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大連普陽

大機組的繼電保護配置

大容量機組往往按發電機—變壓器組單元接線與高壓或超高壓電網直接相連,在電力系統中占有十分重要的地位。由于它結構復雜、造價昂貴,一旦因故障而遭到破壞,在經濟上必然會受到很大損失,因此在考慮大容量發電機—變壓器組的繼電保護整體配置時,應強調最大限度地保證機組安全和最大限度地縮小故障破壞范圍,盡可能避免不必要的突然停機,對某些異常工況采用自動處理裝置,特別要避免保護裝置誤動和拒動。所以不僅要求有可靠性高、靈敏性和選擇性強、快速性好的保護繼電器,還要求在繼電保護的整體配置上盡量做到完善、合理,并力求避免繁瑣、復雜。 

    1 傳統的繼電保護方式及其不足之處 

    傳統的發電機內部故障主保護方案常采用:傳統縱差保護、傳統橫差保護、基波縱向零序電壓保護、轉子二次諧波電流保護、標積制動式縱差保護等。這些傳統的保護方式在一定程度上起到了有選擇性地將故障元件從電力系統中切除、減少對電力系統的損壞程度、恢復無故障部分的正常運行、反應電氣元件異常運行工況的作用,但是由于諸多原因,在電力系統中始終存在發電機、變壓器等設備的保護元件正確動作率普遍偏低——許多都不到70%的問題,因此有必要對這些保護方式略作分析,以期找到改進措施。 

    1.1 傳統縱差保護 
    傳統縱差保護只對相間短路有效,對發電機定子繞組同相的匝間或層間短路和開焊(斷線)故障均無保護作用,因而保護功能不全面,再加上目前存在元器件產品質量差、維護管理水平低等諸多問題,必須加以改進。 

    1.2 傳統橫差保護 
    以往的單元件橫差保護,其動作電流約為(0.2~0.3)In,所用中性點連線的電流互感器變比選為0.25 In/5 A,所以舊式的單元件橫差保護的動作電流約為發電機額定電流的二次值(5 A),由于發電機內部故障用的老式橫差繼電器對三次諧波濾過比小于15,所以這樣的整定值就限制了保護正常動作靈敏度的提高。 

    1.3 基波縱向零序過電壓保護 
    對于中性點側只有U,V,W三相引出三個端子的發電機,習慣上都裝設縱差保護以反應內部相間短路。為了保護發電機的定子繞組匝間短路或開焊故障,可增設縱向零序過電壓保護,但縱向零序過電壓保護裝置較復雜、靈敏度低,且可能引起某些誤跳閘。只有在發電機中性點側三相僅引出三個端子,并裝設了縱差保護時才選用。 

    1.4 轉子二次諧波電流保護 
    轉子諧波二次電流保護中啟動元件與選擇元件的配合要求十分嚴格,容易發生誤動作,整定較困難,須用專門的轉子回路電抗變壓器。只在發電機已確定中性點側僅引出三相三個端子,并決定裝設縱差保護而不可能裝設高靈敏橫差保護的情況下才選用。 

    1.5 標積制動式縱差保護 
    標積制動式縱差保護不能反應匝間短路和定子繞組開焊故障,且這種保護也需要發電機中性點側引出三相三個端子。 

    目前國內300MW及以上的汽輪發電機均采用每相兩并聯分支、中性點僅引出三相的三個端子,普遍采用發電機縱差保護和發電機—變壓器組縱差保護作為發電機—變壓器組內部短路主保護。當發電機中性點側只有三相三個引出端子時,就無法裝設單元件橫差保護,這將影響整套繼電保護裝置的可靠性、靈敏性。 

    2 大機組內部故障主保護的改進方案 

    2.1 改進方案 
    對于大機組繼電保護的配置原則是:加強主保護,簡化后備保護。因此針對傳統繼電保護出現的問題,提出一種由不完全縱差保護和高靈敏單元件橫差保護組成的雙重主保護配置方案。 

    改變發電機中性點側的引出方式,將三相六個分支繞組分成兩組,其中一組僅將其中性點N1引出,另一組三相端子分別引出,并在發電機外接成第二中性點N2,N1與N2連接以便裝設單元件橫差保護,互感器TA1與TA2構成發電機不完全縱差保護。許多理論研究和實踐經驗已證明:高靈敏單元件橫差保護具有發電機相間短路、匝間短路和定子繞組開焊的保護功能,特別簡單、靈敏度高,可作為各類發電機的第一主保護。不完全縱差保護克服了傳統縱差保護不反映定子繞組匝間短路和開焊故障的缺陷,成為發電機內部各種故障的第二主保護,方便地實現了大機組主保護的雙重化要求。采用這種方案的必要前提是發電機中性點側應有四個引出端子。 

    2.2 改進措施
    a)對300MW及以上的汽輪發電機,只要中性點引出方式在發電機制造時稍作改變就可使用高靈敏單元件橫差保護,其功能超過縱差保護。 
    b)采用更換互感器,減少電流互感器變比,提高三次諧波濾過比,通過常規發電機短路試驗、實測橫差保護不平衡基波和三次諧波電流來正確整定動作電流等措施,把傳統橫差保護改造成高靈敏橫差保護。 
    c)不完全縱差保護是針對每相兩并聯分支的發電機提出的,采用比率制動式繼電器,機端互感器選變比為In/5A,分支互感器選變比為0.5 In/5A,這種方式能反應發電機內部各種相間短路、匝間短路和分支繞組的開焊故障,如圖2所示。這種保護方式對發電機引出線短路有保護作用。但應注意在每分支數很多(大于2)時,若某個不裝設互感器的分支發生故障,在裝設互感器的那些非故障分支中的電流可能很小,不完全縱差保護有可能拒絕動作,因而在分支數較多時要慎用。 
    d)一般來說,當發電機變壓器本身配置了雙重主保護時,不需要再設置發電機、變壓器自身的短路后備保護,這時可以在機端裝設全阻抗或偏移阻抗保護,兼顧機端和高壓母線相間短路故障,在升壓變壓器高壓側通常還裝設零序電流、零序電壓作為高壓側接地短路的后備保護。 

    2.3 雙重主保護的作用
    這種主保護方案可使發電機內部各種相間短路、匝間短路和定子繞組開焊故障均得到雙重快速保護,同時還能使發電機獨立運行時機端引線的相間短路也有快速保護。當每相分支數大于2時,在每相中性點側裝設互感器的分支數應大于或等于n/2(n為每相分支數)。 

    采用這種主保護配置方案時,可完全舍棄縱向零序電壓保護和二次諧波轉子電流保護。 

    3 對繼電保護的發展展望 

    繼電保護方式的發展經歷了方向比較式、相位比較式、電流差動式等階段,所使用的繼電器從電磁式到模擬靜止式,進而發展到數字靜止式,隨著數字技術的發展、微型計算機和微處理器的出現,為繼電保護數字化開辟了廣闊前景,出現了以微機和光傳輸技術為基礎的全數字控制保護系統。 

    微機保護具有下列特點: 

    a)保護功能由軟件實現; 
    b)采用數字信號處理技術; 
    c)具有數字儲存功能,如過程記憶、錄波等; 
    d)容易實現遠方通信,接口簡單; 
    e)具有自動測試和監視功能; 
    f)軟硬件標準化; 
    g)公共數據可重復使用實現不同功能。 

    我國已成功研制了多套大機組微機保護裝置,并先后投入試運行或正式運行。不少35kV和 110 kV變電所采用了多種微機監控和保護裝置,但在300MW及以上大型發電機組上應用微機保護裝置的例子還不多。由于微機保護具有靈活、高性能、運行維護方便、可靠性好、硬件尺寸小、硬件負擔輕等優點,可以預見未來繼電保護發展的方向將是主保護采用微型處理機或小型計算機分散地裝設在被保護元件處,后備保護采用系統控制中心計算機構成變電所中心計算機以實現集中化控制。相信大機組的微機保護將有廣闊的發展前景,并將以其優越的性能在繼電保護領域獨領風騷。
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