由誤上電保護動作引發的機組同期并網問題探討

王樹柏,沈利平,崔躍騫

(國網甘肅劉家峽水電廠，甘肅省永靖縣 731600)

隨著水電機組容量在電力系統中的比重不斷增大，水電機組的安全穩定運行問題日益突出，水電廠元件保護擔負了越來越重要的作用，對于單機容量100 MW或通過220 kV電壓等級及以上接入系統的水輪發電機組，通常需要配置誤上電保護，主要是考慮在機組檢修中或并網前后發生故障時，能迅速切除故障，保證機組和系統安全穩定運行。但在實際運行過程中，會出現機組在并網過程中誤上電保護動作，造成機組同期并網失敗的問題[1-3]。

1 機組誤上電保護原理及定值整定

1.1 誤上電保護原理

在發電機并網前，勵磁開關尚未合閘時，若斷路器誤合閘，機組相當于同步電動機全電壓異步啟動，對機組沖擊電流很大，有重大危害。誤上電保護的過流元件及低阻抗元件作為雙重化保護都能動作出口，保護快速出口跳閘； 當勵磁開關閉合后，過流元件退出，若此時斷路器誤合閘，機組相當于同步發電機非同期合閘，對機組也有大的沖擊電流，有重大危害，低阻抗元件動作，保護快速出口跳閘[4-8]。 誤上電保護低阻抗元件動作特性如圖1所示。

圖1 發電機誤上電保護阻抗和電阻動作特性圖

1.2 誤上電保護整定計算

以255 MW容量機組、機端電壓為15.75 kV，采用機變單元接線形式接入220 kV系統為例，對誤上電保護定值參數進行計算設定[9-10]。

(1) 低阻抗元件Zset

低阻抗元件的動作圓半徑Zset，按正常并網瞬間發電機輸出最大電流(如果精確并網，則I=0；考慮同期允許相角差，取I=0.3Ign)時低阻抗元件不動作來整定：

=46.7 Ω

(1)

式中:nTA為電流互感器變比;nTV為電壓互感器變比;Ugn為機端電壓;Ign為發電機一次額定電流。

Rset.R(動作電阻)=0.85×Zset=39.69 Ω

取動作阻抗46.7 Ω、動作電阻39.69 Ω。

(2) 過流元件Iop的整定

根據《技術說明書》，當保護裝于主變高壓側時，過流元件的Iop的整定為：

=1.08 A

式中：Ign為發電機一次額定電流,取1.08 A。

2 機組同期并網參數及流程

2.1 同期裝置運行參數

同期裝置定值：相角差20°以內(發電廠為機組并網方式,角差定值針對變電站,實際采用0°并網)，電壓幅值 (-5～+5 V)以內(相對系統側二次電壓值)，頻率定值±0.2 Hz以內，合閘導前時間110 ms。

2.2 機組并網流程

常規水電機組從空轉到空載再到發電態，監控順控開機流程如圖2所示。

(1) 勵磁裝置參數：在機組轉速達到95%時勵磁投入。

(2) 勵磁系統時間常數：機端→勵磁變→勵磁機→發電機轉子，約為2～3 s。

(3) 監控裝置：機組電壓建立超過80%時，投入同期裝置。

(4) 系統正常運行電壓：234 kV，折算到同期PT二次值為106 V。

(5) 機組正常運行電壓：15.75 kV, 折算到同期PT二次值為105 V。

3 機組同期并網存在的問題

3.1 誤上電保護動作故障錄波圖

以某水電廠機組開機同期并網期間，誤上電保護動作造成并網失敗實例進行分析，圖3為動作故障錄波圖。

圖2 機組順控開機操作流程圖

圖3 發電機誤上電保護動作故障錄波圖

3.2 故障錄波數據及保護動作計算分析

機組全自動開機，根據電流波形和短路計算數據分析，自動準同期并列開關合閘后，機組電壓與系統電壓間存在相角差，角差由0°逐漸變大，經過5個周波，第6個周波達到最大值，角差值達到15°左右，對應電壓壓差達到64.4 kV,開關電流達到465.5 A，隨幅值逐漸變小，從圖3中可以明顯看出，各相電流在開關合閘后的變化規律基本一致。

機組誤上電保護阻抗定值采用全阻抗繼電器判據，誤上電保護最小動作電流1.08 A、動作阻抗46.7 Ω、動作電阻39.7 Ω。保護裝置記錄動作時刻的電壓和電流有效值，計算動作阻抗分別為：

Zab=Uab/Iab=101.952/2.220∠(90°-266°)=45.924∠-176° Ω

Zbc=Ubc/Ibc=101.687/2.211∠(329°-146°)=45.991∠183° Ω

Zca=Uca/Ica=101.522/2.211∠(210°-26°)=45.916∠184° Ω

記錄動作阻抗數值低于保護整定阻抗定值，阻抗元件動作出口停機，保護動作正確。采用微機保護校驗儀校驗誤上電保護整定定值邏輯及幅值[8]，保護校驗合格。

4 同期并網誤上電保護動作改善方案

根據錄波波形分析，合閘后機組三相電流波形均為正弦波，三相相角相差120°，波形對稱，說明機組合閘瞬間符合同期條件，沒有發生非同期合閘的沖擊現象；合閘后電流數個周波內幅值逐漸增大，原因為合閘前機組轉速和電壓建立時間均較快，同期裝置捕捉同期點也較快，實際當接入的系統容量較小，機組容量較大時，水機調速系統和勵磁系統動作時間常數較大，使機組和待并系統暫態參數滿足同期條件后合閘并網；但實際機組動態參數并沒有達到穩定，還在變化過程中，根據電流波形判斷持續時間約為11個周波(220 ms)后能夠恢復穩定。說明在并網時刻機組與系統有無功功率交換情況，電流數值較大，持續時間超過誤上電100 ms動作延時時間，是造成保護動作的原因。根據上述情況，采取如下改善辦法：

(1) 分步開機。開機→空轉→空載→并網→帶負荷分步進行。使機組在空載態穩定一段時間，再進行并網。改善機組并網時的機械和電氣運行工況，從而與系統運行情況更加接近。

(2) 優化勵磁參數和同期參數，降低并網后沖擊電流。對涉網勵磁裝置參數重新進行動態試驗測定，進行優化；將同期裝置電壓差定值由10 V降低到8 V，減少由于壓差造成的機組和系統間無功電流沖擊。導前時間根據實測斷路器動作時間、同期裝置出口繼電器動作時間、斷路器操作箱繼電器動作時間進行整定，使同期裝置同期點更接近實際的0°點[12-13]。

通過采取上述措施，在進行機組單機同期并網操作過程中，并網時刻沖擊電流下降到了0.3倍額定電流以下，滿足了并網期間對沖擊電流的要求，誤上電保護未動作，使機組順利完成并網操作，保證了機組和系統在并網期間的安全穩定運行。

5 結 語

本文結合發電機組同期并網過程中發生誤上電保護動作并網失敗的問題，分析動作原因，從水輪發電機組開機特點和它與機組誤上電保護之間配合存在的問題2個方面進行了研究和分析，提出了改進措施，從而提高了機組和系統運行的可靠性，并且通過實例進行了驗證。

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