300 MW机组发变组保护配置分析

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300 MW机组发变组保护配置分析
　　随着电力系统的发展，大容量机组不断增多。作为电力系统最重要组成部分之一的大型发电机组不但结构复杂，而且价格昂贵，一旦故障，检修期长，造成的经济损失也是巨大的。因此，为其装设完善的继电保护装置有着重要的意义，本文结合阳泉二电厂(4×300 MW机组)工程，对300 MW机组发变组保护的配置方案作一分析比较。
4 o( h9 r8 [6 z1　保护装置的配置方案
. [, V6 e. K. R8 {3 x1.1　短路保护配置
5 K3 Y! D/ ]$ |1 U4 D$ _　　(1)　发电机差动保护，动作于全停Ⅰ；
4 q# h7 X' |2 ]4 T' }　　(2)　主变差动保护，动作于全停Ⅰ；
2 C$ P9 m( a$ ^　　(3)　高厂变差动保护，动作于全停Ⅰ；
/ E" {1 o3 e8 \  _* U' |　　(4)　发变组差动保护，动作于全停Ⅱ；
3 e% m; I1 x0 D: }3 d5 @　　(5)　阻抗保护，t1动作于母线解列，t2动作于解列灭磁；
8 P7 s4 y: K) z) A1 ~　　(6)　主变重瓦斯，动作于全停Ⅱ；
　　(7)　高厂变重瓦斯，动作于全停Ⅱ；
5 ~4 N; W* B, m6 p% A9 |: ]　　(8)　励磁机差动保护，动作于全停Ⅰ；
　　(9)　主变高压侧零序保护，两段4个时限，t1和t3动作于母线解列，t2和t4动作于解列灭磁；
　　(10)　高厂变复合电压过流保护，动作于解列灭磁；
　　(11)　发电机匝间保护，动作于全停Ⅰ。
( F1 D/ N' c) M7 `. w" }! w  d1.2　接地保护配置
　　(1)　发电机定子接地保护，动作于解列灭磁或程序跳闸；
# I7 U; d2 }2 p, k　　(2)　转子一点接地保护，动作于信号；
　　(3)　转子两点接地保护，动作于全停Ⅱ。
; R1 D/ ~# d' G. x1.3　异常运行保护配置
　　(1)　发电机定子对称过负荷保护，定时限动作于信号及减出力，反时限动作于解列或程序跳闸；
& Z' f9 c) P9 Z5 O( a# t1 d　　(2)　发电机转子表面负序过负荷保护，定时限动作于信号及减出力，反时限动作于解列或程序跳闸；
3 r3 u+ [, V7 {　　(3)　励磁回路过负荷，定时限动作于信号及降低励磁电流，反时限动作于解列灭磁；
　　(4)　失磁保护，t1动作于减出力，跳厂用分支及切换厂用电，t2动作于解列灭磁或程序跳闸；
! `# p7 Z& L+ `1 L$ q/ Q　　(5)　逆功率保护，t1动作于信号，t2动作于解列；
　　(6)　失步保护，t1动作于信号，t2动作于解列；
　　(7)　过激磁保护，t1动作于信号及降低励磁电流，t2动作于解列灭磁或程序跳闸；
; m- A4 c/ k% n# T% q( b　　(8)　主变冷却器故障保护，动作于解列灭磁；
' K! S! s8 l% W$ T: ^# K　　(9)　非全相保护，t1动作于解列；
　　(10)　断路器失灵保护，动作于失灵起动；
' I, P# ~5 u- H; o　　(11)　热工保护，动作于解列灭磁；
　　(12)　发电机断水保护，动作于解列灭磁。
2　保护配置方案比较
5 h; X5 u5 l0 ^* I4 p2.1　双重快速主保护的设置
　　为了满足电力系统稳定方面的要求，对大机组故障要求快速切除。为确保正确快速切除故障，对发电机变压器组设置双重快速主保护，保护方案有以下几种可选。
　　(1)　装设发电机差动保护、主变差动保护和发变组差动保护，构成双重快速保护，保护区伸至高压母线侧电流互感器。
　　(2)　装设发电机差动保护和发变组差动保护，并在发电机中性点装设一套复合电流速断保护。这样等于对发电机、发电机到主变引线及主变设置了双重快速保护。
( `% k* w, `$ T5 Z4 ~+ f4 R　　(3)　近年来对发变组主保护的配置又提出了新的方案，但这种保护方案与发电机三相定子绕组的结构密切相关，即需要电机生产厂家改进现有发电机中性点侧的引出方式。如图1所示，将发电机定子三相6个分支绕组分成两组，其中一组仅将中性点引出，另一组将三相端子同时引出，在机壳外形成第二个中性点，这样两个中性点之间可以装设高灵敏的单元件横差保护，另外再装设一套发电机不完全差动保护。采用这样两套主保护，可以使发电机内部各种相间短路、匝间短路和定子绕组开焊故障均得到双重快速保护，弥补了传统纵差保护不反映定子绕组匝间短路和开焊故障的不足。再加上主变差动和发变组差动保护(或复合电流速断保护)， 可实现大机组主保护的双重化要求，又提高了保护的可靠性。
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注:CT构成横差,1CT构成发电机不完全纵差
& V4 c- t5 X' T图1 发电机定子绕组连接方式一及其主保护配置
' @4 s7 o! [3 a/ w/ {. Q6 }1 F　　(4)　如发电机中性点侧能引出6个端子，则最佳的主保护方案将是高灵敏横差、发电机不完全纵差和发变组不完全纵差、变压器纵差，构成发变组内部故障的完善双重主保护，如图2所示。
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  {5 P0 c( _  m注:CT构成横差,1CT构成发电机不完全纵差,2CT构成主变纵差,3CT构成发电机不完全纵差
图2 发电机定子绕组连接方式二及其主保护配置
　　(3)，(4)保护配置方案要大大优于(1)，(2)方案，但必要的前提是发电机中性点侧应有4个或6个引出端子。
　　在现有发电机中性点侧只有3个引出端子(A，B， C三相)的连接方式下， 只可选(1)或(2)方案。(1)方案在速动性、选择性和灵敏性上优于(2)方案，因此本工程选择了(1)方案。
2.2　关于发变组差动保护电流互感器设置问题
　　发变组差动保护电流互感器设置有两种方案。
2 Y) |6 h6 k; s- i8 d　　(1)　第一方案为发变组差动差到高压厂变高压侧。 这种接线方式使发变组大差在其保护范围内有足够的灵敏度，只有高厂变不在保护范围内。但由于保护规程并未要求高厂变主保护双重化，高厂变除差动保护外，还有复合电压过流作后备，所以这种接线是可以的。
　　 (2)　第二方案为发变组大差差到高压厂变低压侧。这种接法实际上在不增加任何保护的情况下，为高厂变主保护实现了双重化，当把发变组及高厂变作为一个整体考虑时尤为合适。但存在两个问题，其一是由于高厂变容量一般只有发电机额定容量的6%～10%，它的短路电抗相当大，当高厂变低压侧发生两相短路故障时，发变组差动保护灵敏度常不能满足要求，但因高厂变本身有其完善的保护，而发变组差动对高厂变部分绕组短路保护还是非常灵敏的，故这一问题可以不考虑。其二是6 kV侧CT变比与其它各侧CT变比不能匹配，模拟式保护需增加中间CT来调整，增加这一中间环节，影响了差动保护回路可靠性，且目前国内还没有很好的中间CT产品， 但本工程采用微机保护不用中间CT完全能把CT变比调整合适，计算性能优越，整定范围大，故发变组大差的CT接线方式选用了(2)方案。
4 y) K" \9 E  m$ Z& Q6 |2.3　关于发变组短路故障后备保护的设置
2.3.1　大机组本身对后备保护的要求
　　大型发电机与升压变压器组成单元制接线，一般在发电机出口回路不装设断路器。在这种情况下，配置反映相间短路后备保护时，要把发电机变压器组作为一个整体加以考虑。首先，对大型汽轮发电机，当机端和升压变压器高压侧发生两相短路故障时，发电机转子表层发热允许的时间较短，而发电机外部短路时，也不应使发电机受到损伤。因此，大型发电机的后备保护要在发电机允许的时间内切除故障，也就是说，从发电机转子表层发热方面看，大型汽轮发电机对于后备保护有相当严格的要求。其次，随着机组容量的增加，汽轮发电机轴系的细长比大大增加了，而转子的直径没有显著增加，整个轴承的刚度大大下降。所以发生短路故障后，由于切除故障时间长，则扭转振荡导致机组破坏的可能性加大，故从机械方面考虑，对后备保护切除短路故障的时间也有了很高的要求。
- y3 A: X5 [5 c) ?7 b% v2.3.2　相邻元件和线路对后备保护的要求
　　大型发电机，一般都经升压变接至220 kV及以上电压的母线上，因目前相邻线路保护均按双重化配置，所以不要求发变组装设相邻线路的后备保护。
　　相邻母线上如果装有双重保护，则不需要发变组装设保护区伸到母线的后备保护。实际上，220 kV母线保护不是双重化的，且有时母线保护长期不能投入运行，母线故障的影响又比较大，所以总是要求发变组装设反映母线短路故障的后备保护，以尽可能短的延时，切除母线短路故障。
2.3.3　后备保护的配置
( Y! e- [" H+ s　　综上所述，对发变组反映相间短路的后备保护要求动作时间短，一般不作为相邻线路的后备，而只考虑作为相邻母线的后备。因此本工程采用的保护方案为发变组选用双重快速差动保护，再选用一套全阻抗保护作为220 kV母线的后备保护，消除了变压器高压侧CT与断路器之间的死区。
. ?) }2 M4 ~$ H( O9 v( a　　作为母线、后备保护的阻抗保护须装在主变高压侧(即电流电压均取自主变高压侧)。这样对高压母线故障灵敏系数最高，但作为发电机与变压器的后备作用较差。另外，发变组还设有三套反时限保护，即定子过负荷保护、转子表层过负荷保护和励磁回路过负荷保护。考虑到转子表层过负荷对大机组的损伤较严重，设计中把发电机转子表层过负荷作为一种主保护考虑，设置了两套。
/ v# n  V: k- z$ c　　由于发变组接至220 kV电力网中，为中性点直接接地系统，本工程采用的反映单相接地短路后备保护方案为：当主变中性点直接接地时，设置有零序电流保护(二段4时限)，当主变中性点不接地时，设置有零序过电压和间隙零序过流共同组成的零序电压电流保护，这两种保护可根据运行方式的不同，进行切换。
0 C- l! @- T# I4 c5 `2.4　发电机匝间保护配置方案
　　如前所述，若发电机中性点侧能引出4个端子，则能安装高灵敏单元件横差保护，具有发电机相间短路、匝间短路和定子绕组开焊的保护功能，简单可靠。这无疑是发电机匝间短路保护的最佳方案。但现有国产300 MW机组中性点一般只引出3个端子，只能采用其它方案的匝间保护。现在工程中多采用纵向零序电压原理的匝间保护，但此保护要求发电机中性点与机端PT中性点经电缆相连接，当电缆接地时相当于发电机定子接地，人为地增加了故障环节，另外还需增加区别发电机内外部故障的判据(如负序功率方向)，所以此保护并不十分完善。另外对于是否须装设匝间保护也存在不同意见，一种意见认为大型机组的定子同槽上下层线棒同属一相的很少(东方电机厂300 MW机组，同槽同名相的匝数仅3匝)，而同名相的两匝之间的绝缘与非同名相相同，所以认为匝间短路的可能性极小，可以取消匝间保护；另一种意见认为，实际运行中确实存在首先发生匝间短路而后发展成接地故障或相间故障的实例，而且最近国产300 MW发电机定子绕组开焊的故障接连发生， 只要有较完善的匝间保护装置， 还是不应取消。 关键是要研制完善的匝间短路保护新方案和新装置。考虑到300 MW机组的重要性，而匝间短路的过程对定子绝缘的损坏是十分严重的，本工程仍设置了专用的匝间短路保护，采用高灵敏纵向零序电压原理，用三次谐波增量进行闭锁，以及PT断线闭锁，使匝间短路保护仅作为发电机内部匝间短路和定子绕组开焊故障的保护。
2.5　发电机定子绕组接地保护配置方案
　　定子绕组的单相接地是发电机最常见的一种故障，规程要求大中型发电机组应装设100%保护区的定子接地保护，目前国内定子接地保护主要有两种方案。
) L* \3 ~& x7 N+ s1 f( U: w- A2.5.1　外加12.5 Hz交流电源的定子接地保护
　　如图3、图4所示，该保护的基本原理为：外加信号源通过注入变压器将12.5 Hz的电压加到发电机三相定子回路，正常情况下仅有极小的12.5 Hz电容电流，当发电机单相接地故障时，该信号电流骤增，保护按预定逻辑动作。该保护具有可靠、灵敏度高、外部故障不误动、内部故障保护范围100%、起停机仍有保护等优点。但从山西省太二Ⅳ期工程和其它省市一些工程使用情况看，虽然从保护原理上说该保护优于其它定子接地保护，但存在着注入变压器绝缘要求高、零序电压互感器国内还无定型配套产品、进口困难等问题，影响了该保护的进一步推广使用。

图3 注入式定子接地保护方式一

8 @  O. U7 B; g5 Y' V! Z( W图4 注入式定子接地保护方式二
" d7 d  O2 E2 j2.5.2　基波零序电压加三次谐波零序电压的定子接地保护
　　基波零序电压型定子接地保护可以在发电机单相接地电流很小时采用，这是其突出优点，但其保护区一般为90％～95％。
0 k  `5 @7 g2 v" e% A% q　　大容量机组要求定子接地保护区为100％，可以考虑增加三次谐波零序电压型定子接地保护，该保护可以消除基波零序电压型保护的死区，与基波零序电压型保护共同构成100％定子接地保护。阳二工程与目前国内大多数大机组均采用这种保护构成方案。
2．6　关于程序跳闸
4 J* P3 @! w2 x! k. ~3 p/ I+ R  N0 U6 Q' G　　据1991年新保护规程规定，出口方式中增加了“程序跳闸”一项。程序跳闸是一项保安措施，可以有效地避免汽轮发电机组在停机过程中可能产生的超速或飞车。按程序跳闸方式，当手动停机、联锁停机、或某些继电保护动作后，不是首先跳发变组断路器，而是首先关主汽门，以避免主汽门或导水翼机构卡滞或关闭不严情况下的发电机停机。当主汽门完全关闭后，经过一定时间，发电机从发电状态转变为电动机运行状态，整定值很小的逆功率继电器动作，再跳开发电机或发变组开关。引进美国的平圩1＃机、引进法国设备的元宝山2＃机，设计都考虑了“程序跳闸方式”。我国大型汽轮发电机的运行情况说明超速对汽轮发电机是最危险的事故之一，严重超速可能彻底毁坏汽轮发电机组，增设“程序跳闸方式”可为运行带来安全保障。所以阳二工程设计中也考虑用“程序跳闸方式”，设置有2套逆功率保护，其中一套（小定值）用于程序跳闸，该逆功率保护接点与主汽门关闭接点串接，经压板构成出口回路，用户可以根据实际情况选择“程序跳闸方式”的投切。

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