擴大單元接線方式下發電機保護配合的優化

雷 寧，黃 超，李 江

(蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

目前，過流保護和差動保護在電力行業應用十分廣泛，但是某電廠采用兩機并聯的擴大單元接線方式的發電機，按以上原理配置的保護卻存在無選擇性的問題。針對此問題提出改進方案，以消除并聯運行的發電機誤跳閘的風險。

1 擴大單元接線方式保護配置

為了提高供電可靠性，適應機組靈活的啟停需求，某大型電廠的重要敏感設備需要通過擴大單元接線方式的發電機組進行供電。每臺發電機均配置1臺斷路器和1套單獨的保護裝置，以確保單臺機組運行、檢修或者是故障工況下，不會對另外一臺機組有影響，其配置如圖1所示。

圖1 擴大單元接線保護配置

該電廠2臺發電機組分別配置過電流速斷保護、過電流延時保護、差動保護、逆功率保護、過壓保護、勵磁保護以及斷路器過流速斷和過流延時保護。擴大單元接線保護定值單如表1所示。

2 保護配置問題分析

由于擴大單元接線方式存在單臺機組運行或2臺機組運行的方式，方向元件難以整定，故未配置。2臺機組之間過流速斷保護、斷路器過流速斷保護無時間和方向選擇的配合，導致保護動作無選擇性，將會引起非故障機組誤跳閘風險，屆時將會引起2臺發電機同時跳閘，2路電源同時失電。

表1 擴大單元接線保護定值單

例如，當發電機A內部發生短路故障時，其差動保護、過流速斷保護以及發電機B的過流速斷保護和斷路器本體的速斷保護均會瞬間動作，屆時將跳開發電機A和B出口斷路器，導致下游設備的供電可靠性得不到保證。

3 保護配置優化方案

針對2臺機組保護配置無選擇性動作的缺陷進行優化，并制定了以下2種方案：

(1) 取消過流速斷保護和斷路器速斷保護；

(2) 取消過流速斷保護和斷路器速斷保護，增加母差保護。

對2種方案的優缺點進行了分析、對比，如表2所示。通過表2可以看出，方案1較方案2更為簡單可行，可保證保護裝置有選擇性地跳開故障回路，但需要對發電機、電纜和母排的熱穩定性進行校驗。

3.1 發電機的熱穩定校驗

發電機的短路電流：

式中：Ik為穩態短路電流，A；為暫態短路電流，A；為次暫態短路電流，A；SB為發電機容量，kVA；UN為發電機額定電壓，V。

表2 保護配置優化方案對比

查詢發電機產品手冊：穩態電抗Xd=0.800；暫態電抗=0.122 8；次暫態電抗=0.093；SB=400 kVA；UN=260 V。

因此，當發生差動保護區外故障時，若保護動作時間設置為0.4 s并考慮斷路器全開斷時間為0.2 s。

短路電流產生的熱效應估算：

式中：Qt為短路電流產生的熱效應，kA2·s；Qz為短路電流周期分量引起的熱效應，kA2·s；Qf為短路電流非周期分量引起的熱效應，kA2·s；t1為非周期分量等效時間，s；t2為保護動作分斷時間，s。

發電機能承受的熱效應為：

式中：Ith為沖擊電流，A；tth為沖擊電流持續時間，s。

根據發電機廠家資料：Ith=3IN；tth=2 s。

因為短路電流產生的熱效應Qt小于發電機能承受的熱效應Q，所以當發生短路故障時，能夠保證發電機的安全。

3.2 電纜的熱穩定校驗

當Qt為1.79 kA2·s時，電纜最小截面積為：

其中c=137(銅芯電纜)。

現場所選用的電纜截面為150 mm2，可以滿足熱穩定要求。

3.3 母線的熱穩定校驗

核算母線熱穩定性，確保發生短路時，母線能夠滿足熱穩定要求。通過查找發電機出口斷路器柜產品資料，母線短路耐受電流為50 kA，峰值耐受電流為105 kA，由計算得出穩態短路電流Ik=1.11 kA；暫態短路電流=7.23 kA；次暫態短路電流=9.55 kA，母線滿足熱穩定要求。

綜上所述，當差動保護區外出現過流故障時，發電機、斷路器、母線等元件均可承受0.4 s的短路電流。因此，取消2臺發電機的過流速斷保護和斷路器速斷保護的方案可行。當發電機內部短路故障時由差動保護作為主保護，由過電流定時限保護以及出口斷路器的2段定時限保護作為后備保護。

4 區內/區外故障狀態下保護動作分析

差動保護具有明確的選擇性，可依據差動電流為判據來識別故障范圍，當出現單臺發電機內部故障或者是差動保護兩側電流互感器之間發生短路故障時，發電機差動電流突然增大，將會瞬時跳開該臺發電機的出口斷路器，此時2臺發電機的過流保護裝置均不會動作，不會影響另一臺發電機的正常工作。當出現發電機區外故障時，差動保護裝置檢測到CT1與CT3之間無差流，不會動作。2臺發電機的過流保護延時0.4 s后動作，分別跳開發電機出口斷路器，此時差動保護不會動作。

5 結束語

對擴大單元接線方式的發電機單元保護配置存在的無選擇性缺陷進行了分析，提出了2種解決方案。比較后，選擇了取消發電機過流速斷保護和斷路器速斷保護，保留原有其他保護的方案。優化后的保護配置克服了原保護配置中過流速斷保護和斷路器速斷保護不具有選擇性的缺點，消除了單臺機組故障時跳開所有機組的風險，確保了重要敏感設備供電的可靠性。