發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)配置分析

賈龍飛

摘 ?要：近些年來(lái)，在發(fā)電機(jī)停機(jī)或啟機(jī)過(guò)程中，在未滿(mǎn)足同期條件時(shí)發(fā)電機(jī)的出口斷路器誤合閘，從而造成發(fā)電機(jī)的損傷，為了避免類(lèi)似的問(wèn)題，會(huì)在發(fā)電機(jī)組配備相應(yīng)的上電保護(hù)措施，基于此，本文著重對(duì)發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)配置進(jìn)行分析，分析誤上電事故以及保護(hù)邏輯，對(duì)發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)邏輯提出改進(jìn)策略，以及發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)改進(jìn)措施，進(jìn)一步減少因誤上電而引發(fā)的事故，提高誤上電保護(hù)配置的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī);誤上電;保護(hù)配置

當(dāng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中處于盤(pán)車(chē)狀態(tài)時(shí)，假設(shè)發(fā)電機(jī)的出口斷路器誤合，那么系統(tǒng)的三相工頻電壓就會(huì)突然在機(jī)端增加。轉(zhuǎn)子與定子繞組之間的滑差會(huì)增大，從而轉(zhuǎn)子本體中會(huì)產(chǎn)生一定的差頻電流致使轉(zhuǎn)子被燒傷，為規(guī)避類(lèi)似的危險(xiǎn)，通常會(huì)在大型發(fā)電機(jī)組中設(shè)置專(zhuān)門(mén)的誤上電保護(hù)措施。某電廠的1號(hào)2號(hào)發(fā)電機(jī)組通常由發(fā)電機(jī)出口斷路器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)之前，會(huì)利用500KV聯(lián)合開(kāi)關(guān)站給主變和高壓廠變倒送點(diǎn)。倘若發(fā)電機(jī)出口斷路器沒(méi)有進(jìn)行隔離刀閘設(shè)置，那么會(huì)在主變倒送電、發(fā)電機(jī)未并網(wǎng)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，只能有一個(gè)斷口，從而存在發(fā)生誤合閘的可能。因此，必須要加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改進(jìn)，從而確保發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)邏輯的有效性和可靠性。

1.誤上電事故分析及保護(hù)邏輯

1.1誤上電保護(hù)對(duì)應(yīng)的事故原因

誤上電指的是當(dāng)發(fā)電機(jī)在不滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)，將機(jī)組單相、兩相或是三相并入到系統(tǒng)中。其中包含以下幾種情況：①當(dāng)機(jī)組沒(méi)有加勵(lì)磁時(shí)發(fā)生誤合閘。比如發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，盤(pán)車(chē)、或是在轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)加速過(guò)程中，在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前或剛從系統(tǒng)斷開(kāi)后，高壓斷路器或機(jī)端出口斷路器產(chǎn)生單相或兩相閃絡(luò)的情況。②發(fā)電機(jī)并不是同期合閘，它包括當(dāng)頻率沒(méi)有達(dá)到允許值時(shí)，合閘角并網(wǎng)的斷路器誤合和頻率已經(jīng)接近較大額定值。因此導(dǎo)致誤上電事故產(chǎn)生的主要因素是由于誤操作或是絕緣不良及控制設(shè)備產(chǎn)生的誤動(dòng)作。

1.2誤上電的事故危害

1.2.1未加勵(lì)磁時(shí)的誤合閘

當(dāng)發(fā)電機(jī)處于未加勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)，勵(lì)磁開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的，此時(shí)的發(fā)電機(jī)定子三相電流值是0，機(jī)端電壓值是0。若高壓側(cè)或機(jī)端斷路器誤合閘定子有較強(qiáng)的電流時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)誤合閘會(huì)瞬間轉(zhuǎn)差為1，此時(shí)發(fā)電機(jī)的等效阻抗力最小、定子電流最大。定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，轉(zhuǎn)子表面會(huì)感應(yīng)出較強(qiáng)的電流，發(fā)電機(jī)會(huì)采用異步電動(dòng)機(jī)的方式來(lái)拖動(dòng)機(jī)組，此時(shí)機(jī)端會(huì)出現(xiàn)低電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)由廠用電系統(tǒng)誤上電時(shí)，因廠用變壓器有較大的阻抗，因此發(fā)電機(jī)定子中的電流很小，會(huì)產(chǎn)生輕微的影響。

當(dāng)發(fā)生誤合閘后轉(zhuǎn)子表面會(huì)迅速積聚大量的熱量，機(jī)組的容量越大，轉(zhuǎn)子承受的過(guò)熱能力就越小，大型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)更容易達(dá)到熱積累極限。在發(fā)電機(jī)的異步啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子軸上的葉片也會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，機(jī)械共振會(huì)產(chǎn)生材料疲勞的情況，嚴(yán)重時(shí)葉片還有可能出現(xiàn)斷裂。倘若在檢修發(fā)電機(jī)時(shí)軸承的潤(rùn)滑系統(tǒng)退出工作，誤合閘也會(huì)造成發(fā)電機(jī)的軸承受到損壞。

1.2.2斷路器斷口閃絡(luò)

斷路器斷口閃絡(luò)在進(jìn)行誤上電保護(hù)過(guò)程中，，通常會(huì)使用單相和兩相閃絡(luò)。發(fā)電機(jī)在啟停過(guò)程中只能靠斷路器與系統(tǒng)進(jìn)行隔離，因此斷路器斷口可能會(huì)承受2倍的峰值電壓，而發(fā)生閃絡(luò)時(shí)發(fā)電機(jī)定子中會(huì)流過(guò)很大的負(fù)序電流，產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)子約兩倍的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表層產(chǎn)生倍頻電流，對(duì)轉(zhuǎn)子的安全性構(gòu)成威脅。閃絡(luò)時(shí)還會(huì)在發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生沖擊轉(zhuǎn)矩，對(duì)斷路器觸頭間的絕緣產(chǎn)生破壞，使斷路器受到損壞。

1.2.3發(fā)電機(jī)非同期合閘

倘若發(fā)電機(jī)頻率已接近或等于系統(tǒng)頻率，而斷路器兩端電壓又較大的相位差，合閘會(huì)瞬間產(chǎn)生較強(qiáng)的合閘電流。當(dāng)斷路器兩端電壓正好反相且都是最大值時(shí)，合閘的電流會(huì)達(dá)到最大;當(dāng)兩端電壓相位角差為120度時(shí)，沖擊轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。

倘若在頻率較低時(shí)進(jìn)行發(fā)電機(jī)的合閘，不但會(huì)產(chǎn)生較大的頻率差，在機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓間幅值之間也會(huì)產(chǎn)生較大差異，會(huì)大大降低角度差合格的可能性。因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的差異較大，定子電流會(huì)在轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)頻率差電流，使轉(zhuǎn)子表面的局部溫度升高。如果熱積累時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子也會(huì)受到損壞。非同期合閘對(duì)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的巨大沖擊，會(huì)降低發(fā)電機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)直接損壞大軸。

1.3誤上電保護(hù)邏輯

1.3.1誤合閘保護(hù)邏輯

誤上電保護(hù)的誤合閘邏輯：

（1）如果發(fā)電機(jī)在盤(pán)車(chē)時(shí)，沒(méi)有加勵(lì)磁，會(huì)造成斷路器誤合，從而發(fā)電機(jī)異步起動(dòng)。采用兩組PT都是低電壓延時(shí)投入t1，電壓恢復(fù)，延時(shí)t2退出。

（2）發(fā)電機(jī)在起停過(guò)程中，如果加勵(lì)磁，但頻率比定值低，造成斷路器誤合。采用低頻判據(jù)延時(shí)t3投入，頻率判據(jù)延時(shí)t4返回，其時(shí)間應(yīng)確保能完成跳閘過(guò)程。

（3）發(fā)電機(jī)起停過(guò)程中，已經(jīng)加勵(lì)磁，但頻率比定值高，斷路器處于誤合或非同期。采用斷路器位置觸點(diǎn)，經(jīng)過(guò)控制字可以實(shí)現(xiàn)投退。考慮斷路器分閘時(shí)間，判據(jù)延時(shí)t3投入，延時(shí)t4退出，其時(shí)間應(yīng)確保能夠完成跳閘過(guò)程。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于非同期合閘狀態(tài)時(shí)，如果發(fā)電機(jī)斷路器的兩側(cè)電勢(shì)相差180度，那么非同期合閘的電流太大，跳閘容易致使斷路器受到損壞，而此刻閉鎖跳斷路器出口，應(yīng)當(dāng)先跳滅磁開(kāi)關(guān)等其他開(kāi)關(guān)。當(dāng)斷路器電流比定值低時(shí)再跳出口開(kāi)關(guān)。保護(hù)誤合閘的同時(shí)，取發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)電流，從而進(jìn)一步提高可靠性，RCS-985A/B發(fā)變組保護(hù)裝置還將主變高壓側(cè)電流大于0.1Ie作為輔助判斷的依據(jù)。誤上電保護(hù)I段對(duì)應(yīng)“跳其他開(kāi)關(guān)”，當(dāng)出現(xiàn)誤合閘時(shí)，主變高壓側(cè)電流會(huì)大于開(kāi)關(guān)并允許流入電流，閉鎖跳閘出口通道1、跳閘出口通道2;此功能只在“經(jīng)斷路器位置閉鎖投入”置1時(shí)才開(kāi)放，相比誤上電II段跳閘出口，不選擇跳閘出口通道1、跳閘出口通道2。

1.3.2斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)邏輯

斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)邏輯如圖2所示（RCS-985保護(hù)）：

斷路器閃絡(luò)保護(hù)取主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)電流。依據(jù)如下：

（1）斷路器的位置接點(diǎn)的狀態(tài)呈斷開(kāi);

（2）負(fù)序電流比整定值要高;

（3）發(fā)電機(jī)已經(jīng)加勵(lì)磁，機(jī)端電壓比固定值大。保護(hù)動(dòng)作滅磁和啟動(dòng)斷路器失去效用。

2.發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)邏輯改進(jìn)策略

2.1機(jī)組不加勵(lì)磁誤合閘

如果發(fā)電機(jī)組不施加勵(lì)磁信號(hào)，發(fā)電機(jī)定子通過(guò)的電流將變?yōu)榱?，定子兩端的電壓也?huì)為零。此時(shí)如果發(fā)電機(jī)組的出口斷路器因?yàn)檎`合閘信號(hào)而產(chǎn)生的一系列動(dòng)作，會(huì)加大定子通過(guò)的電流，當(dāng)發(fā)電機(jī)組定子停轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)誤合閘，這在一定程度上會(huì)降低發(fā)電機(jī)組的阻抗力，定子電流達(dá)到最大化，會(huì)燒壞發(fā)電機(jī)的定子部分。機(jī)組不加勵(lì)磁誤合閘也會(huì)使定子部分的電流增大，產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子部分在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)加速，會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑油的油壓低致使發(fā)電機(jī)組的軸瓦部分受到損壞。

2.2無(wú)勵(lì)磁非同期合閘

當(dāng)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子部分速度達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，且沒(méi)有閉合發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁開(kāi)關(guān)，如果出口斷路器的誤合閘是無(wú)勵(lì)磁非同期合閘，會(huì)降低發(fā)電機(jī)輸出的有用功率，為彌補(bǔ)損失的功率，發(fā)電機(jī)組會(huì)從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功功率，會(huì)使電網(wǎng)的無(wú)功功率下降，不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

2.3發(fā)電機(jī)非同期并網(wǎng)

倘若發(fā)電機(jī)組不能滿(mǎn)足所有的合閘條件，就容易產(chǎn)生非同期并網(wǎng)。在不同期磁場(chǎng)的作用下，并網(wǎng)定子中會(huì)產(chǎn)生巨大的感應(yīng)電流，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間也會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速差，在發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)頻率差電流，進(jìn)一步升高轉(zhuǎn)子表面的溫度。倘若溫度無(wú)法得到有效的散失會(huì)造成轉(zhuǎn)子的熱損傷。在沖擊電流的作用下也會(huì)有較大的沖擊力，使軸系扭振運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械部分受到一定程度的疲勞磨損，使電機(jī)組的使用壽命降低。

3.發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)改進(jìn)措施

3.1重新整定發(fā)電機(jī)定子繞組過(guò)電流元件定值

在發(fā)電機(jī)組進(jìn)行瞬時(shí)增壓過(guò)程中，其電抗接近額定電抗值Xd，且在發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中電抗值依舊能保持恒定不變;考慮到升壓變壓器的電抗Xb以及發(fā)電機(jī)組的電抗Xs，倘若Xs在裝置上保持較小值時(shí)，那么通過(guò)發(fā)電機(jī)定子繞組的電流會(huì)是額定電流的3到4倍;在非同期合閘階段，發(fā)電機(jī)組的沖擊電流也會(huì)比額定電流多很多。因此定子電流元件能根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，Krel的取值需要高于發(fā)電機(jī)組的額定電流。

3.1.1增加可靠的輔助判據(jù)

在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，正常情況下誤上電保護(hù)邏輯不會(huì)產(chǎn)生作用，在遇到誤上電情況時(shí)才會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。因此為了誤上電能夠受到準(zhǔn)確的保護(hù)，可以將勵(lì)磁開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)用于誤上電保護(hù)開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉輔助，這樣不僅能夠降低發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程中兩組PT同時(shí)斷線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，也能提高誤上電保護(hù)的準(zhǔn)確性和有效性。

3.1.2增加濾波裝置

為了規(guī)避發(fā)電機(jī)組誤上電保護(hù)系統(tǒng)受到電流擾動(dòng)而產(chǎn)生的誤啟動(dòng)問(wèn)題，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在回路中增設(shè)一定的濾波裝置，科學(xué)的降低諧波擾動(dòng)因其的誤上電情況，逐步提高誤上電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行。此外也要對(duì)投退方式進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和保護(hù)，避免發(fā)生誤動(dòng)的情況。通常情況下，在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)電機(jī)組誤上電保護(hù)系統(tǒng)會(huì)處于休眠狀態(tài)，因此可以采取此方法對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。在發(fā)電機(jī)組機(jī)組并網(wǎng)后，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要及時(shí)退出跳閘壓板，等待機(jī)組停運(yùn)后再進(jìn)行投入。

3.2誤合閘保護(hù)改造方案

誤合閘保護(hù)改造方案通過(guò)低頻低壓元件和斷路器輔助觸點(diǎn)對(duì)發(fā)電機(jī)是否處于盤(pán)車(chē)或轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，如果是機(jī)端出現(xiàn)電流，那么就認(rèn)為是誤上電，并且跳斷路器的啟動(dòng)會(huì)失效。電壓來(lái)源于機(jī)端電壓互感器，而電流來(lái)源于機(jī)端電流互感器。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)投入，并在并網(wǎng)后退出。斷路器本體的輔助動(dòng)斷觸點(diǎn)就是斷路器的輔助觸點(diǎn)。

方案中以低壓元件來(lái)判斷發(fā)電機(jī)盤(pán)車(chē)，在沒(méi)有合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)的情況下，低頻元件判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。該方案不考慮轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速且已合勵(lì)磁開(kāi)關(guān)時(shí)，發(fā)生非同期合閘的情況。因此可以在保護(hù)或同期裝置中，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的需要對(duì)非同期合閘保護(hù)功能加以設(shè)置。當(dāng)誤上電出口適當(dāng)延時(shí)，T3取100ms，過(guò)流定值取0.5倍的額定電流。T防抖動(dòng)時(shí)間是T，取50ms，T1和T2整定為1s。低壓元件取50～60V，低頻元件取48Hz。

結(jié)論

由此可見(jiàn)，很多情況下發(fā)電機(jī)組的誤上電會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，大型發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)時(shí)斷路器斷口閃絡(luò)和盤(pán)車(chē)等情況，誤合閘產(chǎn)生的電流會(huì)使機(jī)組設(shè)備受到損壞。為了避免類(lèi)似的問(wèn)題，目前很多大型機(jī)組都配備了專(zhuān)門(mén)的誤上電保護(hù)裝置。為進(jìn)一步提升誤上電保護(hù)的效果，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，從而促進(jìn)發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮濤.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁故障造成誤上電保護(hù)動(dòng)作分析及故障處理[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（24）：2401-2401，2660.

[2] 張海軍.發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)邏輯探討及其有效改進(jìn)策略研究[J].科技展望，2016，26（9）：104.