淺談發(fā)電機比率制動縱差保護的定值整定與校驗方法

楊大朋

（中廣核能源開發(fā)有限責(zé)任公司成都分公司，四川成都610091）

淺談發(fā)電機比率制動縱差保護的定值整定與校驗方法

楊大朋

（中廣核能源開發(fā)有限責(zé)任公司成都分公司，四川成都610091）

發(fā)電機比率制動縱差保護是在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生相間短路故障時能可靠動作切除故障點的主保護，保護定值的科學(xué)整定計算和校驗是確保保護在發(fā)電機內(nèi)部故障時能可靠、靈敏動作，在發(fā)電機外部故障不產(chǎn)生誤動作的核心內(nèi)容。在保護的定值整定計算中，必須結(jié)合保護的工作原理，嚴格按導(dǎo)則進行科學(xué)計算分析，對拐點最小動作電流、最小制動電流、制動系數(shù)、最大動作電流進行正確整定，才使保護擁有符合設(shè)計要求的功能。在保護的定值校驗中，通過對保護動作特性進行換算研究，按規(guī)程對比率縱差保護的最小動作電流定值、A、B、C點間特性曲線、差動速斷定值進行校驗，準(zhǔn)確校驗保護在動作邊界的動作結(jié)果，最終達到對保護在動作區(qū)、制動區(qū)、差動速斷動作區(qū)的完整校驗。

發(fā)電機；縱差保護；定值整定計算；定值校驗

1 引言

發(fā)電機比率制動縱差保護是發(fā)電機的主保護，保護定值的正確整定和校驗是確保保護在發(fā)電機內(nèi)部故障時快速、靈敏動作，在發(fā)電機外部故障不產(chǎn)生動作的核心內(nèi)容。近年來，隨著比率差動保護采用微機保護裝置實現(xiàn)了集成化、模塊化、智能化，保護的選擇性、可靠性、靈敏性、速動性均達到較大的提高，保護裝置廠家也對保護的整定范圍給予了通用性說明，如何結(jié)合保護的工作原理，按照導(dǎo)則對保護進行符合保護對象實際情況的計算分析與整定，顯得尤為重要。同時，如何通過對保護動作特性進行換算研究，正確的進行保護校驗，是全面檢驗保護在發(fā)電機內(nèi)部相間短路故障和外部相間短路故障時所擁有的功能特性的重要手段。圍繞著這一系列的課題，結(jié)合筆者在繼電保護工作實踐中的探索與分析，本文以兩折線比率制動縱差保護的定值整定與校驗為例作一淺談?wù)撌?，不足之處也請各位專家、讀者予以指正。

2 發(fā)電機比率制動縱差保護的定值整定與校驗

2.1 發(fā)電機比率制動縱差保護的作用及保護范圍

發(fā)電機比率制動縱差保護簡稱比率縱差保護，是一種比較發(fā)電機兩端電流大小和方向的保護，它能很靈敏的反應(yīng)并切除發(fā)電機繞組及引出線兩相或三相相間短路故障，不反應(yīng)定子繞組匝間短路，是發(fā)電機相間短路的主保護。保護范圍為發(fā)電機中性點與機端兩組用于保護測量用的電流互感器之間的相間短路故障。

將發(fā)電機兩端流過方向相同、大小相等的電流稱為穿越性電流，而方向相反的電流稱為非穿越性電流。作為主保護，發(fā)電機比率制動縱差保護是以非穿越性電流作為動作量，以穿越性電流作為制動量，來區(qū)分被保護發(fā)電機的正常狀態(tài)、故障狀態(tài)和非正常狀態(tài)的。

縱差保護的比率制動原理（圖1）是傳統(tǒng)保護原理在數(shù)字保護上的改進。它由二部分組成：無制動部分和比率制動部分，它具有較高的靈敏度和抗TA飽和的能力。正常運行狀態(tài)，穿越性電流即為負荷電流，非穿越性電流理論為零，保護不會動作；內(nèi)部相間短路狀態(tài)，非穿越性電流劇增，流入保護裝置的差動電流劇增，制動電流的增長受機端側(cè)和中性點側(cè)分別流入保護裝置的電流差值影響不會劇增，保護能可靠動作；當(dāng)外部故障時，穿越性電流劇增，因互感器飽和及選型差異等造成不平衡電流增大，但此保護制動電流也較大，所對應(yīng)差動電流動作值按比率關(guān)系隨之增大，避免保護誤動作。

圖1 縱差保護原理接線圖

縱差保護的差動電流、制動電流與發(fā)電機機端、中性點CI輸入電流的關(guān)系式如下：

差動電流：Id=It+In

制動電流：Iz=|It-In|/2

2.2 發(fā)電機比率制動縱差保護的定值整定計算

發(fā)電機比率制動縱差保護的動作結(jié)果一般為跳發(fā)電機出口開關(guān)、跳滅磁開關(guān)及事故停機?？茖W(xué)進行定值的計算分析和整定，是確?？v差保護在內(nèi)部相間短路故障時能準(zhǔn)確動作，在外部短路故障時不發(fā)生誤動作的前提條件。這里以四川省涼山州的一座水電廠為例，對縱差保護的最小動作電流Iq、最小制動電流Ig、制動系數(shù)S、差動速斷電流定值Is進行計算分析和整定，論述發(fā)電機比率制動縱差保護定值整定計算的一些方法和觀點。

2.2.1 該電廠的相關(guān)基礎(chǔ)資料

（1）電廠電氣主接線簡圖見圖2。

圖2 電廠電氣主接線簡圖

（2）電廠發(fā)電機及縱差保護的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 電廠發(fā)電機及縱差保護的相關(guān)參數(shù)表

2.2.2 電廠發(fā)電機比率制動縱差保護的動作方程

式中：

Id：差動電流；

Iq：最小動作電流；

Iz：制動電流；

Ig：最小制動電流；

Ik.max：發(fā)電機外部短路時最大穿越短路電流周期分量（二次值）；

S：比率制動系數(shù)；

It：發(fā)電機機端二次側(cè)電流

In：發(fā)電機中性點二次側(cè)電流

各側(cè)電流的方向都以指向發(fā)電機為正方向。

2.2.3 發(fā)電機外部短路最大穿越電流二次值及內(nèi)部

短路最小非穿越電流二次值

根據(jù)短路電流計算成果，本例區(qū)外三相短路最大穿越電流二次值為28.6 A。在機端兩相金屬性短路時非穿越性電流二次值Ik.mIn為13.6 A（具體計算過程略）。

2.2.4 縱差保護相關(guān)定值計算分析與整定

（1）發(fā)電機額定二次電流Ie：

Ie=IE/nt=2264/（3000/5）=2264/600=3.77 A

IE：發(fā)電機額定一次電流，2 264 A。

nt：發(fā)電機縱差保護用電流互感器變比，3000/5。

（2）差動保護最小動作電流

依據(jù)《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》，最小動作電流應(yīng)大于發(fā)電機額定負荷運行時的不平衡電流，即

Iq＞Krel×2×0.03IE/nt=1.5×2×0.03IE/nt=0.09IE/nt

或Iq＞Krel×Iunb

式中：

Krel：可靠系數(shù)，取1.5；

IE：發(fā)電機額定一次電流；

nt：發(fā)電機縱差保護用電流互感器變比，3 000/5。

Iunb：發(fā)電機額定負荷狀態(tài)下，實測差動保護中的不平衡電流。

為確保發(fā)電機在額定負荷運行時，不因不平衡電流而產(chǎn)生誤動作，須適當(dāng)提高最小動作電流Iq。同時，發(fā)電機內(nèi)部短路時，特別是靠近中性點經(jīng)過渡電阻短路時，機端或中性點側(cè)的三相電流可能不大，為保證內(nèi)部短路的靈敏度，最小動作電流Iq不應(yīng)無根據(jù)地增大?？紤]保護裝置通道調(diào)整誤差，同一母線上其他機組投運沖擊以及區(qū)外故障切除后制動電流減小，兩側(cè)CT特性差異等原因，有可能進入動作區(qū),實際可?。?.30～0.50）IE/nt，該電站屬于新投機組，取Iq=0.4 Ie。

Iq=0.4Ie=0.4×3.77=1.5 A

經(jīng)發(fā)電機投運帶額定負荷實測縱差保護中的不平衡電流較小，滿足Iq＞Krel×Iunb，無需再對定值進行修正。

（3）最小制動電流Ig的整定

定子電流小于或等于額定電流時，差動保護不必具有制動性能。按照導(dǎo)則，最小制動電流?。?.8～1.0）Ie,本例取Ig=0.8Ie

Ig=0.8Ie=0.8×3.77 A=3 A。

（4）比率制動系統(tǒng)的整定

1）C點的整定：

①最大差動動作電流Id.max。

最大差動動作電流，按當(dāng)發(fā)電機最大運方式時，外部三相金屬性短路，大于差動保護的最大不平衡電流，而不發(fā)生誤動作的原則進行整定。

Id.max＞Krel·Iunb.max

Iunb.max=Kop·Kcc·Ker·I（3）K.max

=2.0×0.5×0.1×28.6

=2.86 A

式中：

Krel：可靠系數(shù)，取1.5；

Kop：非周期分量系數(shù)，取值范圍1.5～2.0，取值2.0；

Kcc：互感器同型系數(shù)，取0.5；

Ker：互感器比誤差系數(shù)，取0.1；

I（3）K.max：發(fā)電機外部短路時最大穿越短路電流周期分量（二次值）。

按照導(dǎo)則，最大動作電流Id.max取值范圍3～8倍Ie，取3Ie。

Id.max=3Ie=3×3.77=11.31 A

Krel·Iunb.max=1.5×2.86=4.29 A.

Id.max＞Krel·Iunb.max，符合整定要求。

②C點制動電流：C點對應(yīng)的最大制動電流Iz.max與發(fā)電機外部短路時最大穿越短路電流周期分量（二次值）I（3）K.max相對應(yīng)，為28.6 A。

2）比率制動系數(shù)的確定

過高的制動系數(shù)會影響縱差保護的動作靈敏度，但如果制動系數(shù)過低，在外部短路故障時也會發(fā)生誤動作。

按照導(dǎo)則，比率制動系數(shù)S按下式進行確定：

S=（Id.max-Iq）/（I（3）K.max-Ig）

=（11.31-1.5）/（28.6-3）

=0.38

考慮電流互感器的飽和及其暫態(tài)特性畸形的影響，為確?？v差保護在外部最大短路電流時不誤動作，需適當(dāng)提高比率制動系數(shù)，一般比率制動系數(shù)取值范圍為0.3～0.5，本例中取值0.4。

3）差動速斷電流整定

按躲過區(qū)外三相短路時產(chǎn)生的最大不平衡差流整定，一般取Is=（3～8）Ie,本例中取3Ie。

Is=3Ie=3×3.77=11.31 A。

2.2.5 縱差保護的靈敏性校驗

縱差保護的靈敏度不僅與制動系數(shù)有關(guān)，還與最小動作電流和最小制動電流的大小有密切的關(guān)系，不能一味地靠降低制動系數(shù)來提高差動保護的靈敏度。目前，發(fā)電機差動保護的靈敏度是指在發(fā)電機機端兩相金屬性短路情況下差動電流和最小動作電流的比值。而實際上，真正靈敏度的校驗應(yīng)該是在發(fā)電機中性點側(cè)發(fā)生輕微相間故障的時候，差動電流和最小動作電流的比值，故長期以來用機端兩相短路的情況來校驗差動保護的靈敏度，是否合理，有待進一步討論。從物理概念上看，故障點與動作邊界離得越遠，該保護原理的靈敏度越高。校驗發(fā)電機差動保護靈敏度應(yīng)該是在發(fā)電機發(fā)生各種內(nèi)部故障的情況下差動保護的反應(yīng)能力，所以要解決的根本問題是發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時精確的理論分析，國內(nèi)已經(jīng)有許多高校正在開展這方面的研究。因筆者經(jīng)驗和水平有限，目前仍按取機端兩相金屬性短路的情況進行靈敏度校驗。

Ksen=Ik.mIn/Iq=13.6 A/1.5 A=9.1，Ksen＞2，滿足靈敏度要求。

式中：

Ik.mIn：機端兩相金屬性短路時非穿越性電流二次值；Iq：最小動作電流。

2.2.6 縱差保護的動作區(qū)域

本例比率縱差保護的動作區(qū)為圖3中A、B、C連線與差動速斷定值Is之間的區(qū)域，以下區(qū)域為制動區(qū)，差動速斷定值Is以上的區(qū)域為速斷動作區(qū)。

2.2.7 定值及出口矩陣表

（1）定值表（表2）

（2）保護板-出口矩陣表（表3）

表2 定值表

表3 保護板-出口矩陣表

通過上述方法整定的發(fā)電機縱差保護，因為有兩折線比率制動特性，在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生相間短路故障時，差動電流劇增、制動電流相對較小，保護能可靠動作，保護的靈敏性也滿足導(dǎo)則要求；當(dāng)發(fā)電機外部發(fā)生相間短路故障時，差動電流為不平衡電流，制動電流劇增，最大動作電流躲過了最大不平衡電流，保護不會誤動作。

2.3 發(fā)電機比率制動縱差保護的定值校驗

定值校驗屬于繼電保護裝置校驗的核心內(nèi)容，在比率制動縱差保護定值校驗的實際工作中，需先將整定的特性曲線換算成對應(yīng)的輸入電流值及角度，然后再進行校驗，這樣才能保證定值校驗圍繞著動作區(qū)的邊界線進行，才能真實反映保護的選擇性、可靠性和靈敏性。這里仍以上述電廠發(fā)電機比率制動縱差保護定值的校驗進行輸入電流值及角度的轉(zhuǎn)算分析，按《DLT995-2006繼電保護和電網(wǎng)安全自動裝置檢驗規(guī)程》對縱差保護進行定值校驗，具體的校驗操作過程不再作論述。

2.3.1 比率縱差保護的動作方程

2.3.2 定值表（見表2）

2.3.3 最小動作電流值Iq的校驗

發(fā)電機機端或中性點單側(cè)輸入電流，觸發(fā)差動保護動作，對最小動作電流值Iq進行校驗。

（1）從發(fā)電機機端側(cè)A、B、C三相分別輸入0.95倍最小動作電流整定值Iq（1.5 A×0.95=1.43 A），差動保護不應(yīng)動作；從發(fā)電機機端側(cè)A、B、C三相分別輸入1.05倍最小動作電流整定值Iq（1.5A×1.05=1.58A），因此時滿足方程式中第一種動作條件，差動保護應(yīng)可靠動作，動作時限應(yīng)符合規(guī)范要求。

（2）從發(fā)電機中性點側(cè)A、B、C三相分別輸入0.95倍最小動作電流整定值Iq（1.5A×0.95=1.43 A），差動保護不應(yīng)動作；從發(fā)電機中性點側(cè)A、B、C三相分別輸入1.05倍最小動作電流整定值Iq（1.5 A×1.05 =1.58 A），因此時滿足方程式中第一種動作條件，差動保護應(yīng)可靠動作，動作時限應(yīng)符合規(guī)范要求。

當(dāng)動作結(jié)果符合表4情況，則保護校驗合格。

表4 保護校驗動作結(jié)果判定表

2.3.4 比率制動特性校驗

機端及中性點某一相電流互感器，以一側(cè)（機端）輸入正方向電流（0°），一側(cè)（中性點側(cè)）輸入反方向電流（180°），讓差動電流與制動電流同時產(chǎn)生，當(dāng)差動電流為動作方程計算值的1.05倍時，保護應(yīng)可靠動作，當(dāng)差動電流為動作方程計算值0.95倍時，保護應(yīng)不動作。

（1）拐點B點的定值校驗

1）拐點B點對應(yīng)動作方程式：

It：機端輸入電流值；

In：中性點側(cè)輸入電流值；

Iq：最小動作電流整定值，為1.5 A；

Ig：最小制動電流整定值，為3.0 A。

2）拐點B點處校驗輸入差動電流取最小動作電流整定值的1.05倍（1.5 A×1.05=1.58 A），制動電流取最小制動電流整定值的0.95倍（3.0A×0.95=2.85 A）進行校驗。

解方程式，It=3.64 A（0°），In=-2.06 A（180°）

在機端側(cè)輸入電流3.64 A（0°），在中性點側(cè)輸入2.06 A（180°）,保護應(yīng)可靠動作，動作時限應(yīng)符合規(guī)范要求。

3）在拐點B點處輸入差動電流取最小差動電流整定值的0.95倍（1.5 A×0.95=1.43 A），制動電流取最小制動電流整定值的1.05倍（3.0 A×1.05=3.15 A）進行校驗。

解方程式，It=3.87 A（0°），In=-2.44 A（180°）

在機端輸入電流3.87 A（0°），在中性點側(cè)輸入電流2.44 A（180°），保護應(yīng)不動作。

（2）制動拐點B點～C點之間區(qū)間的校驗

1）靠近拐點的校驗

動作方程式如下：

S=0.4，設(shè)在制動斜線上制動電流取點Iz=3.1A進行校驗，解方程式：

Id≥1.5+0.4×（3.1-3）

Id≥1.54

①輸入差動電流Id取設(shè)定點公式中差動電流計算值的1.05倍（1.54A×1.05=1.62A），制動電流Iz取上式中最小制動電流整定值的0.95倍（3.1A×0.95=2.95A）進行校驗。

解方程式，校驗點的It=3.76 A（0°），In=-2.14 A（180°）

在機端輸入電流3.76 A（0°），在中性點側(cè)輸入電流2.14 A（180°），保護應(yīng)可靠動作，動作時限應(yīng)符合規(guī)范要求。

②輸入差動電流Id取設(shè)定點公式中差動電流計算值的0.95倍（1.54 A×0.95=1.46 A），制動電流Iz取上式中制動電流計算值的1.05倍（3.1 A× 1.05=3.26 A）進行校驗。

解方程式，校驗點的It=3.99 A（0°），In=-2.53 A（180°）

在機端輸入電流3.99 A（0°），在中性點側(cè)輸入2.53 A（180°），保護不動作。

當(dāng)動作結(jié)果符合表5情況，則保護校驗合格。2）在制動斜線上再取幾點進行校驗，校驗方法同上述1）校驗計算及方法。

2.3.5 差動速斷動作定值Is校驗

動作方程式：Id≥Is

退出比率縱差保護，投入差動速斷保護，在發(fā)電機機端或中性點單側(cè)輸入電流，觸發(fā)差動速斷保護動作，對差動速斷動作定值Is進行校驗。

（1）從發(fā)電機機端側(cè)A、B、C三相分別輸入0.95倍差動速斷動作定值Is（11.31 A×0.95=10.7 A），差動速斷保護不應(yīng)動作；從發(fā)電機機端側(cè)A、B、C三相分別輸入1.05倍差動速斷動作定值Is（11.31 A× 1.05=11.88 A），差動速斷保護應(yīng)可靠動作，動作時限符合規(guī)范要求。

（2）從發(fā)電機中性點側(cè)A、B、C三相分別輸入0.95倍差動速斷動作定值Is（11.31 A×0.95=10.7 A），差動速斷保護不應(yīng)動作；從發(fā)電機中性點側(cè)A、B、C三相分別輸入1.05倍差動速斷動作定值Is（11.31 A× 1.05=11.88 A），差動速斷保護應(yīng)可靠動作，動作時限符合規(guī)范要求。

當(dāng)動作結(jié)果符合表6情況，則差動速斷保護校驗合格。

如果在比率縱差保護的定值校驗中不對保護動作特性進行換算，僅對最小動作電流定值、差動速斷定值進行校驗，不能完整檢驗保護的動作特性。通過對比率制動縱差保護的最小動作電流定值、A、B、C點間特性曲線、差動速斷定值的校驗，能準(zhǔn)確校驗保護在動作邊界的動作結(jié)果，也就能達到對保護在動作區(qū)、制動區(qū)、差動速斷動作區(qū)的完整校驗，全面檢驗保護應(yīng)有的設(shè)計功能。

表5 保護校驗動作結(jié)果判定表

表6 保護校驗動作結(jié)果判定表

3 結(jié)語

在發(fā)電機比率制動縱差保護的定值整定中，既要結(jié)合保護工作原理，參照廠家保護裝置說明書的整定原則及范圍，又必須依據(jù)系統(tǒng)短路電流計算成果，確定最大不平衡電流，嚴格按導(dǎo)則進行精確計算分析，對拐點最小動作電流、最小制動電流、制動系數(shù)、最大動作電流進行科學(xué)整定，才能使保護擁有符合設(shè)計要求的功能。在比率制動縱差保護的定值校驗中不能僅對最小動作電流定值、差動速斷定值進行校驗，必須對保護動作特性進行換算分析，通過對保護的最小動作電流定值、A、B、C點間特性曲線、差動速斷定值的校驗，準(zhǔn)確校驗保護在動作邊界的動作結(jié)果，才能達到對保護在動作區(qū)、制動區(qū)、差動速斷動作區(qū)的完整校驗。通過實踐運行證明，采用上述方法進行保護定值的整定和校驗后，實現(xiàn)了在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生相間短路故障時，差動保護能可靠動作，在發(fā)電機外部發(fā)生相間短路故障時，差動保護不會誤動作的保護功能。

如何更科學(xué)的進行比率制動縱差保護的靈敏度校驗，完整反映縱差保護在發(fā)電機發(fā)生各種內(nèi)部相間故障時的反應(yīng)能力，有待作進一步的探索和論證。

[1]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 995-2006繼電保護與電網(wǎng)安全自動裝置檢驗規(guī)程[S]，2006.

[2]中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL/T684-1999大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計導(dǎo)則[S]，1999.

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TM77

A

1672-5387（2017）02-0001-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.02.001

2015-07-24

楊大朋（1981-），男，工程師，從事電站運行管理工作。