發(fā)電廠發(fā)變組保護(hù)整定計(jì)算問題分析及解決方案

王曉凱，文 博，杜鎮(zhèn)安，陳 堃，黎恒烜

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

發(fā)電機(jī)變壓器組（以后簡(jiǎn)稱為發(fā)變組）繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中非常重要的裝置，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而發(fā)變組保護(hù)整定計(jì)算的正確與否直接關(guān)系到繼電保護(hù)裝置能否正確發(fā)揮作用，從而防止事故擴(kuò)大。

目前發(fā)變組保護(hù)整定計(jì)算主要依據(jù)文獻(xiàn)[1]進(jìn)行整定，但在工程實(shí)際中，由于文獻(xiàn)[1]對(duì)有些保護(hù)整定未做出詳細(xì)的解釋，因此在整定計(jì)算時(shí)，容易在定值選擇方面出現(xiàn)問題，如發(fā)電機(jī)基波零序電壓保護(hù)、斷路器閃絡(luò)保護(hù)、主變差動(dòng)保護(hù)等；本文針對(duì)這三種保護(hù)在整定計(jì)算中出現(xiàn)的問題，提出整定計(jì)算的改進(jìn)方案，并通過某典型火電廠的發(fā)變組實(shí)際參數(shù)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

1 發(fā)變組相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)

本文以某新建火電廠的燃-汽循環(huán)機(jī)組的汽輪發(fā)變組為代表，對(duì)整定計(jì)算過程中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和驗(yàn)證。燃-汽循環(huán)機(jī)組典型的發(fā)變組電氣主接線圖如圖1所示。由圖1可知，主變壓器與發(fā)電機(jī)之間無發(fā)電機(jī)出口斷路器，由封閉母線連接。

圖1 電氣主接線圖Fig.1 Electric main wiring diagram

該電廠汽輪發(fā)電機(jī)通過汽機(jī)主變壓器升壓并入220 kV母線。發(fā)變組基本參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)額定容量為74.1 MV·A，額定功率63 MW，定子額定電壓10.5 kV，定子額定電流4 074 A，直軸超瞬變電抗為0.159 55，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)綜合對(duì)地電容為0.36 μF，中性點(diǎn)接地變變比為10.5 kV/0.22 kV，阻值為0.48 Ω。

主變壓器額定容量為80 MV·A，額定電壓為(242±2×2.5%)/10.5 kV，額定電流為 190.8 A/4 398.9 A，短路阻抗百分比為13.92%，連接組標(biāo)號(hào)為YNd11。

電流互感器采用5P型號(hào)的電流互感器，其中主變高壓側(cè)的TA變比為1 250 A/1 A。

2 發(fā)變組保護(hù)整定計(jì)算問題分析及解決方案

2.1 發(fā)電機(jī)基波零序電壓保護(hù)

發(fā)電機(jī)基波零序電壓保護(hù)定值可設(shè)低定值段和高定值段[1,3]，低定值段的動(dòng)作電壓U0.op需躲過正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡基波零序電壓U0.max整定，一般取5～10 V。而對(duì)于該保護(hù)的延時(shí)，需要校核系統(tǒng)高壓側(cè)接地短路時(shí)，傳遞到發(fā)電機(jī)機(jī)端的零序電壓Ug0的大小。文獻(xiàn)[1]指出：動(dòng)作電壓若已躲過主變壓器高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，在可能的情況下延時(shí)應(yīng)盡量取短，可取0.3～1.0 s；動(dòng)作電壓若低于主變高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，延時(shí)應(yīng)與高壓側(cè)接地保護(hù)配合。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]給定的整定規(guī)則，該電廠的基波零序電壓低定值段的定值與主變高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓有關(guān)，經(jīng)計(jì)算可得，主變高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓為5.29 V，根據(jù)文獻(xiàn)[3]可得，要躲過該電壓，定值需大于該電壓的1.3倍，即6.88 V。因此，定值的取值有兩種：動(dòng)作電壓低于6.88 V，延時(shí)取4 s（高壓側(cè)接地保護(hù)3.5 s）；動(dòng)作電壓高于6.88 V，延時(shí)取0.3 s。

對(duì)定值的取值情況進(jìn)行分析：

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，該定值是在接地變額定二次電壓為100 V的情況下獲得的，而實(shí)際情況下，接地變的變比為10.5 kV/0.22 kV，一般通過分壓繞組獲得100 V的二次電壓，但是實(shí)際情況下，有些電廠發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變未接入分壓繞組，此時(shí)定值不再滿足要求。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，對(duì)單相接地電流進(jìn)行計(jì)算，假定發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)α位置發(fā)生單相金屬性短路，則單相接地電容電流為2.06α A，單相接地電阻性電流為5.54α A；則單相接地短路電流為5.91α A。

因此不同接地點(diǎn)的單相接地短路電流如表1所示。

表1 不同接地點(diǎn)時(shí)的短路電流Tab.1 Short-circuit current on different earth-fault location

由表1可知，當(dāng)α＞50%時(shí)，短路電流就接近3 A（定子繞組單相接地允許電流值），當(dāng)接地點(diǎn)在發(fā)電機(jī)出口附近時(shí)，短路電流將近接地短路電流允許值的2倍，而低定值段延時(shí)4 s在發(fā)電機(jī)出口附近短路導(dǎo)致短路電流大于定子繞組單相接地短路允許電流值時(shí)，切除故障過慢，很容易導(dǎo)致單相接地故障發(fā)展為相間故障，影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，如果只縮短延時(shí)又會(huì)導(dǎo)致因不能躲過主變壓器高壓側(cè)接地保護(hù)延時(shí)而導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)。而此時(shí)如果動(dòng)作電壓整定值以躲過主變壓器高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓進(jìn)行整定，則可以有效解決上述問題。

因此綜合考慮，對(duì)發(fā)電機(jī)基波零序電壓保護(hù)在整定計(jì)算過程中，應(yīng)該進(jìn)行以下的該進(jìn)方案：確定中性點(diǎn)接地變壓器的分壓情況，以確定實(shí)際二次變比，再按照文獻(xiàn)[1]給定的整定規(guī)則進(jìn)行低定值段的動(dòng)作電壓的整定；計(jì)算主變高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，并增加一定的靈敏度系數(shù)；比較兩者大小，若動(dòng)作電壓高于主變高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，則保護(hù)定值正確；若動(dòng)作電壓低于主變高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，需驗(yàn)證中性點(diǎn)單相接地故障時(shí)不同接地點(diǎn)的短路電流是否小于定子繞組單相接地允許電流值，若滿足，則保護(hù)定值整定無缺陷，若不滿足，整定值以躲過主變高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓為準(zhǔn)，延時(shí)取0.3 s。

2.2 斷路器閃絡(luò)保護(hù)

文獻(xiàn)[1]指出：發(fā)變組接入220 kV以上系統(tǒng)時(shí)應(yīng)配置高壓側(cè)斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)，斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)動(dòng)作的條件是斷路器處于斷開位置但有負(fù)序電流出現(xiàn)。對(duì)本電廠的斷路器閃絡(luò)保護(hù)定值進(jìn)行整定，可得

式中：ITN=190.8 A為主變高壓側(cè)額定電流；nTN=1 250 A/1 A為主變高壓側(cè)CT變比。

文獻(xiàn)[1]第3.11節(jié)指出：電流整定值應(yīng)高于微機(jī)保護(hù)的最小采樣精度(0.05In)，而保護(hù)定值不滿足要求，在實(shí)際工程中，如果互感器選型不當(dāng)，很容易導(dǎo)致此類問題，給整定計(jì)算帶來困難。

此時(shí)需要考慮其他的保護(hù)判據(jù)來取代負(fù)序電流判據(jù)，采用斷路器閃絡(luò)相電流保護(hù)，按照躲過發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的最大負(fù)荷電流整定[3-4]，可得動(dòng)作電流0.20 A。對(duì)該定值進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器與電網(wǎng)并列的過程中，當(dāng)發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)與系統(tǒng)電動(dòng)勢(shì)間相角差接近180°，高壓斷路器觸頭間有兩倍額定電壓，可能發(fā)生單相閃絡(luò)，相當(dāng)于是兩相斷線。以這種情況下的短路電流值進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。

根據(jù)已知參數(shù)以及文獻(xiàn)[2]給定的計(jì)算過程，對(duì)斷線處各序阻抗進(jìn)行計(jì)算可得：基準(zhǔn)容量為100 MV·A，斷線處正序阻抗為0.517 6；斷路器負(fù)序阻抗為0.542 7；斷路器零序阻抗為0.344 5。

可得斷口處電流為[2]

式中：Ukk=2為斷口處電壓標(biāo)幺值；UB=242 kV。

靈敏度計(jì)算公式為[1,3-6]

校驗(yàn)結(jié)果滿足靈敏度要求，該定值滿足要求，可以投入使用。因此，在實(shí)際情況下，當(dāng)斷路器閃絡(luò)保護(hù)因負(fù)序電流定值因互感器型號(hào)等問題導(dǎo)致不滿足文獻(xiàn)[1]要求時(shí)，可以考慮采用斷路器閃絡(luò)相電流定值來作為保護(hù)動(dòng)作的條件，此時(shí)應(yīng)將負(fù)序電流定值設(shè)為最大值，防止保護(hù)誤動(dòng)作。

2.3 主變差動(dòng)保護(hù)

根據(jù)文獻(xiàn)[1,3-6]，差動(dòng)速斷保護(hù)的整定值應(yīng)按照躲過變壓器可能產(chǎn)生的最大勵(lì)磁涌流或外部短路最大不平衡電流整定，對(duì)于容量為6.4～31.5 MV·A的變壓器，一般取變壓器額定電壓的4.5～7.0倍。此取值范圍比較寬泛，容易導(dǎo)致因取值不當(dāng)而造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，在目前的整定計(jì)算中，一般選擇5～6倍的額定電流[3-4]。

假設(shè)當(dāng)該電廠主變低壓側(cè)靠近發(fā)電機(jī)機(jī)端處發(fā)生三相金屬性短路故障，高壓側(cè)CT完全飽和，差動(dòng)回路中僅有低壓側(cè)電流，此時(shí)短路電流為5.88In(In為變壓器額定電流)。

此時(shí)，如果差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作電流取(5～6)In，將容易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，因此在整定計(jì)算中對(duì)于差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作電流的取值，不應(yīng)按照文獻(xiàn)[1]給定的范圍進(jìn)行簡(jiǎn)單的取值，需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證以確保保護(hù)不拒動(dòng)，不誤動(dòng)。

同樣以該電廠為例，對(duì)比率差動(dòng)靈敏度校驗(yàn)的問題進(jìn)行進(jìn)一步的分析，文獻(xiàn)[1,3-6]指出，比率差動(dòng)靈敏度的校驗(yàn)應(yīng)按照最小運(yùn)行方式下差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)變壓器引出線上兩相金屬性短路計(jì)算。

在實(shí)際整定計(jì)算中，對(duì)于發(fā)電廠來說，一般采用發(fā)變組未并網(wǎng)時(shí)主變高壓側(cè)發(fā)生兩相金屬性短路故障的情況來校驗(yàn)，發(fā)變組未并網(wǎng)時(shí)主變高壓側(cè)發(fā)生兩相金屬性短路故障電流為[2]

式中：XG、X2為發(fā)電機(jī)正序、負(fù)序阻抗標(biāo)幺值；XT為主變壓器阻抗標(biāo)幺值。

但是由于發(fā)電廠主變壓器有多種運(yùn)行工況，如在最小運(yùn)行方式下主變倒充過程中10.5 kV側(cè)封閉母線發(fā)生兩相金屬性短路故障時(shí)，此時(shí)短路電流為[2]

式中：Xs為最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)側(cè)正序阻抗標(biāo)幺值，Xs2為最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)側(cè)負(fù)序阻抗標(biāo)幺值。

而如果發(fā)電廠系統(tǒng)側(cè)正序負(fù)序阻抗之和大于發(fā)電機(jī)正序負(fù)序阻抗之和，此時(shí)Ik2＜Ik1，使用Ik1進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)不再滿足要求，需要使用Ik2進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。

因此，對(duì)發(fā)電廠主變進(jìn)行比率差動(dòng)靈敏校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)發(fā)變組未并網(wǎng)時(shí)主變高壓側(cè)發(fā)生兩相金屬性短路故障電流與最小運(yùn)行方式下主變倒充過程中低壓側(cè)封閉母線發(fā)生兩相金屬性短路故障電流進(jìn)行比較，取更小的電流值進(jìn)行靈敏度的校驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過結(jié)合發(fā)電廠發(fā)變組保護(hù)的整定計(jì)算導(dǎo)則，對(duì)整定計(jì)算中發(fā)電機(jī)基波零序電壓保護(hù)、斷路器閃絡(luò)保護(hù)、主變差動(dòng)保護(hù)以及主變后備保護(hù)容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并給出了合理的解決方案，以某典型的火電廠發(fā)變組參數(shù)為例，進(jìn)行分析計(jì)算和驗(yàn)證，證明了方案的正確性，具有一定的工程價(jià)值。本研究主要有以下幾個(gè)方面的意義：優(yōu)化了基波零序電壓保護(hù)的整定原則，在保證保護(hù)不誤動(dòng)、不拒動(dòng)的基礎(chǔ)上，大大減少了故障切除時(shí)間；提出了當(dāng)斷路器閃絡(luò)負(fù)序電流保護(hù)整定值不滿足要求時(shí)，采用斷路器閃絡(luò)相電流定值來作為保護(hù)動(dòng)作的條件，保證了保護(hù)功能的完整性；明確了主變差動(dòng)速斷保護(hù)和主變比率差動(dòng)靈敏度校驗(yàn)的取值原則，避免了簡(jiǎn)單遵循導(dǎo)則進(jìn)行取值而造成的保護(hù)取值缺陷問題。

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