卞興煒，劉元博

(淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠，安徽 淮南 232000)

發(fā)電機匝間保護存在的問題及改進

卞興煒，劉元博

(淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠，安徽 淮南 232000)

對西門子7UM62微機保護裝置發(fā)電機匝間保護存在的拒動和誤動隱患進行分析，提出了相應(yīng)的改進措施。在原有7UM62微機保護裝置的基礎(chǔ)上，采用精度高、動作功率小的7SJ681微機保護裝置與其共同搭建匝間保護硬件平臺，并對2臺裝置內(nèi)部保護邏輯進行創(chuàng)新設(shè)計，使其在各種工況下均能正確動作，有效避免匝間保護的誤動和拒動。

發(fā)電機；匝間保護；負序功率方向；靈敏角

0 引言

在正常運行中，發(fā)電機定子繞組由于受電暈腐蝕、發(fā)熱、機械振動以及機械磨損等因素的影響，匝間絕緣會逐漸老化，一旦遭受雷電侵襲或操作過電壓的沖擊，容易出現(xiàn)匝間短路故障。故障時，短路繞組內(nèi)將形成很大的短路環(huán)流，理論分析表明，其值甚至超過機端三相短路電流。因此，定子繞組匝間短路是發(fā)電機不容忽視的一種嚴重故障形式，必須裝設(shè)可靠的匝間短路保護設(shè)備。而部分電廠的匝間保護往往存在一些問題，需要加以改進。

1 發(fā)電機匝間保護概況

某電廠西門子7UM62微機保護裝置匝間保護接線如圖1所示。其發(fā)電機定子繞組匝間保護負序功率方向元件電流回路取自發(fā)電機機端TA，TA的極性端靠近發(fā)電機側(cè)，負序電壓取自機端匝間保護專用TV的二次側(cè)星型繞組。匝間保護縱向零序電壓取自機端匝間保護專用TV的二次側(cè)開口三角繞組，經(jīng)數(shù)字濾波后，采集到縱向零序電壓基波分量，送往匝間保護啟動門檻的邏輯判斷回路。當(dāng)測量值超過啟動定值，且負序功率方向元件判斷為發(fā)電機內(nèi)部短路故障，同時無其他外部閉鎖條件時，匝間保護裝置就發(fā)出啟動信號并經(jīng)延時動作于跳閘。

圖1 該電廠西門子7UM62微機保護裝置匝間保護接線

2 不同短路情況下負序功率方向的分析

2.1 發(fā)電機匝間短路的情況

圖2 發(fā)電機匝間短路示意

根據(jù)圖1中負序功率方向元件的電壓、電流回路的實際接線，得出圖2所示的負序電壓、負序電流的規(guī)定正方向：電壓正方向為母線指向大地，電流正方向為發(fā)電機指向系統(tǒng)。可以看出，當(dāng)發(fā)生匝間短路時，負序電壓超前負序電流約 75°，此時負序功率P2=U2I2cosφ,方向為正方向。負序功率方向元件的最大靈敏角Φsen為75°。

2.2 系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路的情況

2.3 發(fā)電機內(nèi)部相間短路的情況

圖3 系統(tǒng)不對稱短路示意

圖4 發(fā)電機內(nèi)部相間短路示意

3 發(fā)電機匝間保護存在的問題

由于定子繞組縱向零序電壓并非僅匝間故障時才會出現(xiàn);在區(qū)外發(fā)生不對稱故障、匝間專用TV高壓側(cè)熔絲異常，以及縱向零序電壓回路受到外部干擾時，均會出現(xiàn)，所以必須利用負序功率方向元件來判別真實的匝間短路故障。

負序功率方向元件分為2種：

(1) 反方向元件。該元件動作則表示發(fā)生的是區(qū)外不對稱故障，應(yīng)閉鎖縱向零序電壓匝間保護，故反方向元件宜作為閉鎖元件。按之前分析，負序功率方向元件的靈敏角應(yīng)設(shè)為-105°；

(2) 正方向元件。該元件動作則表示發(fā)生的是發(fā)電機內(nèi)部故障，應(yīng)開放縱向零序電壓匝間保護，故正方向元件宜作為啟動元件。按之前分析，靈敏角應(yīng)設(shè)為75°。

上述靈敏角設(shè)置方式的前提是按圖1所示的TA，TV極性接線。

該電廠發(fā)電機采用7UM62微機保護裝置匝間保護，是利用外置的負序功率方向繼電器作為負序功率方向判別元件，并采用上述反方向閉鎖元件的方式。保護邏輯如圖5所示。

圖5 7UM62微機保護裝置匝間保護邏輯

反方向閉鎖元件的方式存在以下缺陷，即在下列情況下均可能造成匝間保護誤動作:

(1) 當(dāng)區(qū)外發(fā)生不對稱故障時，可能出現(xiàn)零序電壓元件動作而負序功率元件來不及閉鎖的情況；

(2) 在外部故障切除時，負序功率元件比零序電壓元件返回較快的情況；

(3) 匝間專用TV一次側(cè)熔絲異常，而TV斷線未動作的情況；

(4) 縱向零序電壓回路受到外部干擾產(chǎn)生干擾電壓大于整定值的情況。

同時，在保護檢驗時發(fā)現(xiàn)，該負序功率方向繼電器的動作功率較大，當(dāng)區(qū)外發(fā)生不對稱故障時，繼電器可能不動作，不能起到可靠閉鎖的作用，因此需要改進。

改進前的反方向閉鎖元件方式的優(yōu)點是，當(dāng)發(fā)電機在并網(wǎng)前出現(xiàn)定子繞組匝間保護時，由于機端電流為0，輸出負序功率為0，匝間保護可以正確動作。

4 改進方法

為解決反方向閉鎖元件方式下存在問題，在原有的7UM62微機保護裝置的基礎(chǔ)上,新增西門子7SJ681微機保護裝置，與其共同搭建發(fā)電機匝間保護硬件平臺，并對2臺裝置內(nèi)部保護邏輯進行創(chuàng)新設(shè)計，使之相互配合，實現(xiàn)新的匝間保護功能。新增的7SJ681微機保護裝置有著采樣精度高、動作功率小等優(yōu)點。應(yīng)用時使用其內(nèi)部的負序功率方向元件作為正方向啟動元件(根據(jù)之前分析可知負序功率方向元件最大靈敏角設(shè)置為75°)，來替代原先的負序功率方向繼電器，并且在7SJ681微機保護裝置內(nèi)組建匝間保護的“允許信號”送至原先的7UM62裝置內(nèi),以實現(xiàn)并網(wǎng)前、后2種工況下，發(fā)電機定子繞組出現(xiàn)匝間短路時，保護均能夠正確動作，避免匝間保護的誤動和拒動。

4.1 改進后的保護邏輯

新增加的7SJ681微機保護裝置中負序功率方向的允許邏輯如圖6所示。

圖6 7SJ681微機保護裝置負序功率方向允許邏輯

改進后的7UM62微機保護裝置中匝間保護邏輯如圖7所示。

圖7 改進后的7UM62微機保護裝置匝間保護邏輯

4.2 具體實施方式

4.2.1 7SJ681微機保護裝置邏輯

(1) 取“發(fā)電機出口斷路器合閘位置”信號作為區(qū)分機組并網(wǎng)前、后狀態(tài)的判據(jù)，即“發(fā)電機出口斷路器合閘位置”信號為“0”時表示并網(wǎng)前，為“1”時表示并網(wǎng)后。

(2) 并網(wǎng)前發(fā)生匝間短路時，機端沒有電流，負序功率元件無法動作，而“發(fā)電機出口斷路器合閘位置”信號為“0”，則“負序功率正方向允許”信號為“1”，此時匝間保護不經(jīng)負序功率元件判斷，保護邏輯簡化為縱向零序過電壓保護。

(3) 并網(wǎng)后，匝間短路時會造成機端電流的變化，此時匝間保護必須經(jīng)負序功率方向元件判斷，“負序功率元件正方向動作”后“負序功率正方向允許”信號才置“1”，此時才允許匝間保護動作。

(4) 將7SJ681微機保護裝置中形成的“負序功率正方向允許”信號送至7UM62微機保護裝置中，作為匝間保護動作的必要條件,如圖6所示。

4.2.2 7UM62微機保護裝置邏輯

將負序功率方向元件在匝間保護中的作用由原先的“閉鎖”調(diào)整為“允許”，即匝間保護動作必須同時滿足以下條件：“負序功率正方向允許”信號置“1”、匝間保護壓板投入、縱向零序電壓超過定值、匝間專用TV無斷線信號，如圖7所示。機組正常運行時，“負序功率正方向允許”信號為“0”，對匝間保護起閉鎖作用，即使因各種干擾因素出現(xiàn)了縱向零序電壓，匝間保護也不會動作出口。

5 結(jié)束語

國內(nèi)的發(fā)電機匝間保護裝置均采用負序功率方向元件閉鎖功能，雖然有將負序功率方向元件作為閉鎖條件或允許條件的做法，但均未考慮機組并網(wǎng)前發(fā)生匝間短路時，負序功率方向元件無法動作的問題。

通過新增的7SJ681微機保護裝置，利用其負序功率方向元件替代原先的負序功率方向繼電器，嚴格區(qū)分了區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，也以“允許”條件替代改進前的“閉鎖”條件，消除了匝間保護在多種情況下可能誤動的隱患，還解決了并網(wǎng)前匝間短路時保護拒動的問題，實現(xiàn)了發(fā)電機匝間保護的正確動作。對發(fā)電機保護邏輯進行改造后發(fā)生的500 kV系統(tǒng)相間短路故障中，負序功率方向元件能夠正確閉鎖匝間保護，進一步驗證了本次改進后保護功能的可靠性。

1 國家電力調(diào)度通信中心．電力系統(tǒng)繼電保護實用技術(shù)問答[M]．北京：中國電力出版社，2004.

2 郜秋凱．某電廠發(fā)電機匝間保護誤動作分析[J]．科技信息，2011，34(11)：316-317.

2017-01-10；

2017-05-26。

卞興煒(1983—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠繼電保護專業(yè)點檢工作，email：bxw1983@163.com。

劉元博(1988—)，男，助理工程師，主要從事發(fā)電廠繼電保護專業(yè)點檢工作。