有色冶煉企業(yè)余熱發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)配置及整定計(jì)算實(shí)例

卞海林

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 汽輪發(fā)電機(jī)故障和不正常工作狀態(tài)及相應(yīng)的保護(hù)配置

有色冶煉企業(yè)內(nèi)的余熱發(fā)電汽輪發(fā)電機(jī)有別于電網(wǎng)內(nèi)的火電廠汽輪發(fā)電機(jī),有自身的特點(diǎn)。它通過(guò)余熱鍋爐將生產(chǎn)過(guò)程中的廢熱轉(zhuǎn)化為蒸汽進(jìn)行發(fā)電,蒸汽量的大小受冶煉規(guī)模的限值,且隨冶煉過(guò)程波動(dòng)變化。余熱發(fā)電機(jī)組容量一般不會(huì)很大,基本為50 MW以下的小型汽輪發(fā)電機(jī)組；另外余熱發(fā)電均為中壓側(cè)直接并網(wǎng),所發(fā)電量廠內(nèi)直接消耗,不需要升壓變壓器。其繼電保護(hù)配置必須根據(jù)自身的特點(diǎn)來(lái)合理配置。

根據(jù)《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》GB/T 14285—2006的規(guī)定,繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)應(yīng)以合理的運(yùn)行方式和可能的故障類型為依據(jù),并應(yīng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性四項(xiàng)基本要求。

1.1 余熱發(fā)電的汽輪發(fā)電機(jī)可能發(fā)生的故障及相對(duì)應(yīng)的保護(hù)配置

1.1.1 發(fā)電機(jī)定子繞組相間短路

定子繞組相間短路會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流,嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機(jī)。因此,應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù),動(dòng)作于發(fā)電機(jī)停機(jī)。

1.1.2 發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路

定子繞組匝間短路會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流,引起故障處溫度升高,使絕緣老化,甚至擊穿絕緣,發(fā)展成單相接地或相間短路,擴(kuò)大發(fā)電機(jī)事故。因此,應(yīng)裝設(shè)橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù),動(dòng)作于發(fā)電機(jī)停機(jī)。

1.1.3 發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地

發(fā)電機(jī)單相接地后,其電容電流流過(guò)故障點(diǎn)鐵芯,當(dāng)電容電流較大或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),會(huì)使鐵芯熔化損壞。因此,應(yīng)裝設(shè)定子繞組接地保護(hù),動(dòng)作于發(fā)信號(hào)報(bào)警。

1.1.4 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地,轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地

轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地由于沒(méi)有構(gòu)成通路,對(duì)發(fā)電機(jī)沒(méi)有直接危害,因此應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù),保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)報(bào)警。如轉(zhuǎn)子再發(fā)生另一點(diǎn)接地,就會(huì)造成轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地,則轉(zhuǎn)子繞組一部分被短接,這樣不但會(huì)燒毀轉(zhuǎn)子繞組,而且由于部分繞組短接后破壞磁路對(duì)稱性,造成磁勢(shì)不平衡而引起機(jī)組劇烈振動(dòng)。因此應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地穩(wěn)定后投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)壓板,轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作于停機(jī)。

1.1.5 發(fā)電機(jī)失磁

發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子繞組斷線、勵(lì)磁回路故障或滅磁開(kāi)關(guān)誤動(dòng)等原因,將造成轉(zhuǎn)子失磁,失磁故障不僅對(duì)發(fā)電機(jī)造成危害,而且吸收電力系統(tǒng)大量無(wú)功,嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全,因此應(yīng)裝設(shè)失磁保護(hù),動(dòng)作于跳閘。

1.2 汽輪發(fā)電機(jī)的不正常工作狀態(tài)及相應(yīng)的保護(hù)配置

(1)由于外部短路、非周期合閘以及系統(tǒng)振蕩等原因引起發(fā)電機(jī)過(guò)電流,應(yīng)裝設(shè)復(fù)合電壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)、負(fù)序過(guò)電流保護(hù),作為外部短路和內(nèi)部短路的后備保護(hù),動(dòng)作于停機(jī)。

(2)由于負(fù)荷超過(guò)發(fā)電機(jī)額定值引起發(fā)電機(jī)對(duì)稱過(guò)負(fù)荷,應(yīng)裝設(shè)過(guò)負(fù)荷保護(hù),動(dòng)作于發(fā)信號(hào)報(bào)警。對(duì)于負(fù)序電流超過(guò)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許值所造成的不對(duì)稱過(guò)負(fù)荷,應(yīng)裝設(shè)負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù),動(dòng)作于發(fā)信號(hào)報(bào)警。

(3)在突然甩負(fù)荷時(shí),因其發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)過(guò)程比較緩慢,轉(zhuǎn)速急劇上升而引起過(guò)電壓。因此應(yīng)裝設(shè)過(guò)電壓保護(hù),動(dòng)作于停機(jī)。

(4)當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)主汽門突然關(guān)閉而發(fā)電機(jī)斷路器未斷開(kāi)時(shí),發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收有功而過(guò)渡到同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),對(duì)汽輪機(jī)葉片尤其是尾葉造成過(guò)熱損傷等。因此應(yīng)裝設(shè)逆功率保護(hù),動(dòng)作于停機(jī)。

(5)汽輪機(jī)葉片有自己的自振頻率,并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī),當(dāng)系統(tǒng)頻率異常時(shí),汽輪機(jī)葉片可能產(chǎn)生共振,從而使葉片發(fā)生疲勞,長(zhǎng)久下去可能損壞汽輪機(jī)的葉片。因此應(yīng)裝設(shè)頻率保護(hù),動(dòng)作于停機(jī)。

2 工程實(shí)例

下文通過(guò)工程實(shí)例,對(duì)余熱發(fā)電機(jī)組的保護(hù)整定計(jì)算加以說(shuō)明。

某有色冶煉廠設(shè)有一個(gè)余熱發(fā)電站,安裝有一臺(tái)容量為7 500 kW的某進(jìn)口余熱發(fā)電機(jī)組,定子繞組為單星型。該電站通過(guò)一路并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線與附近的10 kV配電站并網(wǎng)。該站內(nèi)10 kV母線的最大運(yùn)行方式下的短路電流為11.8 kA,最小運(yùn)行方式下的短路電流為10.9 kA。系統(tǒng)主接線如下：

短路電流采用標(biāo)幺值法計(jì)算,基準(zhǔn)電壓UB=10.5 kV；基準(zhǔn)容量SB=100 MVA；基準(zhǔn)電流IB=5.5 kA。

2.1 繼電保護(hù)配置

針對(duì)故障類型以及不平衡運(yùn)行狀態(tài),發(fā)電機(jī)自身參數(shù)等等,應(yīng)裝設(shè)一下繼電保護(hù)裝置：

(1)由于發(fā)電機(jī)的功率為7.5 MW,所以應(yīng)裝設(shè)縱差保護(hù)。

(2)容量小于50 MW的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值為4 A,裝設(shè)接地保護(hù)裝置。

(3)雖然定子繞組為星形接線,但每相沒(méi)有并聯(lián)分支,故不裝設(shè)橫差保護(hù)。

圖1 系統(tǒng)主接線

(4)復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)。

(5)帶延時(shí)的過(guò)電壓保護(hù)。

(6)失磁保護(hù)。

(7)發(fā)電機(jī)頻率保護(hù)。

(8)逆功率保護(hù)。

2.2 繼電保護(hù)整定

2.2.1 相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)備

發(fā)電機(jī)額定電流Ief=485 A；

發(fā)電機(jī)額定電壓Uef=10.5 kV；

發(fā)電機(jī)額定視在功率：S=8 825 kVA；

電流互感器變比：nl=500/1=500；

電壓互感器變比：ny=10 500/100=105；

零序電流互感器變比：nl0=60/1=60；

最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)電抗：XS=0.73；

發(fā)電機(jī)同步電抗：Xd=2.2；

發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗：X′d=20%；

發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗：X″d=14.5%；

發(fā)電機(jī)負(fù)序電抗：X(2)=17.5%；

發(fā)電機(jī)零序電抗：X(0)=7.5%；

最小運(yùn)行方式下：發(fā)電機(jī)出口三相短路流過(guò)保護(hù)裝置的最小短路電流：

2.2.2 保護(hù)整定計(jì)算

雖然不同微機(jī)保護(hù)廠家的保護(hù)配置和保護(hù)原理上有些許差別,但大體上是相同的,其保護(hù)的整定計(jì)算也基本類似。

2.2.2.1 主保護(hù)整定

比例制動(dòng)式縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)：

發(fā)電機(jī)比例制動(dòng)式縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的基本原理是比較發(fā)電機(jī)兩側(cè)的電流的大小和相位,反映發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線的相間短路,是發(fā)電機(jī)的主要保護(hù)。在微機(jī)保護(hù)裝置中廣泛采用比率差動(dòng)保護(hù)。比率差動(dòng)保護(hù)的作用原理是它的動(dòng)作電流隨著外部故障的短路電流的增大而自動(dòng)增大,而且動(dòng)作電流的增大比不平衡電流增大的更快,使其在任何情況下的外部故障時(shí)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。將外部故障的短路電流作為制動(dòng)電流,把流入差動(dòng)回路的電流作為動(dòng)作電流,如動(dòng)作電流大于制動(dòng)電流,則保護(hù)動(dòng)作；反之保護(hù)不動(dòng)作。

①保護(hù)裝置最小動(dòng)作電流(按躲過(guò)最大負(fù)荷條件下差回路的不平衡電流整定)：

式中KK—可靠系數(shù),一般取1.3～1.5；

Kfzq—非周期分量影響系數(shù),一般取1.0；

Ktx—電流互感器的同型系數(shù),取0.5；

fi—電流互感器的最大相對(duì)誤差,取0.1；

Ie.f—發(fā)電機(jī)的一次額定電流；

nl—電流互感器變比。

實(shí)際上最小動(dòng)作電流的確定還要根據(jù)選定的制動(dòng)系數(shù)和繼電器的固有動(dòng)作電流來(lái)確定。

運(yùn)行中的設(shè)備可由實(shí)測(cè)決定,但不能小于繼電器的固有動(dòng)作電流,規(guī)程規(guī)定具有比率制動(dòng)的發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)Iopmin=0.1～0.3Ief,一般取0.2Ief。

②比率制動(dòng)拐點(diǎn)的整定

在負(fù)荷電流下,CT誤差很小,不平衡電流也很小,因此即使無(wú)制動(dòng)電流也不會(huì)誤動(dòng),則拐點(diǎn)應(yīng)取(0.8～1)I2ef,考慮一定的可靠性取Ires=0.8I2ef=0.8×485/500=0.78 A。

③比例制動(dòng)系數(shù)：Ks=KKKfzqKtxfi=(1.3～1.5)×1×0.5×0.1=0.065～0.075。

考慮到實(shí)際應(yīng)用中電流互感器的飽和或TA暫態(tài)特性的不一致,同時(shí)為了防止外部短路誤動(dòng)作,適當(dāng)提高差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性折線斜率,推薦Ks取0.3～0.5,兼顧到靈敏度的要求,一般取較小值,即Ks=0.3。

④靈敏度校驗(yàn)

式中—發(fā)電機(jī)出口金屬性兩相短路時(shí)流進(jìn)保

護(hù)安裝處的最小短路電流；

Idz—對(duì)應(yīng)于所校驗(yàn)繼電器的動(dòng)作電流；

KS—比例制動(dòng)系數(shù)。

2.2.2.2 后備保護(hù)整定

(1)復(fù)合電壓起動(dòng)的過(guò)電流保護(hù)

發(fā)電機(jī)相間短路保護(hù)通常反應(yīng)出過(guò)電流,為了區(qū)別正常過(guò)負(fù)荷還是內(nèi)部故障事故過(guò)電流,過(guò)電流保護(hù)通常需要加裝低壓元件來(lái)作為判別用,即復(fù)合電壓閉鎖過(guò)電流保護(hù)。

①保護(hù)裝置動(dòng)作電流

式中KK—可靠系數(shù),一般取1.2；

Kh—返回系數(shù),一般取0.95；

Ief—發(fā)電機(jī)的一次額定電流；

nl—電流互感器變比。

②負(fù)序電壓元件(按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電壓整定)

式中U2e—額定電壓二次值；

③相間低電壓元件(按躲過(guò)電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)或發(fā)電機(jī)失磁而出現(xiàn)非同步運(yùn)行方式時(shí)的最低電壓定值整定)

式中U2e—額定電壓二次值。

(2)定時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)

保護(hù)裝置動(dòng)作電流(對(duì)稱過(guò)負(fù)荷按發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許的負(fù)荷電流條件下能可靠返回的條件來(lái)整定)：

式中KK—可靠系數(shù),一般取1.05；

Kh—返回系數(shù),一般取0.95；

Ief—發(fā)電機(jī)的一次額定電流。

nl—電流互感器變比。

(3)負(fù)序過(guò)流保護(hù)

發(fā)電機(jī)由于負(fù)荷不平衡或外部不對(duì)稱短路而產(chǎn)生的負(fù)序電流,將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生附加損失和額外溫升。如不及時(shí)處理,就可能嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機(jī),因此應(yīng)裝設(shè)負(fù)序過(guò)電流保護(hù)。

負(fù)序過(guò)流按躲過(guò)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許的負(fù)序電流值和躲過(guò)最大負(fù)荷下負(fù)序電流濾過(guò)器的不平衡電流整定：

式中Ief—發(fā)電機(jī)的一次額定電流；

nl—電流互感器變比。

延時(shí)1 s。

2.2.2.3 零序電流保護(hù)

按規(guī)程規(guī)定,50 MW以下發(fā)電機(jī)組允許的接地電流值為4 A,根據(jù)零序CT給的參數(shù),將4 A換算成二次值,乘以1.1倍可靠系數(shù)即可。

即：Idz0=1.1×4/60=0.073 A。

2.2.2.4 過(guò)電壓保護(hù)

保護(hù)動(dòng)作電壓整定值：

式中U2e—額定電壓二次值；

保護(hù)動(dòng)作延時(shí),一般取0.5 s。

2.2.2.5 低電壓保護(hù)

保護(hù)動(dòng)作電壓整定值：Udz=(0.7～0.8)U2e=(0.7～0.8)×100=70～80 V。

建議取80 V。

2.2.2.6 失磁保護(hù)

(1)阻抗元件整定

本公司保護(hù)為異步邊界阻抗判據(jù),采用下式：

式中Se—發(fā)電機(jī)額定容量；

Ue—發(fā)電機(jī)額定電壓；

nl—發(fā)電機(jī)CT變比；

ny—發(fā)電機(jī)PT變比；

Kk—可靠系數(shù),取1.2；

X′d—發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗；

Xd—發(fā)電機(jī)同步電抗。

延時(shí)一般取0.5～1 s用以躲開(kāi)系統(tǒng)振蕩誤動(dòng)。

(2)低電壓元件整定：Udz=(0.7～0.8)U2e=(0.7～0.8)×100=70～80 V,建議取80 V。

(3)負(fù)序電壓元件整定值：Udz=(0.05～0.06)U2e=(0.05～0.06)×100=5～6 V,建議取6 V。

2.2.2.7 接地保護(hù)

(1)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地

余熱發(fā)電機(jī)為空冷的發(fā)電機(jī)組,高定值一般取10～30 kΩ,低定值一般取0.5～2.5 kΩ；動(dòng)作時(shí)限取5～10 s。

(2)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地

接地位置變化Δa(%)一般取10%左右,根據(jù)不同發(fā)電機(jī)做相應(yīng)調(diào)整,延時(shí)盡量短,為躲過(guò)瞬時(shí)接地引起的兩點(diǎn)接地現(xiàn)象,應(yīng)考慮短延時(shí),一般取1 s左右。

(3)定子一點(diǎn)接地(基波零序電壓)

一般取15～25 V,本例取20 V,延時(shí)1 s。

2.2.2.8 頻率積累保護(hù)

整定如下：48.0 Hz-累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不低于2 h,47.5 Hz-累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不低于1 h,50.5～51.0 Hz-累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不低于180 min,51.0～51.5 Hz-累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不低于30 min。

2.2.2.9 逆功率保護(hù)

(1)逆功率保護(hù)動(dòng)作功率整定

建議一般按1%的額定有功整定,故取Pop=0.01×7 500=75 kW。

(2)延時(shí)整定

逆功率保護(hù),不經(jīng)主氣門觸點(diǎn)閉鎖,延時(shí)15 s動(dòng)作于信號(hào),延時(shí)60 s動(dòng)作于解列。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著有色冶煉廠余熱發(fā)電項(xiàng)目的投產(chǎn),發(fā)電機(jī)已經(jīng)成為其內(nèi)部電網(wǎng)的重要組成部分。本文通過(guò)分析發(fā)電機(jī)可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài),提出相應(yīng)繼電保護(hù)方案、整定計(jì)算原則及實(shí)例計(jì)算,對(duì)類似發(fā)電機(jī)的保護(hù)整定具有一定的參考借鑒作用。