自并勵發電機相間短路后備保護優化及整定計算

王聰

【摘要】隨著繼電保護技術的不斷發展，發電機組保護配置日趨完善，主保護可靠性大大提高，但后備保護仍然具有重要作用，如何合理配置機組后備保護，特別是在廠網配合方面，更應引起我們的足夠重視。本文通過對自并勵發電機組相間短路后備保護優化實例，探討自并勵機組后備保護配置及其整定計算。

【關鍵詞】后備保護；配置；自并勵；優化

0引言

自并勵靜止勵磁方式有可靠性高、響應速度快、軸系相對較短及投資少等優點，隨著微機勵磁調節技術的不斷發展，裝置的穩定性和調節性能也大大提高，使得自并勵靜止勵磁技術在我國得到了廣泛應用，大中型汽輪發電機組都已經具有成熟的設計、運行經驗，但這種勵磁方式在系統和機組本身發生短路故障時，發電機出口及其母線電壓隨著短路的發生立即下降。由于勵磁變接在機組出口處，導致勵磁變提供給發電機的勵磁電流同時也迅速減少，從而使故障電流衰減迅速。如圖1所示，這會降低復合電壓閉鎖過電流保護的靈敏度，有可能導致常規復壓過流保護無法動作。

圖1自并勵勵磁機組故障電流衰減圖

1發電機組相間短路后備保護配置實例及存在問題

某電廠發電機組采用發—變組單元接線，封閉母線連接，發電機出口不設斷路器，配置有發電機復壓過流保護作為發電機內部、引出線及主變高壓側相間短路的后備保護，保護設兩段延時，較短的延時與線路保護配合，切母聯開關，較長的延時動作于全停。保護邏輯如圖2所示。

圖2復壓過流保護邏輯圖

此保護沒有配置電流記憶條件，當機端發生相間短路時，由于機端電壓的下降，短路電流的迅速衰減，將導致復壓過流保護的電流原件返回，保護不能可靠動作。

2相間短路電流計算

為了更加清晰的分析自并勵機組相間短路時的電流變化及對保護的影響，現列舉一臺135MW汽輪機組為例，短路點分為機端處d1點，主變高壓側處d2點和出線末端d3點，分別計算三相和兩相短路電流。

135MW汽輪機組各參數是：Sn=158MVA，Un=15.75kV，COSΦ=0.85，xd=1.56，xd=0.214，x“d=0.154，xf.2=0.188，Ufd.0=109V，Ufd.n=292V，強勵勵磁電壓倍數2.2，轉子勵磁次暫態時間常數T”d0=0.035，轉子勵磁暫態時間常數Td0=9.8，勵磁變高低壓側變比是15.75/0.55kV，主變額定電壓242/15.75kV，主變電抗xt=0.143,線路末端d3點電抗x1=0.193，求機端d1點、主變高壓母線處d2點及線路末端d3點三相和兩相短路電流：

線路d3點外接電抗xs.d3=xt+x1=0.336，

外接電抗臨界值xs.cr=xd/（Ca-1）=xd/（cosαk/cosα0-1）=0.317

其中強勵電控角αk=acrcos-1(Ufd.k/1.35Up-pk)，空載電控角α0=acrcos-1(Ufd.0/1.35Up-p)

d3點外接電抗大于外接電抗臨界值，短路點電流不會衰減可能會增大，所以d3點短路電流不再計算。由自并勵發電機相間短路電流計算方法可寫出各短路點的短路電流方程：

d1點三相短路電流方程見式（1），d1點兩相短路電流方程見式（2），d2點三相短路電流方程見式（3），d2點兩相短路電流方程見式（4）.

其中三相短路次暫態電流分量i■d■■＇＇[3]=1/(x”d+xs)，三相短路暫態電流分量i■d■■＇＇[2]=1/(xd+xs)

兩相短路次暫態電流分量=√3/(x”d+xs+x2Ε)，

兩相短路暫態電流分量=√3/(xd+xs+x2Ε)

計算出d1和d2點三相和兩相短路電流變化見表1：

表1d1及d2點隨時間變化的三相及兩相短路電流

從表1可以看出，自并勵135MW汽輪發電機組在機端和主變高壓側發生三相和兩相短路故障時，其短路電流變化有很大不同，三相短路電流迅速衰減，影響過流保護元件的正確動作，而機端兩相短路時，短路電流衰減較慢，主變高壓側兩相短路時，短路電流還有上升趨勢，都不會影響過流元件的正確動作。

3相間短路后備保護優化配置

通過分析自并勵機組相間短路時的電流變化以及得出的計算結果，證明復壓過流保護并不能滿足要求，特別是在機端發生三相短路時，電流衰減迅速，保護不能正確動作。為此，需對保護配置進行優化，增加發電機低壓記憶過流保護，作為機端三相短路的后備保護，為了防止主保護動作后，低壓記憶過流保護仍會誤切母聯開關，保護只設一段延時動作于全停，保護邏輯如圖3。

配置低壓記憶過流保護而不配置復壓記憶過流保護的主要原因有以下兩點：

1）從短路電流變化計算結果可以看出，d1點兩相短路電流衰減較慢，3S內滿足電流動作條件，所以不用配置負序電壓元件作為判據，保護原理相對簡單可靠；

2）系統發生短路故障，單條出線的運行方式下，由于負序電壓較大，且衰減較慢，復壓記憶過流保護有誤動的可能。

圖3低壓記憶過流程保護邏輯圖

優化配置后對原有的復壓過流保護予以保留，主要是考慮復壓過流保護作為主變高壓側以及線路發生相間短路及接地故障時，仍然可以作為后備保護，并且有較高的靈敏度。

4保護整定計算

根據《南方電網大型發電機變壓器繼電保護整定計算規程》,可分別對低壓記憶過流保護各元件進行整定計算。

1）過流元件整定

動作電流按躲發電機額定電流整定I■=■

式中：Krel——可靠系數，取1.3～1.5；Kr——返回系數，取0.9～0.95。

記憶元件延時按大于本保護動作時間整定。

靈敏系數校驗，按主變壓器高壓側母線兩相短路進行校驗：

K■=■（5）

式中：I■■——主變壓器高壓側母線金屬性兩相短路時，流過保護的最小短路電流。要求靈敏系數Ksen≥1.2。

2）低電壓元件整定

低電壓元件取機端PT二次線電壓，動作電壓Uop可按下式整定。

U■=■

式中：U■——發電機額定電壓；nv——電壓互感器變比。

靈敏系數按主變壓器高壓側母線三相短路進行校驗：

Ksen＝Uop/(Uk.max/nv)（６）

式中：Uk.max——主變高壓側母線金屬性三相短路時發電機機端最大相間電壓。

要求靈敏系數Ksen≥1.2。

低電壓元件的靈敏系數不滿足要求時，若發電機、變壓器共用一套復合電壓閉鎖過電流保護時，應引入主變壓器高壓側電壓元件，并選擇經其他側復壓閉鎖。

3）動作時間

當發電機、變壓器共用一套復合電壓閉鎖過電流保護時，按與相鄰出線相間、接地保護對線末有靈敏度段及高廠變過電流保護最長動作時間配合整定：t＝tmax+Δt

式中：tmax——相鄰出線相間、接地保護對線末有靈敏度段及高廠變過電流保護最長動作時間。

5結束語

自并勵發電機組在機端和主變高壓側發生三相短路故障時，電流衰減迅速，過流元件在保護動作時間內已經返回，復壓過流保護不能正確動作。經過對保護配置優化，在原有保護配置基礎上，增設低壓記憶過流保護，作為機端和主變高壓側三相短路的后備保護，經過認真選擇保護出口方式及對保護進行合理的整定計算，大大提高了保護的可靠性，保護靈敏度高，同時還避免了誤動的可能，充分發揮了后備保護的作用。

【參考文獻】

［１］王維儉，侯炳蘊．大型機組繼電保護理論基礎.2版[M]．北京：水利電力出版社，1989．

［２］中國南方電網有限責任公司．南方電網大型發電機變壓器繼電保護整定計算規（2012）[Z]．2012．

［責任編輯：薛俊歌］