劉海峰，徐浩

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

一例水電機(jī)組跳機(jī)事故引起的橫差保護(hù)應(yīng)用分析

劉海峰，徐浩

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

介紹了湖南某水電廠6號(hào)機(jī)組跳機(jī)事故的發(fā)生過(guò)程及原因，并基于保護(hù)動(dòng)作情況，進(jìn)一步探討了該機(jī)組配備的2種橫差保護(hù)的動(dòng)作特性和缺陷。通過(guò)對(duì)橫差不平衡電流與發(fā)電機(jī)機(jī)端電流的相關(guān)性分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，給出了橫差保護(hù)的比率制動(dòng)特性整定方法。

水電機(jī)組；橫差保護(hù)；比率制動(dòng)特性；外部故障

發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行對(duì)保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量具有決定性作用〔1－3〕，同時(shí)大型發(fā)電機(jī)本身十分貴重，因此，應(yīng)該針對(duì)各類(lèi)故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)對(duì)其裝設(shè)功能完善的保護(hù)設(shè)備〔4－5〕。橫差保護(hù)是發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路(同分支匝間短路及同相不同分支之間的匝間短路)、線棒開(kāi)焊的主保護(hù)，已獲得了廣泛的應(yīng)用〔6－7〕。橫差保護(hù)適用于定子繞組分支多、中性點(diǎn)引出端子多于一個(gè)的發(fā)電機(jī)，其保護(hù)功能是通過(guò)測(cè)量中性點(diǎn)連接線電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在中性點(diǎn)連接線的電流超過(guò)整定值時(shí)保護(hù)出口動(dòng)作〔8〕。由于只需裝配一個(gè)電流互感器于中性點(diǎn)連接線上，不存在因電流互感器特性不同而產(chǎn)生的不平衡電流，因此橫差保護(hù)動(dòng)作電流小、靈敏度高，習(xí)慣上也被稱(chēng)為高靈敏度單元件橫差保護(hù)。

從原理上分，橫差保護(hù)主要包括傳統(tǒng)的橫差過(guò)流保護(hù)和具有比率制動(dòng)特性的橫差保護(hù)。其中，前者整定值較高，具有較好的躲外部故障的能力，但靈敏度低；后者借用縱差保護(hù)的思想，引入機(jī)端相電流制動(dòng)，獲得了較高的靈敏度，但因啟動(dòng)電流較小而容易受到外部故障的影響。本文基于湖南某水電廠6號(hào)機(jī)組的一次跳機(jī)事故，對(duì)2種橫差保護(hù)的性能機(jī)理作對(duì)比分析。

1 事故過(guò)程及分析

1.1 事故概況

該水電廠6號(hào)機(jī)組于20世紀(jì)70年代完成安裝并投入運(yùn)行。事故發(fā)生前系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖1所示，圖中實(shí)心矩形表示開(kāi)關(guān)在合位，空心矩形表示開(kāi)關(guān)在分位。由該圖可知，事故發(fā)生前，6號(hào)機(jī)組(有功功率為74.42 MW；無(wú)功功率為3.04 Mvar)和2號(hào)機(jī)組處運(yùn)行狀態(tài)，其中6號(hào)機(jī)組的功率分別通過(guò)C線路和聯(lián)絡(luò)變向110 kV及220 kV系統(tǒng)送電；5號(hào)機(jī)組處于停運(yùn)狀態(tài)。此外，110 kV C線路運(yùn)行，另外1條出線處于熱備狀態(tài)，故障期間當(dāng)?shù)赜欣子甏箫L(fēng)。

圖1 事故相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 事故分析

6號(hào)機(jī)組配置了橫差保護(hù)和完全縱差保護(hù)，可有效應(yīng)對(duì)各種匝間短路、線棒開(kāi)焊、相間短路及多點(diǎn)接地等故障。而由于中性點(diǎn)分支繞組上未安裝單獨(dú)TA，該繞組無(wú)法實(shí)現(xiàn)不完全縱差及裂相橫差保護(hù)，因此繞組匝間故障主要由單元件橫差保護(hù)處理。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連接線之間裝有1臺(tái)TA，在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)反應(yīng)中性點(diǎn)連接線上的不平衡電流。發(fā)電機(jī)保護(hù)TA示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)電機(jī)保護(hù)TA示意圖

事故發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的故障錄波如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置故障錄波圖

以圖示左邊時(shí)標(biāo)線(時(shí)間為8.33 ms)為相對(duì)零點(diǎn)，圖示右邊時(shí)標(biāo)線時(shí)刻為33.33 ms，此時(shí)故障尚未發(fā)生，機(jī)組中性點(diǎn)連接線流過(guò)的量值為1.419 A的不平衡差流。隨后，電壓、電流波形出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，機(jī)端電壓略有減小，機(jī)端和中性點(diǎn)A，C相電流變大，B相電流變小，同時(shí)橫差電流逐漸變大。至78.33 ms時(shí)，三相電流分別達(dá)到4.16 A，2.4 A，4.47 A；橫差電流達(dá)到2.34 A，滿足保護(hù)動(dòng)作條件致保護(hù)出口跳閘，42 ms后，開(kāi)關(guān)跳開(kāi)。

事故發(fā)生后，通過(guò)對(duì)水輪機(jī)組一二次設(shè)備的試驗(yàn)檢查確認(rèn)機(jī)組本身沒(méi)有故障，通過(guò)對(duì)線路故障錄波數(shù)據(jù)和對(duì)側(cè)變電站進(jìn)行檢查，確認(rèn)在110 kV C線路對(duì)側(cè)變電站35 kV側(cè)發(fā)生了相間短路故障，由于線路長(zhǎng)度僅為1.7 km，三相不平衡電流流過(guò)6號(hào)機(jī)組，導(dǎo)致橫差電流超過(guò)保護(hù)動(dòng)作值而動(dòng)作。

2 橫差保護(hù)原理的對(duì)比分析

2.1 原理簡(jiǎn)介

6號(hào)機(jī)組配置了兩種橫差保護(hù)，分別是橫差過(guò)流保護(hù)和具有比率制動(dòng)特性的橫差保護(hù)，二者的保護(hù)原理分別如式(1)，(2)所示:

式中Iset為動(dòng)作電流整定值；Iop為橫差電流；Iop.0為橫差最小動(dòng)作電流整定值；Ires為制動(dòng)電流，取機(jī)端三相電流的最大值；Ires.0為最小制動(dòng)電流整定值；S為可靠系數(shù)一般取1.2即可。為論述方便，將2種保護(hù)原理分別另稱(chēng)為原理1和原理2。圖4給出了這2種保護(hù)原理的動(dòng)作特性示意曲線，其中，M1對(duì)應(yīng)原理1，M2對(duì)應(yīng)原理2，斜率為k，曲線上方為動(dòng)作區(qū)。

圖4 2種保護(hù)原理的動(dòng)作特性曲線圖

該廠實(shí)際采用的是原理2具有比率制動(dòng)特性的橫差保護(hù)，發(fā)電機(jī)額定電流為3 690 A，發(fā)電機(jī)出口互感器變比5 000/5，橫差互感器變比為1 000/ 5，定值整定為Iop.0＝2.25 A，Ires.0＝4.2 A，S＝0.5。

2.2 橫差過(guò)流保護(hù)

發(fā)電機(jī)橫差不平衡電流主要由機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁結(jié)構(gòu)和氣隙的不對(duì)性、擺度超標(biāo)、磁極制造原因造成的形狀不完全一致以及機(jī)組運(yùn)行中的磁場(chǎng)畸變等因素造成。盡管水輪發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)制造時(shí)采取了多種措施來(lái)保證各支路在電氣結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性，如將繞組設(shè)計(jì)成由多個(gè)繞組并聯(lián)構(gòu)成且分布均勻、將磁極等電磁部件設(shè)計(jì)成一致、在機(jī)組安裝時(shí)要保證定子/轉(zhuǎn)子圓度及定轉(zhuǎn)子氣隙偏差在合理范圍等，然而實(shí)際制造、安裝等過(guò)程中不可能做到完全對(duì)稱(chēng)，因此發(fā)電機(jī)并聯(lián)支路中會(huì)有環(huán)流產(chǎn)生。此外，機(jī)組在帶負(fù)荷后或者故障情況下氣隙磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生不同程度的畸變，這種磁場(chǎng)畸變與機(jī)械結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)相結(jié)合，將對(duì)橫差電流幅值產(chǎn)生較大的影響。

相對(duì)而言，原理1較簡(jiǎn)單，但由于橫差不平衡電流的影響因素復(fù)雜多樣、精確量化近乎不可能〔9〕。根據(jù)文獻(xiàn)〔10〕DL/T684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》規(guī)定，原理1的動(dòng)作電流有2種整定方法，一種是按躲過(guò)發(fā)電機(jī)外部不對(duì)稱(chēng)短路故障或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的最大不平衡電流整定，由于難以通過(guò)短路試驗(yàn)的方法進(jìn)行不平衡電流的測(cè)量，所以一般取經(jīng)驗(yàn)公式，如式(3)所示:

式中Ign為發(fā)電機(jī)的額定電流；na為橫差電流互感器變比。另一種整定方法需對(duì)由短路試驗(yàn)測(cè)得的基波和三次諧波不平衡電流進(jìn)行線性外推估算〔11〕，如下式所示:

式中Iunb.1.max和Iunb.3.max分別為由發(fā)電機(jī)常規(guī)短路試驗(yàn)時(shí)的實(shí)測(cè)基波和3次諧波不平衡電流Iunb.1和Iunb.3的線性外推估算值；k3為三次諧波濾過(guò)比；Kap為非周系數(shù)，取1.5～2.0；Krel為可靠系數(shù)，取1.3～1.5。

式(3)和(4)的整定值都較高。若該電廠6號(hào)機(jī)組采用式(3)的整定方法，則整定值為3.69～5.535 A，在此次整個(gè)事故過(guò)程中橫差電流都未越過(guò)該限定值，由此證明了原理1的躲過(guò)外部故障能力強(qiáng)。

2.3 比率制動(dòng)特性的橫差保護(hù)

原理2的動(dòng)作曲線由兩段構(gòu)成:在相電流小于最小制動(dòng)電流時(shí)，為無(wú)制動(dòng)特性的過(guò)流保護(hù)；在相電流超過(guò)最小制動(dòng)電流時(shí)，制動(dòng)量隨相電流線性變化，以期躲過(guò)發(fā)電機(jī)外部短路故障。理論上來(lái)講，原理2正確動(dòng)作的前提是橫差電流隨機(jī)端電流成線性變化。那么，其動(dòng)作門(mén)檻值躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡電流即可，原理2可有效兼顧選擇性和靈敏性，獲得比原理1更好的保護(hù)性能。目前普遍認(rèn)為橫差不平衡電流產(chǎn)生與機(jī)端電流或短路電流的關(guān)系是橫差電流與機(jī)端電流成線性關(guān)系〔6－7〕，該觀點(diǎn)由對(duì)若干機(jī)組的相關(guān)仿真結(jié)果歸納而來(lái)。

同時(shí)，借此次故障檢查契機(jī)，對(duì)6號(hào)機(jī)組在不同負(fù)荷工況下的機(jī)端電流與橫差電流進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，并將本次故障時(shí)的實(shí)際值也做了線性度計(jì)算。如表1和圖5所示。

表1 橫差電流隨機(jī)端電流變化試驗(yàn)結(jié)果

圖5 橫差電流與機(jī)端電流比值圖

最后一個(gè)點(diǎn)為本次故障的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)組橫差電流隨機(jī)端電流的增大而增大，從工程角度近似認(rèn)為成線性關(guān)系。

基于二者基本成線性關(guān)系的前提，對(duì)于比率制動(dòng)特性的橫差保護(hù)，最小動(dòng)作電流Iop.0整定值需躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡電流，正常運(yùn)行過(guò)程時(shí)靠該定值躲過(guò)最大不平衡電流。當(dāng)區(qū)外故障時(shí)，動(dòng)作電流超過(guò)機(jī)端額定電流，進(jìn)入制動(dòng)區(qū)，通過(guò)制動(dòng)特性來(lái)防止保護(hù)誤動(dòng)，Ires.0可取機(jī)端額定電流，由此來(lái)獲得比較高的靈敏度。按此分析對(duì)于本臺(tái)機(jī)組，取Ires.0為3.7 A，可靠系數(shù)取廠家推薦值1.2，橫差電流與機(jī)端電流的比例取0.5，最小動(dòng)作電流Iop.0取正常運(yùn)行時(shí)橫差最大不平衡電流的m倍，即1.78 m。那么保護(hù)不誤動(dòng)的條件是

根據(jù)本次故障時(shí)機(jī)端電流4.37 A來(lái)校核，可得m＞1.1，考慮其可靠性，可以取1.3～1.5。

從橫差電流產(chǎn)生的原因來(lái)分析，橫差電流由不同分支繞組的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)不平衡程度和內(nèi)阻抗決定，并與前者其呈線性正比關(guān)系，與發(fā)電機(jī)主氣隙磁通的大小和分布有著直接的關(guān)系。主氣隙磁通大小與發(fā)電機(jī)定子繞組電流、勵(lì)磁繞組電流及兩者所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)的夾角有關(guān)；主氣隙磁通的分布與電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心、動(dòng)態(tài)偏心、鐵芯形狀以及分支繞組電氣參數(shù)的對(duì)稱(chēng)程度等。所以，不平衡電流的產(chǎn)生的原因有機(jī)械的，也有電磁的，精確計(jì)算不平衡電流的大小幾乎不可能〔9〕。

可見(jiàn)，這種方式下其整定只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行初始整定，然后再通過(guò)大量的實(shí)際運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行校核修正。而且不同機(jī)組橫差電流與機(jī)端電流的近似線性比例關(guān)系并不相同，需要進(jìn)行實(shí)測(cè)。其定值整定的合理性比較難以通過(guò)理論計(jì)算的方式進(jìn)行校驗(yàn)，并缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程支持，廠家說(shuō)明書(shū)也沒(méi)有給出整定原則。所以本機(jī)組的初始整定值并不合適，沒(méi)有躲過(guò)外部短路故障。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先通過(guò)分析指出湖南某水電廠6號(hào)機(jī)組跳機(jī)事故是由對(duì)側(cè)變壓器35 kV低壓側(cè)相間短路引起發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不平衡電流超過(guò)整定值造成的。然后以該事故為基礎(chǔ)，深入探討了橫差過(guò)流保護(hù)和具有比率制動(dòng)特性的橫差保護(hù)的動(dòng)作特性和存在的問(wèn)題。結(jié)合該電廠的有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)論述，認(rèn)為橫差過(guò)流保護(hù)原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，整定依據(jù)比較成熟，但靈敏度較低。而具有比率制動(dòng)特性的橫差保護(hù)雖然靈敏度較高，但整定和校核都比較困難，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行初始整定，然后再通過(guò)大量的實(shí)際運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行校核修正。由于一般這兩種原理的橫差保護(hù)在裝置中是同時(shí)具有的，所以建議開(kāi)始先采用橫差過(guò)流保護(hù)，以可靠性為主；并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值初始整定比率制動(dòng)橫差保護(hù)，待通過(guò)實(shí)際運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行校核修正后，再投采用比率制動(dòng)橫差保護(hù)，退出橫差過(guò)流保護(hù)或兩者同時(shí)投入運(yùn)行，以提高橫差保護(hù)的靈敏度。

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Analysis on transverse differential protection application based on a hydroelectric generating accident

LIU Haifeng，XU Hao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The paper analyzes the process and cause of the tripping accident of a certain unit in a hydropower plant，and in terms of the protection actions，explores operating characteristics and defects of two transverse differential protection further. According to correlation analysis between transverse differential unbalance current and generator terminal current，the paper proposes the setting method of transverse differential protection at last.

hydro-electric generating；transverse differential protection；ratio braking characteristics；external fault

TM773.4

B

1008-0198(2017)01-0052-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.013

劉海峰(1980)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與控制技術(shù)、智能變電站技術(shù)。

2016-04-14 改回日期:2017-01-20

徐浩(1987)，男，博士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與控制技術(shù)。