大型水輪發(fā)電機(jī)出口開關(guān)失靈保護(hù)判據(jù)及優(yōu)化

王貴來

（貴州黔源電力股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

目前，大型水輪機(jī)組和1 000 MW汽輪機(jī)組普遍安裝了發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（GCB）[1，2]。安裝有GCB的發(fā)電機(jī)組優(yōu)點(diǎn)是檢修時(shí)不用停運(yùn)主變，開關(guān)站的接線方式完整，可靠性高；當(dāng)發(fā)電機(jī)故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳開GCB，主變保持帶廠用變運(yùn)行方式，廠用電可靠性大大提高[3-6]。安裝GCB的機(jī)組常規(guī)配置有GCB失靈保護(hù)，文章結(jié)合多起失靈保護(hù)拒動(dòng)案例，從發(fā)電機(jī)出口開關(guān)失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯和整定計(jì)算兩個(gè)角度進(jìn)行分析，提出動(dòng)作邏輯及整定計(jì)算優(yōu)化建議，有效提高保護(hù)動(dòng)作可靠性，防止事故擴(kuò)大和發(fā)電機(jī)故障損壞。

1 發(fā)電機(jī)出口開關(guān)失靈保護(hù)拒動(dòng)案例

1.1 GCB內(nèi)PT破裂漏液

某水電站發(fā)電機(jī)變壓器組為單元接線，發(fā)電機(jī)出口有ABB公司開關(guān)HEC-7S，電壓互感器（TV4、TV5）安裝在開關(guān)兩側(cè)，4組電壓互感器位于發(fā)電機(jī)機(jī)端。發(fā)電機(jī)出口開關(guān)靠發(fā)電機(jī)側(cè)內(nèi)布有TV4，用于勵(lì)磁、調(diào)速器和同步相量測(cè)量回路。發(fā)電機(jī)出口開關(guān)內(nèi)靠主變側(cè)布有TV5，用于主變保護(hù)、計(jì)量、同期和調(diào)速器回路。2012年07月08日22：42：00，電廠5號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)A、B柜發(fā)生注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘，甩527.6 MW負(fù)荷。檢查原因系對(duì)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（GCB）靠發(fā)電機(jī)側(cè)電壓互感器B相破裂漏液，導(dǎo)致電壓互感器絕緣值為零，發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)正確動(dòng)作出口跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)、滅磁開關(guān)、停機(jī)，但此時(shí)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)并未啟動(dòng)。

跳閘時(shí)波形如圖1所示，從圖1中可以看出，跳閘時(shí)刻機(jī)端零序電壓值為9.66 V，A、B、C相電壓值分別為60.21 V、50.96 V、53.95 V，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流值為0.081A。該時(shí)刻機(jī)端三相電流幅值和相序基本平衡，為正常運(yùn)行電流，基本無負(fù)序電流。

圖1 跳閘時(shí)刻機(jī)組錄波圖

1.2 GCB觸頭傳動(dòng)連桿軸套磨損破裂脫落

某水電站按調(diào)度令正常解列停機(jī)過程中，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)C相（A、B相正常分閘）因觸頭傳動(dòng)連桿軸套磨損破裂脫落未正常分閘，基波零序電壓定子接地保護(hù)正確出口跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)、滅磁開關(guān)、停機(jī)，但發(fā)電機(jī)出口開關(guān)C相不能分開，發(fā)電機(jī)失靈保護(hù)未能正常啟動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)C相長(zhǎng)時(shí)間與系統(tǒng)連接并經(jīng)高阻中性點(diǎn)接地變壓器構(gòu)成回路，給發(fā)電機(jī)構(gòu)成較大威脅。發(fā)電機(jī)斷路圖如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)斷路圖

保護(hù)裝置在動(dòng)作時(shí)，保護(hù)裝置采集到的機(jī)端電流均為0 A。保護(hù)裝置在動(dòng)作時(shí)，保護(hù)裝置采集到的機(jī)端電壓均為5.75 V（有效值）。保護(hù)裝置在動(dòng)作時(shí)，保護(hù)裝置采集到的機(jī)端零序電壓為10.1 V（有效值）。保護(hù)裝置在動(dòng)作時(shí)，保護(hù)裝置采集到的中性點(diǎn)零序電壓為10.13 V（有效值）。

1.3 GCB輔助連桿斷裂

某電廠發(fā)電機(jī)GCB輔助接點(diǎn)傳動(dòng)桿的銷釘墊片老化碎裂，輔助接點(diǎn)未跟隨主觸頭動(dòng)作，故障時(shí)跳閘回路無法正常出口，開關(guān)拒動(dòng)，本應(yīng)啟動(dòng)失靈保護(hù)，但因判據(jù)中引入發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘位置開入，由于GCB合閘位置誤判“分位”，失靈保護(hù)會(huì)拒動(dòng)，事故進(jìn)一步擴(kuò)大。GCB處理措施如圖3所示。

圖3 GCB處理措施

2 失靈保護(hù)定值整定電流判據(jù)存在的問題

DL/T 684-2012要求[7]：GCB失靈保護(hù)的相電流定值按躲過發(fā)電機(jī)額定電流整定，負(fù)序電流定值按躲過發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡電流整定，失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間取0.3~0.5 s。

發(fā)電機(jī)有多種故障類型，如定子相間短路、定子匝間短路、定子接地、轉(zhuǎn)子接地、轉(zhuǎn)子匝間短路、失磁、失步、過激磁等，不同故障具有不同電氣特征，有必要分析發(fā)電機(jī)發(fā)生各類型故障時(shí)，GCB失靈保護(hù)的定值靈敏度。水輪發(fā)電機(jī)故障時(shí)各類保護(hù)動(dòng)作后啟動(dòng)失靈情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 水輪發(fā)電機(jī)故障時(shí)各類保護(hù)動(dòng)作后啟動(dòng)失靈情況統(tǒng)計(jì)表

發(fā)電機(jī)的差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)按照導(dǎo)則整定時(shí)，發(fā)生故障時(shí)故障電流均大于失靈保護(hù)按照導(dǎo)則整定的定值，故能夠啟動(dòng)GCB失靈保護(hù)。定子定時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)設(shè)為兩段，定子過負(fù)荷保護(hù)Ⅰ段為跳閘段，動(dòng)作電流按躲過主變高壓側(cè)三相短路最大短路電流整定，發(fā)生故障時(shí)故障電流均大于失靈保護(hù)按照導(dǎo)則整定的定值，故能夠啟動(dòng)GCB失靈保護(hù)。定子過負(fù)荷保護(hù)Ⅱ段為信號(hào)段，動(dòng)作電流按發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許的負(fù)荷電流下能可靠返回整定，一般取1.2倍發(fā)電機(jī)額定電流，小于按照導(dǎo)則整定的失靈保護(hù)啟動(dòng)電流，不能正常啟動(dòng)失靈保護(hù)。

定子繞組反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)整定依據(jù)制造廠曲線，選擇IEC反時(shí)限曲線C能滿足發(fā)電機(jī)的特性，發(fā)電機(jī)額定電流的1.106倍設(shè)為啟動(dòng)電流。當(dāng)電流高值發(fā)生反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，且超過GCB失靈啟動(dòng)電流判據(jù)時(shí)，該保護(hù)能直接有效地啟動(dòng)GCB失靈保護(hù)。當(dāng)電流低值發(fā)生反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，且不超過GCB失靈啟動(dòng)的電流判據(jù)時(shí)，該保護(hù)不能直接有效地啟動(dòng)GCB失靈保護(hù)。發(fā)電機(jī)失磁、失步保護(hù)主保護(hù)動(dòng)作后，發(fā)電機(jī)出口跳滅磁開關(guān)、GCB開關(guān)、停機(jī)，若GCB失靈，隨著機(jī)組原動(dòng)力、勵(lì)磁電流的下降，機(jī)組進(jìn)入異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)端電流最終將介于1/Xd與1/Xd′之間，水動(dòng)機(jī)狀態(tài)后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電流約為3倍額定電流，失靈保護(hù)可正常啟動(dòng)。

發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)，當(dāng)有功和機(jī)端電壓不變，滯相時(shí)，定子電流的增大與勵(lì)磁電流正相關(guān)，過勵(lì)磁時(shí)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)高于機(jī)端電壓；進(jìn)相時(shí)，定子電流隨著勵(lì)磁電流的增大而減小，欠勵(lì)磁時(shí)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)較低。而接入500 kV主系統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)一般運(yùn)行在無功進(jìn)相狀態(tài)，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組無功進(jìn)相狀態(tài)下過激磁時(shí)，機(jī)端電流小于額定電流，失靈保護(hù)無法正常啟動(dòng)；當(dāng)發(fā)電機(jī)在滯相運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)端電流可能超過斷路器失靈啟動(dòng)的電流判據(jù)。

因南瑞、南自、許繼、四方等保護(hù)廠家的GCB失靈保護(hù)邏輯中均未引入零序電壓判據(jù)，故90%定子接地保護(hù)（基波零序電壓）、外加低頻電源定子接地保護(hù)兩類保護(hù)均不能正常啟動(dòng)GCB失靈保護(hù)（通過上述兩個(gè)案例分析可知）。定子過電壓保護(hù)通常取1.3倍發(fā)電機(jī)額定電壓整定，無法正常啟動(dòng)失靈保護(hù)。發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)和發(fā)電機(jī)進(jìn)相能力配合，一般取5%~10%額定功率整定，無法正常啟動(dòng)GCB失靈保護(hù)。誤上電保護(hù)時(shí)，誤上電電流建議按大于1.3倍額定電流整定，發(fā)生故障時(shí)可正常啟動(dòng)GCB失靈保護(hù)。

3 GCB失靈保護(hù)優(yōu)化建議

近年來，國(guó)內(nèi)專家對(duì)GCB失靈保護(hù)存在的問題已有充分認(rèn)識(shí)，并提出多種改進(jìn)方案。改進(jìn)方案的重點(diǎn)是取消GCB合閘位置判據(jù)、降低相電流定值和增加輔助判據(jù)。

南瑞繼保PCS985GW裝置GCB失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖4所示，國(guó)電南自GCB失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖5所示。

綜合上述保護(hù)動(dòng)作后啟動(dòng)失靈情況，筆者認(rèn)為應(yīng)從兩個(gè)方面著手優(yōu)化：①將取消GCB合閘位置判據(jù)、降低相電流定值。中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算規(guī)程》失靈保護(hù)原則二中規(guī)定可按照0.2~0.3 Ie整定，時(shí)間按0.3~0.5 s整定。失靈保護(hù)應(yīng)按兩時(shí)限整定，第一時(shí)限0.3 s跟跳GCB，第二時(shí)限0.5 s聯(lián)跳主變，失靈保護(hù)一時(shí)限誤動(dòng)，不會(huì)擴(kuò)大動(dòng)作范圍。②在保護(hù)啟動(dòng)邏輯中增加零序電壓?jiǎn)?dòng)保護(hù)邏輯，定值按照定子接地保護(hù)定值整定，可有效防止定子接地或GCB機(jī)械故障時(shí)，GCB失靈后給發(fā)電機(jī)帶來的威脅。

圖4 南瑞繼保GCB失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯

圖5 國(guó)電南自GCB失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯