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大连普阳

大机组的继电保护配置

大容量机组往往按发电机—变压器组单元接线与高压或超高压电网直接相连,在电力系统中占有十分重要的地位。由于它结构复杂、造价昂贵,一旦因故障而遭到破坏,在经济上必然会受到很大损失,因此在考虑大容量发电机—变压器组的继电保护整体配置时,应强调最大限度地保证机组安全和最大限度地缩小故障破坏范围,尽可能避免不必要的突然停机,对某些异常工况采用自动处理装置,特别要避免保护装置误动和拒动。所以不仅要求有可靠性高、灵敏性和选择性强、快速性好的保护继电器,还要求在继电保护的整体配置上尽量做到完善、合理,并力求避免繁琐、复杂。 

    1 传统的继电保护方式及其不足之处 

    传统的发电机内部故障主保护方案常采用:传统纵差保护、传统横差保护、基波纵向零序电压保护、转子二次谐波电流保护、标积制动式纵差保护等。这些传统的保护方式在一定程度上起到了有选择性地将故障元件从电力系统中切除、减少对电力系统的损坏程度、恢复无故障部分的正常运行、反应电气元件异常运行工况的作用,但是由于诸多原因,在电力系统中始终存在发电机、变压器等设备的保护元件正确动作率普遍偏低——许多都不到70%的问题,因此有必要对这些保护方式略作分析,以期找到改进措施。 

    1.1 传统纵差保护 
    传统纵差保护只对相间短路有效,对发电机定子绕组同相的匝间或层间短路和开焊(断线)故障均无保护作用,因而保护功能不全面,再加上目前存在元器件产品质量差、维护管理水平低等诸多问题,必须加以改进。 

    1.2 传统横差保护 
    以往的单元件横差保护,其动作电流约为(0.2~0.3)In,所用中性点连线的电流互感器变比选为0.25 In/5 A,所以旧式的单元件横差保护的动作电流约为发电机额定电流的二次值(5 A),由于发电机内部故障用的老式横差继电器对三次谐波滤过比小于15,所以这样的整定值就限制了保护正常动作灵敏度的提高。 

    1.3 基波纵向零序过电压保护 
    对于中性点侧只有U,V,W三相引出三个端子的发电机,习惯上都装设纵差保护以反应内部相间短路。为了保护发电机的定子绕组匝间短路或开焊故障,可增设纵向零序过电压保护,但纵向零序过电压保护装置较复杂、灵敏度低,且可能引起某些误跳闸。只有在发电机中性点侧三相仅引出三个端子,并装设了纵差保护时才选用。 

    1.4 转子二次谐波电流保护 
    转子谐波二次电流保护中启动元件与选择元件的配合要求十分严格,容易发生误动作,整定较困难,须用专门的转子回路电抗变压器。只在发电机已确定中性点侧仅引出三相三个端子,并决定装设纵差保护而不可能装设高灵敏横差保护的情况下才选用。 

    1.5 标积制动式纵差保护 
    标积制动式纵差保护不能反应匝间短路和定子绕组开焊故障,且这种保护也需要发电机中性点侧引出三相三个端子。 

    目前国内300MW及以上的汽轮发电机均采用每相两并联分支、中性点仅引出三相的三个端子,普遍采用发电机纵差保护和发电机—变压器组纵差保护作为发电机—变压器组内部短路主保护。当发电机中性点侧只有三相三个引出端子时,就无法装设单元件横差保护,这将影响整套继电保护装置的可靠性、灵敏性。 

    2 大机组内部故障主保护的改进方案 

    2.1 改进方案 
    对于大机组继电保护的配置原则是:加强主保护,简化后备保护。因此针对传统继电保护出现的问题,提出一种由不完全纵差保护和高灵敏单元件横差保护组成的双重主保护配置方案。 

    改变发电机中性点侧的引出方式,将三相六个分支绕组分成两组,其中一组仅将其中性点N1引出,另一组三相端子分别引出,并在发电机外接成第二中性点N2,N1与N2连接以便装设单元件横差保护,互感器TA1与TA2构成发电机不完全纵差保护。许多理论研究和实践经验已证明:高灵敏单元件横差保护具有发电机相间短路、匝间短路和定子绕组开焊的保护功能,特别简单、灵敏度高,可作为各类发电机的第一主保护。不完全纵差保护克服了传统纵差保护不反映定子绕组匝间短路和开焊故障的缺陷,成为发电机内部各种故障的第二主保护,方便地实现了大机组主保护的双重化要求。采用这种方案的必要前提是发电机中性点侧应有四个引出端子。 

    2.2 改进措施
    a)对300MW及以上的汽轮发电机,只要中性点引出方式在发电机制造时稍作改变就可使用高灵敏单元件横差保护,其功能超过纵差保护。 
    b)采用更换互感器,减少电流互感器变比,提高三次谐波滤过比,通过常规发电机短路试验、实测横差保护不平衡基波和三次谐波电流来正确整定动作电流等措施,把传统横差保护改造成高灵敏横差保护。 
    c)不完全纵差保护是针对每相两并联分支的发电机提出的,采用比率制动式继电器,机端互感器选变比为In/5A,分支互感器选变比为0.5 In/5A,这种方式能反应发电机内部各种相间短路、匝间短路和分支绕组的开焊故障,如图2所示。这种保护方式对发电机引出线短路有保护作用。但应注意在每分支数很多(大于2)时,若某个不装设互感器的分支发生故障,在装设互感器的那些非故障分支中的电流可能很小,不完全纵差保护有可能拒绝动作,因而在分支数较多时要慎用。 
    d)一般来说,当发电机变压器本身配置了双重主保护时,不需要再设置发电机、变压器自身的短路后备保护,这时可以在机端装设全阻抗或偏移阻抗保护,兼顾机端和高压母线相间短路故障,在升压变压器高压侧通常还装设零序电流、零序电压作为高压侧接地短路的后备保护。 

    2.3 双重主保护的作用
    这种主保护方案可使发电机内部各种相间短路、匝间短路和定子绕组开焊故障均得到双重快速保护,同时还能使发电机独立运行时机端引线的相间短路也有快速保护。当每相分支数大于2时,在每相中性点侧装设互感器的分支数应大于或等于n/2(n为每相分支数)。 

    采用这种主保护配置方案时,可完全舍弃纵向零序电压保护和二次谐波转子电流保护。 

    3 对继电保护的发展展望 

    继电保护方式的发展经历了方向比较式、相位比较式、电流差动式等阶段,所使用的继电器从电磁式到模拟静止式,进而发展到数字静止式,随着数字技术的发展、微型计算机和微处理器的出现,为继电保护数字化开辟了广阔前景,出现了以微机和光传输技术为基础的全数字控制保护系统。 

    微机保护具有下列特点: 

    a)保护功能由软件实现; 
    b)采用数字信号处理技术; 
    c)具有数字储存功能,如过程记忆、录波等; 
    d)容易实现远方通信,接口简单; 
    e)具有自动测试和监视功能; 
    f)软硬件标准化; 
    g)公共数据可重复使用实现不同功能。 

    我国已成功研制了多套大机组微机保护装置,并先后投入试运行或正式运行。不少35kV和 110 kV变电所采用了多种微机监控和保护装置,但在300MW及以上大型发电机组上应用微机保护装置的例子还不多。由于微机保护具有灵活、高性能、运行维护方便、可靠性好、硬件尺寸小、硬件负担轻等优点,可以预见未来继电保护发展的方向将是主保护采用微型处理机或小型计算机分散地装设在被保护元件处,后备保护采用系统控制中心计算机构成变电所中心计算机以实现集中化控制。相信大机组的微机保护将有广阔的发展前景,并将以其优越的性能在继电保护领域独领风骚。