王樹柏,沈利平,崔躍騫

(國網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠，甘肅省永靖縣 731600)

隨著水電機(jī)組容量在電力系統(tǒng)中的比重不斷增大，水電機(jī)組的安全穩(wěn)定運行問題日益突出，水電廠元件保護(hù)擔(dān)負(fù)了越來越重要的作用，對于單機(jī)容量100 MW或通過220 kV電壓等級及以上接入系統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組，通常需要配置誤上電保護(hù)，主要是考慮在機(jī)組檢修中或并網(wǎng)前后發(fā)生故障時，能迅速切除故障，保證機(jī)組和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。但在實際運行過程中，會出現(xiàn)機(jī)組在并網(wǎng)過程中誤上電保護(hù)動作，造成機(jī)組同期并網(wǎng)失敗的問題[1-3]。

1 機(jī)組誤上電保護(hù)原理及定值整定

1.1 誤上電保護(hù)原理

在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前，勵磁開關(guān)尚未合閘時，若斷路器誤合閘，機(jī)組相當(dāng)于同步電動機(jī)全電壓異步啟動，對機(jī)組沖擊電流很大，有重大危害。誤上電保護(hù)的過流元件及低阻抗元件作為雙重化保護(hù)都能動作出口，保護(hù)快速出口跳閘； 當(dāng)勵磁開關(guān)閉合后，過流元件退出，若此時斷路器誤合閘，機(jī)組相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)非同期合閘，對機(jī)組也有大的沖擊電流，有重大危害，低阻抗元件動作，保護(hù)快速出口跳閘[4-8]。 誤上電保護(hù)低阻抗元件動作特性如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)阻抗和電阻動作特性圖

1.2 誤上電保護(hù)整定計算

以255 MW容量機(jī)組、機(jī)端電壓為15.75 kV，采用機(jī)變單元接線形式接入220 kV系統(tǒng)為例，對誤上電保護(hù)定值參數(shù)進(jìn)行計算設(shè)定[9-10]。

(1) 低阻抗元件Zset

低阻抗元件的動作圓半徑Zset，按正常并網(wǎng)瞬間發(fā)電機(jī)輸出最大電流(如果精確并網(wǎng)，則I=0；考慮同期允許相角差，取I=0.3Ign)時低阻抗元件不動作來整定：

=46.7 Ω

(1)

式中:nTA為電流互感器變比;nTV為電壓互感器變比;Ugn為機(jī)端電壓;Ign為發(fā)電機(jī)一次額定電流。

Rset.R(動作電阻)=0.85×Zset=39.69 Ω

取動作阻抗46.7 Ω、動作電阻39.69 Ω。

(2) 過流元件Iop的整定

根據(jù)《技術(shù)說明書》，當(dāng)保護(hù)裝于主變高壓側(cè)時，過流元件的Iop的整定為：

=1.08 A

式中：Ign為發(fā)電機(jī)一次額定電流,取1.08 A。

2 機(jī)組同期并網(wǎng)參數(shù)及流程

2.1 同期裝置運行參數(shù)

同期裝置定值：相角差20°以內(nèi)(發(fā)電廠為機(jī)組并網(wǎng)方式,角差定值針對變電站,實際采用0°并網(wǎng))，電壓幅值 (-5～+5 V)以內(nèi)(相對系統(tǒng)側(cè)二次電壓值)，頻率定值±0.2 Hz以內(nèi)，合閘導(dǎo)前時間110 ms。

2.2 機(jī)組并網(wǎng)流程

常規(guī)水電機(jī)組從空轉(zhuǎn)到空載再到發(fā)電態(tài)，監(jiān)控順控開機(jī)流程如圖2所示。

(1) 勵磁裝置參數(shù)：在機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到95%時勵磁投入。

(2) 勵磁系統(tǒng)時間常數(shù)：機(jī)端→勵磁變→勵磁機(jī)→發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，約為2～3 s。

(3) 監(jiān)控裝置：機(jī)組電壓建立超過80%時，投入同期裝置。

(4) 系統(tǒng)正常運行電壓：234 kV，折算到同期PT二次值為106 V。

(5) 機(jī)組正常運行電壓：15.75 kV, 折算到同期PT二次值為105 V。

3 機(jī)組同期并網(wǎng)存在的問題

3.1 誤上電保護(hù)動作故障錄波圖

以某水電廠機(jī)組開機(jī)同期并網(wǎng)期間，誤上電保護(hù)動作造成并網(wǎng)失敗實例進(jìn)行分析，圖3為動作故障錄波圖。

圖2 機(jī)組順控開機(jī)操作流程圖

圖3 發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)動作故障錄波圖

3.2 故障錄波數(shù)據(jù)及保護(hù)動作計算分析

機(jī)組全自動開機(jī)，根據(jù)電流波形和短路計算數(shù)據(jù)分析，自動準(zhǔn)同期并列開關(guān)合閘后，機(jī)組電壓與系統(tǒng)電壓間存在相角差，角差由0°逐漸變大，經(jīng)過5個周波，第6個周波達(dá)到最大值，角差值達(dá)到15°左右，對應(yīng)電壓壓差達(dá)到64.4 kV,開關(guān)電流達(dá)到465.5 A，隨幅值逐漸變小，從圖3中可以明顯看出，各相電流在開關(guān)合閘后的變化規(guī)律基本一致。

機(jī)組誤上電保護(hù)阻抗定值采用全阻抗繼電器判據(jù)，誤上電保護(hù)最小動作電流1.08 A、動作阻抗46.7 Ω、動作電阻39.7 Ω。保護(hù)裝置記錄動作時刻的電壓和電流有效值，計算動作阻抗分別為：

Zab=Uab/Iab=101.952/2.220∠(90°-266°)=45.924∠-176° Ω

Zbc=Ubc/Ibc=101.687/2.211∠(329°-146°)=45.991∠183° Ω

Zca=Uca/Ica=101.522/2.211∠(210°-26°)=45.916∠184° Ω

記錄動作阻抗數(shù)值低于保護(hù)整定阻抗定值，阻抗元件動作出口停機(jī)，保護(hù)動作正確。采用微機(jī)保護(hù)校驗儀校驗誤上電保護(hù)整定定值邏輯及幅值[8]，保護(hù)校驗合格。

4 同期并網(wǎng)誤上電保護(hù)動作改善方案

根據(jù)錄波波形分析，合閘后機(jī)組三相電流波形均為正弦波，三相相角相差120°，波形對稱，說明機(jī)組合閘瞬間符合同期條件，沒有發(fā)生非同期合閘的沖擊現(xiàn)象；合閘后電流數(shù)個周波內(nèi)幅值逐漸增大，原因為合閘前機(jī)組轉(zhuǎn)速和電壓建立時間均較快，同期裝置捕捉同期點也較快，實際當(dāng)接入的系統(tǒng)容量較小，機(jī)組容量較大時，水機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)動作時間常數(shù)較大，使機(jī)組和待并系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)滿足同期條件后合閘并網(wǎng)；但實際機(jī)組動態(tài)參數(shù)并沒有達(dá)到穩(wěn)定，還在變化過程中，根據(jù)電流波形判斷持續(xù)時間約為11個周波(220 ms)后能夠恢復(fù)穩(wěn)定。說明在并網(wǎng)時刻機(jī)組與系統(tǒng)有無功功率交換情況，電流數(shù)值較大，持續(xù)時間超過誤上電100 ms動作延時時間，是造成保護(hù)動作的原因。根據(jù)上述情況，采取如下改善辦法：

(1) 分步開機(jī)。開機(jī)→空轉(zhuǎn)→空載→并網(wǎng)→帶負(fù)荷分步進(jìn)行。使機(jī)組在空載態(tài)穩(wěn)定一段時間，再進(jìn)行并網(wǎng)。改善機(jī)組并網(wǎng)時的機(jī)械和電氣運行工況，從而與系統(tǒng)運行情況更加接近。

(2) 優(yōu)化勵磁參數(shù)和同期參數(shù)，降低并網(wǎng)后沖擊電流。對涉網(wǎng)勵磁裝置參數(shù)重新進(jìn)行動態(tài)試驗測定，進(jìn)行優(yōu)化；將同期裝置電壓差定值由10 V降低到8 V，減少由于壓差造成的機(jī)組和系統(tǒng)間無功電流沖擊。導(dǎo)前時間根據(jù)實測斷路器動作時間、同期裝置出口繼電器動作時間、斷路器操作箱繼電器動作時間進(jìn)行整定，使同期裝置同期點更接近實際的0°點[12-13]。

通過采取上述措施，在進(jìn)行機(jī)組單機(jī)同期并網(wǎng)操作過程中，并網(wǎng)時刻沖擊電流下降到了0.3倍額定電流以下，滿足了并網(wǎng)期間對沖擊電流的要求，誤上電保護(hù)未動作，使機(jī)組順利完成并網(wǎng)操作，保證了機(jī)組和系統(tǒng)在并網(wǎng)期間的安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合發(fā)電機(jī)組同期并網(wǎng)過程中發(fā)生誤上電保護(hù)動作并網(wǎng)失敗的問題，分析動作原因，從水輪發(fā)電機(jī)組開機(jī)特點和它與機(jī)組誤上電保護(hù)之間配合存在的問題2個方面進(jìn)行了研究和分析，提出了改進(jìn)措施，從而提高了機(jī)組和系統(tǒng)運行的可靠性，并且通過實例進(jìn)行了驗證。

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