大容量沖擊短路試驗發電機組繼電保護方案

丁錦華,苗本健,李賽賽,楊仁旭,郭向榮

(廣東產品質量監督檢驗研究院,廣東 廣州 510330)

0 引言

大容量實驗室的試驗電源通常有2種方式,一種由電網提供,另一種由沖擊短路發電機提供。如果電源由電網提供,大容量短路試驗時會對電網產生沖擊,影響電網運行安全。因此,大容量實驗室為避免試驗時對電網產生沖擊,通常采用沖擊短路發電機作為試驗電源,由于沖擊短路發電機價格昂貴,如果操作失誤或出現故障,會出現過電流或過電壓等情況,發電機損壞造成巨大經濟損失[1-2]。因此需要配置繼電保護裝置,在發電機出現故障時進行動作保護。

沖擊短路試驗發電機不同于常規火電廠發電機和水輪發電機,具有帶載運行時間短、有強勵磁功能、短路容量遠大于標稱容量、短路電流直流分量大等特點,常規發電機繼電保護方案需要做一定調整,且常規電磁式電流互感器具有體積大、暫態性能不足、容易磁飽和等特點,并不適合用作大容量沖擊短路試驗發電機保護電流互感器[3-4]。針對以上問題,本文通過描述沖擊短路試驗發電機的主要故障及相應繼電保護原理,分析了全光纖電流互感器特點,設計了適用于沖擊短路試驗發電機的繼電保護方案,并以額定容量100 MVA沖擊短路試驗發電機為例,詳細分析了全光纖電流互感器的發電機差動保護、定子過負荷保護、轉子接地保護參數整定方式。

1 發電機組主要故障類型

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、高電壓發電機定子繞組絕緣性能不足或機組運行對匝間絕緣造成磨損時,會造成繞組相間短路、匝間短路、繞組接地等故障隱患。當定子繞組出現以上故障時,產生電流相對較大,會導致鐵心發生局部融化現象[5-6];同時,該故障產生的不均勻磁場會使磁力作用大小不一,從而導致發電機組振動。

1.2 定子過壓、過負荷故障

當運行中的發電機突然甩掉負荷時,由于轉子旋轉速度增大及勵磁裝置動作等原因,發電機機端電壓將升高,至額定值的1.8～2倍,造成發電機絕緣受到損壞[6-7]。發電機過負荷的原因包括勵磁系統強勵和發電機輸出回路阻抗變小,雖然發電機具有一定過負荷能力,當出現輸出回路意外短路等情況,導致發電機定子電流增大超過定子繞組承受值,長時間過負荷會造成繞組溫度過高、絕緣擊穿,輕則縮短壽命,嚴重時可造成繞組短路、燒毀。

1.3 轉子接地故障

發電機轉子涉及勵磁系統和發電機轉子本身,多是由于絕緣問題造成發電機轉子接地故障。轉子1點接地在發電機故障中較為常見,接地后不會對轉子造成實際損傷;但如果發生2點接地,故障電流會由接地點經過鐵心構成回路,轉子將會因接地短路電流過大而面臨燒毀風險。同時轉子繞組部分被短路,會使轉子磁通分布不平衡,引起機組振動而損壞發電機[8-9]。

2 發電機組繼電保護原理

2.1 差動保護

發電機定子繞組故障一般采用差動保護方式,包括完全縱差保護、不完全縱差保護、裂相橫差保護等類型。通過引入機端電流互感器和中性點雙分支電流互感器的3組電流來完成發電機差動保護。發電機比率差動保護動作特性采用傳統二折線方式實現,如圖1所示。

圖1 差動保護動作特性

圖1中,Id為差動電流;Ir為制動電流;Icdqd為差流門檻定值;Icdsd為差動電流速斷定值;K為比率制動系數定值;Ir1為比率特性拐點制動電流整定值。

動作方程如下：

(1)

發電機差動速斷保護采用分相差動邏輯,該保護為加速切除嚴重區內故障而設定,為避免機組非同期合閘時的最大不平衡電流,其整定值一般為3～4倍額定電流。

2.2 定子過壓、過負荷保護

發電機定子過壓保護反映于發電機各種故障情況下引起的定子過電壓,取發電機機端電壓互感器的三相線電壓最大值Umax,可Umax設置兩段保護,當大于保護定值時動作。

發電機定子過負荷保護主要針對過負荷或外部故障引起的定子繞組過電流異常工況保護,反映定子繞組的平均發熱狀況,保護動作量取發電機機端最大相電流,由定時限過負荷和反時限過流2部分組成。定時限過負荷設1段跳閘保護,當三相電流最大值Imax大于定時限設定值Iop時進行動作保護;反時限過流按定子繞組允許的過流能力來整定,其動作特性,即過電流倍數與相應允許持續時間的關系為

(2)

式中：Ktc為定子繞組過負荷常數(以機組廠家提供參數為準);In為發電機定子二次額定電流Ign為基準的標幺值;Ign為發電機系統參數;t為持續時間;a為與定子繞組溫升特性和溫度裕度相關的散熱效應系數,一般整定值為0.01～0.02。

動作特性曲線由上限定時限、反時限、下限定時限3部分組成,定子過負荷反時限動作特性如圖2所示。

圖2 定子過負荷反時限動作特性

當發電機電流大于上限定值Iup時,則按上限定時限t3(最短延時)動作;當電流超過下限啟動值Idn,但又不足以使反時限部分動作時,則按下限定時限t4(最長延時)動作;電流在Idn和Iup之間時則按反時限曲線動作,設置三段保護,分別動作于不同斷路器。

2.3 發電機轉子接地保護(乒乓原理)

發電機轉子接地保護原理是通過計算轉子不同位置對地電阻值的變化來判定轉子是否接地及接地位置,主要分為非注入式和注入式2類。非注入式主要有乒乓式轉子接地保護,用于檢測發電機在運行狀態下接地故障,但在機組停機狀態下無法檢測轉子接地故障;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。無論發電機在停機還是運行狀態都能正常發揮保護作用,且靈敏度不受運行狀態影響,能最大限度保護發電機安全。

乒乓式開關切換原理通過求解2個不同的接地回路方程,實際計算轉子接地電阻和接地位置,如圖3所示。其中,S1、S2為微機控制的靜態聯動電子斷路器;Rf為轉子繞組接地電阻;a為接地點位置;E為轉子勵磁直流電動勢。當S1閉合、S2斷開時,可測得E2和R1上的電壓U1;當S1斷開,S2閉合時,可測得E2和R1上電壓U2,由這2種狀態列回路方程可求得接地電阻Rf和接地位置a的值。

圖3 轉子1點接地保護原理

轉子1點接地判據為Rf小于等于保護定制Rfset。由于勵磁電壓很小時,不可能正確計算Rf和a的值,因此可以設定,當E小于30 V時閉鎖判據。轉子1點接地保護設2段動作值,Ⅰ段靈敏段動作于報警,Ⅱ段普通段可由控制字選擇動作信號或者跳閘。

3 發電機組繼電保護系統方案

本文以額定容量100 MVA沖擊短路試驗發電機組為工程案例來研究發電機組差動保護、過壓過流保護、轉子接地保護配置方案。發電機額定電壓為12 kV,選用PRS-785A3型微機成套保護裝置,發電機組繼電保護系統如圖4所示。

圖4 大容量沖擊短路試驗發電機組繼電保護框圖

3.1 保護用電流互感器配置及整定方案

由于大容量沖擊短路試驗發電機組的一次時間常數較大,對暫態性能要求較高,普通電磁式電流互感器無法滿足要求,且短路時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、保護裝置誤動作,因此選用全光纖電流互感器作為差動保護和過負荷保護電流互感器[10-11]。全光纖電流互感器基于法拉第磁光效應及安培環路定理,通過干涉儀精密測量及閉環控制技術,準確測量Faraday旋光角,從而測量一次電流[12-13]。其具有體積小、重量輕、無磁飽和及鐵磁諧振、動態范圍大、低頻傳變特性好、可數字量或模擬量輸出、安全且綠色環保等優點,且傳感部分為無源光纜,抗電磁干擾能力強[14],更能適應發電機組保護需求,如圖5所示。通過定制模擬量輸出的信號處理單元,無需經過合并單元,直接與保護裝置相連,提高了測量精度和抗干擾能力。

圖5 全光纖電流互感器結構

3.2 差動保護配置及整定方案

差動保護用機端三相電流互感器和中性點三相電流互感器均為全光纖電流互感器,如圖6所示,全程測量精度為0.2級,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換時間不同,造成各相存在差動電流,會對差動保護準確性造成影響[15]。為避免此種情況,6臺光纖電流互感器轉換通道采用同一時鐘,每通道時鐘差最大為20 ns,兩通道之間轉換時間最大差值為100 ns,對應電流角度差為0.02°,時鐘差引起的差動電流可忽略不計。各通道轉換延長時間最大為50 μs,對應電流角度差為0.9°,轉換延時引起的差動電流為0.016倍短路電流。

圖6 發電機機端三相電流互感器

差動保護參數設置依據文獻[7],發電機二次額定電流Ign表達式為

(3)

式中：PN為發電機額定功率;UN為發電機額定相電壓;IGN為發電機一次額定電流;Ign為發電機二次額定電流;cosφ為發電機額定功率因數;nɑ為全光纖電流互感器變比。

差動保護最小啟動電流,即差流門檻定值Icdqd,按正常發電機額定負荷時的最大不平衡電流整定,包括因全光纖電流互感器轉換延時造成的差動電流,其表達式為

Icdqd≥Krel(Ker+Δm)Ign

(4)

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

發電機短路容量遠大于標稱容量,Krel取上限值2.0,可得差流門檻定值Icdqd≥0.44Ign;拐點電流Ir1=(0.7～1.0)Ign;差動速斷電流Icdsd=(3～5)Ign;比率制動系數K取值范圍為0.5～0.7,在此可取值為0.6,保護類型和動作方案如表1所示。

表1 保護類型和動作方案

3.3 定子過壓、過負荷保護配置及整定方案

定子過負荷保護用三相電流互感器同樣采用全光纖電流互感器,分為定時限過負荷保護和反時限過流保護2部分組成。

a.定時限過負荷保護

由于沖擊短路試驗發電機組主要用于進行短路故障試驗,短路容量遠大于標稱容量,因此整定值不再按發電機長期允許的條件整定,而是根據短路故障試驗條件整定,可根據具體試驗條件修改。

b.反時限過流保護

反時限過流保護上限電流Iup按機端金屬性三相短路條件整定：

(5)

反時限動作特性的下限電流Idn按與過負荷保護配合的條件整定：

(6)

式中：Kco為配合系數,取1.0～1.05。

根據發電機廠家提供的參數可得出反時限相應整定值,同時還要考慮試驗回路耐受電流條件,綜合設定保護定值。定子過壓保護用機端三相電壓互感器采用電磁式,一次側/二次側采用Y/Yn接法。

3.4 轉子接地保護配置及整定方案

發電機轉子接地保護由微機保護裝置和安裝在勵磁柜內的電流互感器組成,如圖7所示,微機保護裝置引入轉子繞組直流電壓、直流電流、轉子大軸和接地信號,通過內部判斷程序(乒乓原理)實時檢測轉子繞組接地阻值。當檢測到轉子1點接地后進入普通段報警動作,經過內部延時后自動投入2點接地保護程序,若此后再次發生轉子接地故障,測得接地位置將發生變化,裝置判定轉子出現2點接地故障。

圖7 轉子接地保護接線示意圖

4 結語

本文結合大容量沖擊短路試驗發電機組特點,設計了滿足沖擊短路試驗發電機要求的繼電保護方案。方案采用全光纖電流互感器作為發電機差動保護、過負荷保護用電流互感器,避免了常規電磁式電流互感器體積大、暫態性能不足、容易磁飽和等缺點,使用定制模擬量輸出的信號處理單元,無需合并單元等中間環節,減少了信號延遲,提高了測量準確性和抗干擾能力。