余熱發(fā)電站繼電保護(hù)配置及發(fā)電機(jī)整定計(jì)算分析

馮磊

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653400）

0 前言

某縣大型鋼鐵冶煉和水泥生產(chǎn)企業(yè)建有余熱發(fā)電站，利用廢氣、廢液等工質(zhì)中的熱或可燃質(zhì)作熱源，生產(chǎn)蒸汽用于發(fā)電。余熱發(fā)電不僅節(jié)能，還有利于環(huán)境保護(hù)，隨著國(guó)家節(jié)能減排力度不斷加大，余熱發(fā)電項(xiàng)目將會(huì)越來(lái)越多。余熱發(fā)電站屬用戶自備電廠，所發(fā)電量全部用于內(nèi)部負(fù)荷消納，不能上送電網(wǎng)，如果余熱發(fā)電站的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)不符合要求，將會(huì)影響發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。針對(duì)余熱發(fā)電的特點(diǎn)，本文以某鋼鐵廠余熱發(fā)電站為例，對(duì)其相關(guān)繼電保護(hù)配置進(jìn)行分析計(jì)算，提出一套適合余熱發(fā)電站的繼電保護(hù)配置及發(fā)電機(jī)整定計(jì)算方案，既符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也滿足并網(wǎng)要求。

1 電氣主接線

余熱發(fā)電站的電氣主接線見(jiàn)圖1，直接采用發(fā)電機(jī)電壓母線的直供方式，通過(guò)一回10 kV電纜線路接至110 kV降壓變電站10 kV I段母線的電氣間隔，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用避雷器保護(hù)的不接地方式[2]，降壓站高壓側(cè)采用內(nèi)橋接線[1]，低壓側(cè)10 kV分段。

圖1 鋼鐵廠電氣主接線圖

余熱發(fā)電站投入增加了降壓站10 kV母線的短路電流，校核10 kV用電設(shè)備的短路開(kāi)斷能力低于最大短路電流，采取限流措施，在其并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上串聯(lián)加裝限流電抗器[3]，從節(jié)能和防電磁干擾的角度出發(fā)，配套使用大容量高速開(kāi)關(guān)。

2 繼電保護(hù)配置

2.1 110 kV降壓變電站

1）為防止余熱電量上送電網(wǎng)，在110 kV I回進(jìn)線、110 kV II回進(jìn)線處分別配置1套逆功率保護(hù)裝置，當(dāng)檢測(cè)到有從110 kV母線輸送到兩回進(jìn)線的逆向功率，保護(hù)裝置動(dòng)作跳開(kāi)10 kV并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線3QF斷路器。

2）調(diào)整110 kV兩回進(jìn)線的重合閘檢定方式，電網(wǎng)側(cè)投“檢無(wú)壓”重合閘方式，降壓站側(cè)投“檢同期”或“檢線路有壓檢母線無(wú)壓”重合閘方式[4]。

3）110 kV #1、#2主變高后備間隙保護(hù)投入聯(lián)跳10 kV并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的功能，低后備復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)投入方向閉鎖功能，方向指向母線側(cè)。

4）考慮余熱發(fā)電站與降壓站的保護(hù)時(shí)差配合，10 kV并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)分別配置1套10 kV線路光纖差動(dòng)保護(hù)裝置，過(guò)流保護(hù)投入方向閉鎖功能，方向指向線路側(cè)。

2.2 10 kV余熱發(fā)電站

1）110 kV兩回進(jìn)線和主變跳閘的情況下，完全靠余熱發(fā)電電量難以滿足負(fù)荷要求，不考慮孤網(wǎng)（孤島）運(yùn)行方式，配置1套頻率電壓解列裝置。

2）余熱發(fā)電站與降壓站的同期點(diǎn)設(shè)置在發(fā)電機(jī)出口1QF斷路器兩側(cè)，配置1套自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。

3 發(fā)電機(jī)整定計(jì)算

發(fā)電機(jī)整定計(jì)算參照相關(guān)整定原則[5]設(shè)置，并借鑒工程計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)值[6]，發(fā)電機(jī)額定一次電流IG.N=1374.6 A，額定二次電流Ig.n=3.44 A，發(fā)電機(jī)機(jī)端一次線電壓UG.N=10.5 kV，二次線電壓Ug.n=100 V。使用Relay-CAC整定軟件計(jì)算系統(tǒng)短路電流，降壓站主變高壓側(cè)110 kV母線兩相最小短路電流Ik（2）=3978 A（歸算至余熱發(fā)電站10 kV母線），余熱發(fā)電站10 kV母線兩相最小短路電流Ik（2）=7740 A。

3.1 發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)

1）比率差動(dòng)起動(dòng)電流：按躲過(guò)發(fā)電機(jī)額定負(fù)荷狀態(tài)下的最大不平衡電流整定Iop.0=0.25Ig.n

2）比率差動(dòng)拐點(diǎn)電流：Ires.0=0.8Ig.n

3）比例制動(dòng)系數(shù)：S=0.5

4）差動(dòng)速斷電流：按最大外部短路電流不誤動(dòng)整定，Iop.qu=4Ig.n=4×3.44=13.76 A

5）差流越限告警電流：I=0.15Ig.n

6）TA斷線視為設(shè)備故障，所以TA斷線時(shí)不閉鎖發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)，TA二次回路斷線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)作用于跳閘停機(jī)，同時(shí)發(fā)TA斷線信號(hào)。

3.2 發(fā)電機(jī)橫差動(dòng)保護(hù)

1)保護(hù)動(dòng)作電流：按躲發(fā)電機(jī)外部短路或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的最大不平衡電流整定。

2)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：正常運(yùn)行時(shí)零序電流型橫差保護(hù)不經(jīng)本時(shí)限出口，而是瞬時(shí)動(dòng)作停機(jī)，只有當(dāng)勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作后零序電流型橫差保護(hù)才經(jīng)本時(shí)限出口動(dòng)作于停機(jī)。按防止勵(lì)磁回路發(fā)生瞬時(shí)性第二點(diǎn)接地故障時(shí)橫差保護(hù)誤動(dòng)整定，取Top=0.5 s。

3.3 發(fā)電機(jī)縱向零序過(guò)電壓

1）保護(hù)動(dòng)作電壓：按躲區(qū)外短路時(shí)最大縱向基波零序不平衡電壓整定，Uop=8 V。

2）保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：為確保在專用TV一次斷線時(shí)不誤動(dòng)，根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐取Top=0.2 s。

3）負(fù)序功率方向元件：為防止外部短路時(shí)誤動(dòng)，采用負(fù)序功率方向元件閉鎖縱向零序過(guò)電壓保護(hù)。

3.4 發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)電流保護(hù)整定計(jì)算

式中：Krel——可靠系數(shù)；

Kr——返回系數(shù)。

式中：I(2)kmin——主變壓器高壓側(cè)母線金屬性兩相短路時(shí)，流過(guò)保護(hù)的最小短路電流。要求靈敏系數(shù)Ksen≥1.2。

2)保護(hù)動(dòng)作電壓：低電壓取機(jī)端TV二次線電壓，Uop=0.6Ug.n；負(fù)序電壓取機(jī)端TV二次線電壓，按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電壓整定，Uop2=0.07Ug.n。

3）保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：按與降壓站主變過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間配合整定，Top＝Tmax+ΔT。

3.5 發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)

式中：Krel——可靠系數(shù)；

Kr——返回系數(shù)。

2）過(guò)負(fù)荷動(dòng)作時(shí)間：按躲過(guò)發(fā)電機(jī)后備保護(hù)的最大延時(shí)整定，Top＝Tmax+ΔT。

3.6 發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)

1)基波零序電壓：電壓量取自機(jī)端TV開(kāi)口三角繞組，按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)機(jī)端三相電壓互感器開(kāi)口三角繞組的最大不平衡電壓整定，Uop=0.1Ug.n。

2)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)將發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地基波零序過(guò)電壓保護(hù)視為主保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間盡可能短。

3.7 發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)電壓保護(hù)整定計(jì)算

1）保護(hù)動(dòng)作電壓：電壓量取機(jī)端TV二次線電壓，Uop=1.3Ug.n。

2）保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：Top=0.5 s。

3.8 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

1）乒乓式一點(diǎn)接地保護(hù)

保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作電阻：Rg1=10 kΩ。

保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作時(shí)間：按躲過(guò)勵(lì)磁回路瞬時(shí)性接地和轉(zhuǎn)子繞組暫態(tài)過(guò)程中誤動(dòng)整定。

保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作電阻：Rg2=1 kΩ。

保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作時(shí)間：按躲過(guò)勵(lì)磁回路瞬時(shí)性接地和轉(zhuǎn)子繞組暫態(tài)過(guò)程中誤動(dòng)整定。

2）乒乓式兩點(diǎn)接地保護(hù)

轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地位置變化量：△a=0.05轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地動(dòng)作時(shí)間：Top=1 s。

3.9 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表層負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)

式中：Krel——可靠系數(shù)；

Kr——返回系數(shù)；

I2∞*——發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許負(fù)序電流的標(biāo)么值，以發(fā)電機(jī)額定電流為基準(zhǔn)，由制造廠家提供，一般I2∞*≤10%。

2)負(fù)序動(dòng)作時(shí)間：按躲降壓站主變高壓側(cè)兩相短路整定，Top＝0.5 s。

3.10 發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)

圖2 阻抗動(dòng)作特性（圓1稱為異步邊界阻抗圓，圓2稱為靜穩(wěn)極限阻抗圓）

1）低電壓元件：低電壓取機(jī)端TV二次線電壓，按躲過(guò)強(qiáng)行勵(lì)磁啟動(dòng)電壓及不破壞廠用電的安全整定，Uop=0.85Ug.n。

2）負(fù)序電壓元件：負(fù)序電壓取機(jī)端TV二次線電壓，Uop2=0.07Ug.n。

3）異步邊界阻抗圓

式中：Xd＇、Xd——發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗和同步電抗標(biāo)么值；

UG.N、SG.N——發(fā)電機(jī)額定電壓和額定視在功率；

NTA、NTV——電流互感器和電壓互感器變比。

4)靜穩(wěn)極限阻抗圓

式中：Xcon是發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間的聯(lián)系電抗（包括降壓站變壓器阻抗）有名值（歸算至發(fā)電機(jī)側(cè)），即最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)歸算至發(fā)電機(jī)母線的等值電抗有名值。

5）失磁保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：按躲過(guò)振蕩過(guò)程中短時(shí)的電壓降低整定。

4 結(jié)束語(yǔ)

余熱發(fā)電站為企業(yè)內(nèi)部的自備電站，用戶在建設(shè)投資時(shí)要充分考慮電站接入對(duì)降壓站和系統(tǒng)側(cè)帶來(lái)的影響，明確二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。用戶委托第三方計(jì)算的余熱發(fā)電站保護(hù)定值，存在取值不合理的情況，特別是發(fā)電機(jī)的保護(hù)定值。為保證余熱發(fā)電站及電網(wǎng)的安全運(yùn)行，對(duì)余熱發(fā)電項(xiàng)目提出以下幾點(diǎn)建議：

1)在降壓站電源進(jìn)線的母線側(cè)增加逆功率保護(hù)裝置，合理設(shè)置電源進(jìn)線兩側(cè)重合閘；

2）完善降壓站主變高后備間隙保護(hù)聯(lián)跳小電功能，投入相關(guān)保護(hù)的方向閉鎖功能；

3）余熱發(fā)電站與降壓站并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線使用光纖差動(dòng)保護(hù)裝置；

4）在余熱發(fā)電站側(cè)裝設(shè)同期裝置和頻率電壓解列裝置；

5）按相關(guān)整定原則對(duì)余熱發(fā)電站的保護(hù)定值進(jìn)行整定計(jì)算。