提高發電機定子接地保護動作可靠性的措施

鄧祖前

(廣州恒運企業集團有限公司，廣東廣州 510730)

某電廠汽輪發電機組容量為210 MW，中性點采用配電變壓器高阻接地方式，機端配置TV1，TV2，TV3(專用)3組抽屜式電壓互感器，其中TV1，TV3進入保護 A屏，TV2，TV3進入保護 B屏，電氣量保護雙重化配置，配置雙重化的雙頻式100%定子接地保護，其中基波零序電壓保護動作判據為:

|3U0|＞Uop1

三次諧波動作判據為:

式中 3U0為取自機端開口三角電壓;UOP1為基波零序電壓保護整定值;，分別為機端和中性點三次諧波電壓;KP為變比平衡系數 (為機端TV開口三角變比與中性點配電變壓器變比不匹配而設);K'為制動系數。本例整定:UOP1=5 V，KP=1．27，K'=0．7，基波零序電壓動作于機組全停，三次諧動作于發信。

1 故障情況及保護動作行為分析

該機組帶191 MW負荷運行，保護B屏發電機定子接地三波諧波保護動作發信，并不能復歸，基波零序電壓變動較大，相關采樣數據如表1。

表1 保護動作時，A，B屏有關各量的比較

保護動作行為分析:

對于A屏:

故保護不動作。

而對于B屏:

故保護動作。

因A，B屏基波零序電壓均未達動作值故不動作。由以上分析可知，保護動作行為正常。

2 故障性質的判斷

根據表1及表2(見4．3節)的數據進行綜合分析，否定了發電機定子繞組發生單相接地故障的可能，這是因為:

(1)B屏的3U0變動較大，但A屏及中性點基波零序電壓很小且正常。

(2)B屏的Kp的幅值與A屏的基本相同，而˙U3s幅值較A屏的有較大幅度的減小。

以上各點均不滿足發電機定子接地時機端及中性點均有基波零序電壓輸出及幅值增大、Kp幅值減小的數據特征，并且通過與表2的數據對比，確定發電機定子繞組運行正常，A屏保護及電壓回路采樣正常，B屏TV2電壓回路異常。考慮到TV2開口三角基波零序電壓變化較大，而該3U0整定較靈敏 (5 V)，故建議退出B屏的該保護功能壓板，幾天后該保護動作 (動作值為4．92V)發信，由于功能壓板已退出，故未切機。

3 情況檢查及技改措施

3.1 情況檢查

該發電機機端共設3組TV，每組TV由3個抽屜式的單相TV構成，二次電壓通過TV本體端子排再通過動靜彈簧壓接片引到柜體端子排，最后接入5m層的電壓端子箱，每相TV開口三角繞組頭尾均接到該端子箱，然后用專用短接片將之組成開口三角形，對引入保護B屏的TV2進行了詳細檢查，主要發現了如下問題:

(1)對TV2的3個單相TV的一次繞組尾端接地情況檢查發現，C相一次繞組的尾端并不像A，B相那樣將尾端直接接于接地銅排上而是接到柜體上，且連接螺絲只有平墊而沒有彈簧壓墊，由于汽機0 m層振動較大，造成接線松動。拆除原有接線，利用專用接地線將C相TV一次繞組尾端可靠地接到接地銅排上。

(2)通過對TV2二次電壓引出用的動靜彈簧壓接片檢查發現:TV2動端彈簧片的滑動接觸位置有氧化現象，利用金相砂紙打磨并用酒精洗凈，微調動靜壓接片的相對位置，使其接觸可靠。

3.2 技改措施

基波零序電壓的選取方式由保護中的“電壓選擇控制”決定，現將該控制字由“1”改為“0”，即電壓選取由機端改為中性點，同時保護在軟件上也解除了機端TV一次斷線的閉鎖功能，使該保護的動作更加可靠。

根據原有定值確定在中性點取電壓時的保護整定值分析:

假設發電機C相中性點距機端α處的K點發生金屬性接地短路 (見圖1)，則:

圖1 發電機定子接地保護示意圖

則機端TV開口三角電壓:

中性點配電變壓器二次側輸出電壓:

則:Kp1=UL1N1/ULN=Ns/3Nn

上式中Kp1為與式 (1)區分，稱為變比修正系數，Ns為機端TV開口三角變比，Nn為中性點配電變壓器變比。

考慮到保護動作于邊界條件，并設UOP1為電壓取自機端TV時時的整定值，UOP2為電壓取自中性點時的整定值，則:

UOP2=Kp1UOP1=1．27 ×5=6．35V，實取6．5V。

由以上分析知:將原保護中的定值作如下調整:電壓選擇由“1”改為“0”，基波零序電壓定值由5 V改為6．5 V，動作時限不變，軟件上自動解除TV一次斷線閉鎖。保護靜態試驗正常，機組正常運行時中性點基波零序電壓采樣值平穩且很小，僅0．1 V左右，投入保護的功能壓板，機組運行近2年來，保護運行良好。

4 提高雙頻式100%發電機定子接保護動作可靠性的措施

4.1 有條件取消TV一次斷線閉鎖基波零序電壓保護功能

對于中性點和機端都能取出電壓的發電機，宜取消TV一次斷線閉鎖基波零序電壓保護功能，零序電壓保護采用如圖2所示框圖，這是因為:

圖2 基波零序電壓保護框圖

(1)目前都是利用二次電壓來判斷TV一次是否斷線，并不能反應真實情況，以常用的電壓平衡式繼電器為例，如果機端TV二次繞組存在斷線，則繼電器動作閉鎖基波零電壓保護，但TV一次并未斷線，其開口三角無較大基波零序電壓輸出，故保護無誤動可能，相反，在處理TV二次繞組回路異常過程中，如發電機發生定子繞組單相接地故障，則由于保護拒動，極易造成相間或匝間短路，嚴重危及設備安全。

(2)運行實踐表明:對TV一次回路故障 (如一次保險接觸不良)、TV三次電壓傳遞故障、接線松動等現象，斷線閉鎖繼電器并不能可靠動作，造成保護誤動切機，特別是在保護靈敏度較高的情況 (如本例UOP1為5 V)。

(3)由于TV斷線閉鎖裝置原理錯誤，當發電機定子繞組單相接地時造成保護被誤閉鎖使發電機嚴重損壞。

當然，目前部分保護只取中性點電壓。對于中性點無法取出電壓的發電機，則只能取機端TV開口三角的電壓加TV一次斷線閉鎖的形式，此時必須重視TV一次斷線閉鎖邏輯的測試，不但要模擬真正的一次斷線，還要模擬相應故障情況下的閉鎖邏輯的正確與否。

4.2 重視變比修正系數Kp1

4.3 根據發電機中性點接地方式，選擇合適的三次諧波保護原理

理論分析表明:發電機中性點不接地、經消弧線圈接地或TV接地，中性點及機端的三次諧波電壓相位差一致，實測值一般不超過7°，采用式(1)是完全可以的，且調試簡單，但對中性點經配電變壓器高阻接地的發電機，由于中性點接地等效電阻 Rn的引入 (本例 Rn=()2×r=)2×0．84=4 305 Ω)，使得發電機正常運行時，機端的三次諧波等效總阻抗為容性而中性點的為阻容性，造成中性點及機端的三次諧波相位差較大或反接時與180°相差較大，表2是在210 MW機組實測數據和依據式 (1)計算出的動作量和制動量。

表2 正常運行時U3s，KpU3n隨有功的變化量

(1)重新計算變比平衡系數Kp

由3．2節和4．2節的分析可知 Kp=1/Kp1=3Nn/Ns=0．787，但卻錯誤地整定為 Kp=Kp1=Ns/3Nn=1．27，使保護的動作量無故增加。

(2)增加相位平衡，即保護動作原理形如

式中˙K可能是復數，可進行幅值平衡，也可進行相位平衡，使發電機正常運行時，動作量較小，K'也可整定較小，以提高保護裝置動作的可靠性和靈敏度。

(3)采用如下的保護原理

4.4 特別重視機端TV每相一次繞組尾端與接地銅排的可靠連接

現在對圖1中的TV一次中性點與中性點配電變壓器或TV和消弧線圈接地端與地網的可靠連接已經相當重視，因為它們是三次諧波比幅比相的基準點，對TV二次與三次回路要相互獨立，TV二次回路的接地點都有明確規定。但對于機端TV每相一次繞組尾端與接地銅排的可靠連接重視還不夠。機端每組TV一般由3個抽屜式單相電壓互感器組成，每個單相電壓互感器的一次繞組尾端均通過TV小車本體與柜內接地銅排連接，銅排再通過鍍鋅編織接地銅線與地網相連。TV小車柜內銅片接觸處發生變形，由于TV本體處振動較大且設計不當，極易引起接觸不良，造成電壓傳變受影響，開口三角出現較大的基波零序電壓，三次諧波幅值減小，相位變化，造成保護誤動。筆者所在電廠的1臺300 MW機組，自投產不久，三次諧波頻繁動作，多則每天達10次以上，同時機端TV開口三角輸出較大基波零序電壓，現列出某次三次諧波保護動作時相應的采樣值 (如表3)。

表3 保護動作及故障處理后數據的采樣值 V

表3中3U01，U02分別是機端開口三角、中性點變壓器二次側基波零序電壓，U3s，U3n分別是機端開口三角、中性點變壓器二次側三次諧波電壓，ΔU為保護動作量。該發電機中性點也通過配電變壓器高阻接地，三次諧保護采用式 (2)的原理，從表3中可以看出:①機組正常運行情況下，通過保護的自動調整，保護動作量很小 (0．04 V)。②B屏機端三次諧波電壓不正常的瞬間，保護動作發信并自保持，之后動作量仍很快調整到很小。③檢查發現:B相TV小車與接地銅排壓接處的銅片嚴重變形且材質差，彈性較差，TV的B相一次繞組尾端未能可靠接地且由于汽機0 m層振動較大。處理后恢復正常，機組連續運行半年來再未產生保護誤動情況。

5 結束語

保護的可靠運行需要采取多方措施。需重視保護裝置和一、二次回路及運行、維護、巡查、定檢的各個環節。應充分利用微機保護的實時數據顯示及運算功能，巡檢時根據發電機組的不同運行工況，認真記錄保護采樣值 (特別是零序分量、負序分量、差動保護的差動電流、制動電流等)并建立完整的檔案，這對一、二次系統劣化值分析、故障性質判斷 (保護正確與不正確動作)、狀態檢修及保護檢驗周期的確定都是至關重要的。

〔1〕李玉海，劉昕，李鵬．電力系統主設備繼電保護試驗〔M〕．北京:中國電力出版社，2005．

〔2〕王維儉．電氣主設備繼電保護原理與應用〔M〕．北京:中國電力出版社，2002．

〔3〕國家電力調度通信中心．電力系統繼電保護典型故障分析〔M〕．北京:中國電力出版社，2001．