 200 h)算 , 每年可节电 72 000 kW h。 根据变电所的统计数据 , 通过对 2000 年和 2001 年的 3～12 月云山变电所用电量比较 (1 号主 变于 2001 年 3 月初改造) , 同比 10 个月下降了 48 019 kW h(2000 年 233 032 kW h , 2001 年 185 013 kW h) , 节能效果明显。 4 结束语 云山 1 号主变在冷却系统更新改造后 , 油的散 热量增大 , 上层油温也有了明显降低。并减少了渗 漏点和维护工作量 , 正常运行时只需 2 组冷却器工 作 , 降低了运行时的噪声和辅机损耗 , 延长了冷却 系统的使用寿命 , 达到了变压器冷却系统更新改造 的目的。 改造后的 220 kV 云山变供电量增加了近 100 MVA , 已多次承受满负荷甚至超载运行的考验 , 冷 却器工作正常 , 变压器运行情况及上层油温情况良 好 , 证明此次改造富有成效 , 确保了变压器持续、 可靠的运行。 收稿日期 : 2002 - 08 - 15 作者简介 : 赵寿生 (1970 - ) , 男 , 浙江金华人 , 工程师 , 从事 变压器专业技术管理工作。 图 4 断路器保护逻辑图 注 : ①断路器辅助接点 , 开关三相机械联动为开关的常开 接点 ; 开关机械分相操作为开关三相辅助接点并联。②全 停出口继电器接点 (非电量保护不起动此出口继电器) 。 [ 1] [ 2] (上接第 25 页) 硬件系统、模块化功能软件。用户选用相关保护 功能后 , 将功能软件写入装置。输入回路有条件 做到双重化的 , 尽量采用双重化保护。如台州电 厂用两套南瑞的 RCS - 985 发变组保护构成双重化 保护 , 镇海电厂用两套国电南自的 DGT- 801 发变 组保护构成双重化保护。 发电厂三圈升压变压器微机保护要求差动保 护和各侧后备保护均按双重化原则配置。其差动 保护的电流回路 (各侧后备保护的电流回路与同侧 的差动保护电流回路共用一组电流互感器) 接到对 应开关的电流互感器上。组屏原则一般按三块屏 布置 , 每套保护对应一块屏 , 失灵装置、非电量 保护与各组操作箱公用一块屏。 以前国内大多数的微机保护压板设置过于繁 多 , 严重影响了屏面布置的整体效果 , 也给调试 和运行带来诸多不便。出现这一现象的原因是在 微机保护运行中 , 过多借用常规保护的结 果。由于常规保护各功能由一些单独的元件构 成 , 这些功能元件硬件相互独立 , 需要一些压板 将它们分离。保护发展到微机处理的现阶段 , 各 单元由程序中的一个逻辑段来实现 , 在硬件上则 是一个整体 ; 因此 , 目前的压板应按以下方式设 置 : 运行中需要根据运行方式经常操作的功能 , 如差动、间隙保护 , 设置保护投退硬压板 ; 对不 同硬件单元间的连接 , 如保护与操作箱之间的出 口回路设置压板 ; 对保护调试检测需要经常操作 的固定功能 , 由控制字 (软压板) 进行投退设置。 参考文献 : 收稿日期 : 2002 - 08 - 29 作者简介 : 裘愉涛 (1967 - ) , 男 , 浙江嵊州人 , 高级工程师 , 本科 , 主要从事电力系统继电保护设备管理工作。 梁海宁 (1973 - ) , 男 , 浙江杭州人 , 工程师 , 从事发电厂 继电保护设备管理工作。 王维俭 . 电气主设备继电保护原理与应用[ M] , 北京 : 中国电力出版社 , 1996. DL/ T 684 - 1999. 大型发电机变压器继电保护整定计算 导则[ S] . © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.