發(fā)電機出口開關(GCB)非全相保護優(yōu)化研究

吳禮貴，魏 揚

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

發(fā)電機出口斷路器操作機構(gòu)及隔離開關一般采用三相聯(lián)動機構(gòu),普遍認為三相聯(lián)動機構(gòu)不會發(fā)生非全相合閘狀況，但隨著操作次數(shù)的增多、機械結(jié)構(gòu)磨損甚至設計上的缺陷，發(fā)電機出口開關或隔離開關都可能發(fā)生非全相合閘現(xiàn)象，現(xiàn)在GCB 非全相故障案例越來越多。

因三相聯(lián)動機構(gòu)不存在分相輔助接點，無法通過斷路器輔助接點實現(xiàn)非全相保護。目前已投入的GCB 非全相保護，一般利用GCB 斷線故障導致發(fā)電機機端基波零序電壓與主變低壓側(cè)基波零序電壓量的故障特征，或者兩側(cè)相電壓差的故障特征，采用斷口兩側(cè)電壓相量差構(gòu)成GCB 非全相保護原理，保護判據(jù)不依賴電流量，可檢測機組并網(wǎng)初期和解列時的GCB 非全相故障。因保護原理只判斷電壓量,其可靠性及定值整定都存在困難,所以目前大部分電站并未將GCB 非全相保護投跳閘,不能起到快速隔離故障開關的效果。

本文對GCB 非全相合閘后的故障特征和電氣量等進行綜合理論分析,并結(jié)合一些故障案例，提出了一種新型的GCB 非全相保護原理,有完善的防誤動措施,具有較高的靈敏度和可靠性,實現(xiàn)了GCB 開關的非全相保護。

1 目前GCB 非全相保護原理及其缺點

目前的GCB 非全相保護主要采用基于端口兩側(cè)電壓差的原理,當發(fā)電機機端斷路器發(fā)生單相或兩相斷相故障時，故障相斷口兩側(cè)會產(chǎn)生電壓相量差值，該相量差值與發(fā)電機側(cè)電動勢、系統(tǒng)側(cè)電動勢和序網(wǎng)阻抗大小有關，且當序網(wǎng)阻抗大小不變時，故障相電壓相量差值會隨著斷口兩側(cè)電動勢相量差增大而逐漸增大，即隨著負荷電流增大而增大，而非故障相電壓相量差值為零。

結(jié)合GCB 非全相故障過程，分析其動作邏輯，目前的GCB 非全相保護有如下缺點:

（1）保護投退采用GCB 輔助接點變位作為條件，存在輔助接點不可靠的問題。若運行過程出現(xiàn)輔助接點抖動，則該保護會誤投入，且能展寬長達300 s。

（2）為防止PT 斷線，非全相保護增加了主變低壓側(cè)電壓和發(fā)電機機端電壓均要大于90%的條件，如某電廠實際發(fā)生非全相合閘時的波形，在發(fā)生非全相合閘后，由于對地參考電壓和頻率差的原因，此時出現(xiàn)了主變低壓側(cè)B 相不滿足小于90%的條件。假如，非全相后，主變高壓側(cè)PT 出現(xiàn)諧振，依然會影響保護對電壓的判斷。同時如果是停機過程,分閘后,由于發(fā)電機要滅磁,很快機端電壓就無法滿足判據(jù),所以理論上講,目前的GCB 非全相保護只對合閘過程起作用,對分閘過程無作用,不能給出提示信息。

（3）整個邏輯都與保護采樣電壓有關系，除零序電壓外，都涉及PT 斷線問題，從保護原理上講，單純的電壓判據(jù)，且沒有電流條件，其可靠性需進一步驗證，所以目前大部分廠站，只投入了告警功能，并未投入跳閘。

（4）需要采集主變低壓側(cè)電壓作為判據(jù)，發(fā)電機保護除非全相保護外無其他保護需要用到此電壓的保護，為實現(xiàn)此保護必須增加保護采樣通道，現(xiàn)有保護裝置無法通過程序升級實現(xiàn)此原理的非全相保護。

針對以上缺陷，本文提出了一種全新、可靠的發(fā)電機出口開關（GCB）非全相保護。

2 高可靠性發(fā)電機出口開關非全相保護研究

（1）高可靠性非全相保護投入邏輯設計研究

從以上GCB 非全相保護可知，以上斷路器非全相保護采用斷路器輔助接點變位作為投入條件，當接點抖動時,會導致非全相保護誤投入，當誤投入時，因系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會造成GCB 非全相保護誤動作，從保護邏輯上講不合理.

GCB 分合閘過程中都考慮非全相保護投入，可考慮如下邏輯，采用斷路器接點變位展寬作為非全相保護投入的條件，引入負荷電流作為退出條件，確保并網(wǎng)成功后，GCB 非全相保護可靠退出。

圖1 非全相分、合閘保護投退邏輯圖

通過以上邏輯實現(xiàn)了一種高可靠性的GCB 非全相保護投入邏輯,確保正常運行過程中,GCB 非全相保護不會誤動。

（2）斷路器兩相斷線判據(jù)研究(只合上一相)

斷路器只合上一相電氣回路，如圖2 所示,因發(fā)變組20 kV 側(cè)，屬于不接地系統(tǒng)，主變低壓側(cè)為三角形接線，整個序網(wǎng)無法連通，此時無法在回路中形成電流，所以無故障電流，實際運行中只有很小的電容電流，觀察斷線后的電氣回路，可發(fā)現(xiàn)此時發(fā)電機的三相對地電容并不平衡，不平衡的電容會造成零序電壓的不平衡，以某機組的參數(shù)為例（表1），對兩相斷線情況下電容電流進行理論計算，計算結(jié)果如下：

表1 機端斷路器兩側(cè)對地電容及接地變電阻參數(shù)

圖2 只合上C 相電氣連接圖

例1 為某臺機組發(fā)生非全相合閘后的波形分析，斷線后的電壓變化與理論分析一致，在合閘后的1 s 內(nèi)，機端零序電壓由0 V 增加到5 V，且在0.5 s時電壓已增加到3 V。

例2 為分析某臺機組停機過程中的零序電壓變化情況，在分閘后的1.5 s 左右，機端零序電壓由0 V增加到5 V，且此過程還伴隨著滅磁過程。

通過以上理論計算和實際波形可知，由于GCB兩側(cè)電容的存在，當GCB 合閘或分閘發(fā)生非全相時，因電氣回路電容的不平衡，會產(chǎn)生固有的零序電壓，此零序電壓可用于在GCB 合閘過程中的GCB 非全相判據(jù)，由于此時是開機并網(wǎng)過程，此定值可比用于定子接地保護的零序電壓整得更低，且運用此原理的保護不需要采集主變低壓側(cè)電壓。

（3）斷路器單相斷線判據(jù)研究 (只合上兩相)

圖3 合上B、C 相電氣連接圖

圖4 為斷路器非全相情況下，動模試驗中發(fā)電機有功功率的變化過程。由于正序電流和負序電流幅值相等，有功功率的增加過程也是負序電流增加的過程。

圖4 動模試驗中斷路器非全相合閘功率增加過程

基于電壓差的非全相保護，隨著機組功率增大，電壓差增大。如若以負序電流為判據(jù)，其也是隨著功率增大，負序電流增大，且電流判據(jù)比電壓判據(jù)可靠，小的負序電流對發(fā)電機并無太大傷害，此時可整定出一個比負序反時限更加靈敏的負序過流保護，可更快的動作，跳開GCB，保護發(fā)電機。

不考慮無功影響，某電站700 MW 機組非全相時負序電流與功率及功角對應的關系表2 所示。

表2 負序電流與功率對應關系

可根據(jù)對應關系，設定負序過流定值，通過靈敏度高、可靠性高的負序過流保護，替代基于端口兩側(cè)電壓差的非全相保護，且其可以投入跳閘。

（4）高可靠性發(fā)電機出口開關非全相保護邏輯

通過上面的研究，高可靠性發(fā)電機出口開關非全相保護邏輯如圖5 所示。

圖5 高可靠性發(fā)電機出口開關非全相保護邏輯圖

以上邏輯由3 部分構(gòu)成：①非全相保護投入的條件，通過三相電流確保并網(wǎng)后，非全相保護不會誤投入。通過輔助接點的變位展寬，確保非全相保護只在合閘和分閘時刻投入。②用負序過流保護來保護兩相合閘或單相分閘。③通過零序電壓保護來保護單相合閘或者兩相分閘。同時，具備電制動閉鎖功能。

也可通過給報警和跳閘分別設定不同的定值，給運維人員進行提示，應用該原理與邏輯的非全相保護已在三峽右岸電站22FB 發(fā)變組保護進行了應用，目前運行良好。

3 結(jié)論

本文以目前應用較為廣泛的GCB 非全相保護為研究對象，分析了現(xiàn)有非全相保護存在的問題，通過對GCB 單相合閘和兩相合閘的電氣特性進行深入研究，提出了一種高可靠性的發(fā)電機出口開關非全相保護。

（1）提出一種可靠的非全相保護投退邏輯，確保機組并網(wǎng)后非全相保護不會投入，降低誤動可能性。

（2）根據(jù)發(fā)電機GCB 單相合閘的電氣特性，分析出零序電壓的特征，提出了用機端零序電壓判斷單相合閘的保護邏輯。

（3）根據(jù)發(fā)電機GCB 兩相合閘的電氣特性，分析了開機過程負序電流的特征，提出了用負序電流判斷兩相合閘的保護邏輯。

（4）提出了高可靠性發(fā)電機出口開關保護的邏輯設計，具有很高的靈敏度和可靠性。