聊方倫 ，周 平

(1.安慶皖江發(fā)電有限公司，安徽 安慶 246008；2.浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 平湖 314201)

大型發(fā)電機(jī)-變壓器組(以下簡稱發(fā)-變組)是電力系統(tǒng)的重要電氣設(shè)備，其運(yùn)行正常與否直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1]。主變壓器(以下簡稱主變)差動(dòng)保護(hù)是變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)，勵(lì)磁涌流和故障電流以及內(nèi)、外部故障的正確區(qū)分是變壓器差動(dòng)保護(hù)必須解決的問題[2]。單元發(fā)電機(jī)組非同期合閘事故引起的沖擊電流對(duì)于差動(dòng)保護(hù)來說為穿越性電流，具有區(qū)外故障特點(diǎn)，此時(shí)主變差動(dòng)保護(hù)應(yīng)滿足選擇性和可靠性的基本要求，不應(yīng)誤動(dòng)作，而應(yīng)由發(fā)-變組誤上電保護(hù)來切除故障。近年來，出現(xiàn)了多起單元發(fā)電機(jī)組非同期合閘或變壓器沖擊時(shí)和應(yīng)涌流造成變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的情況。下面以兩起發(fā)電機(jī)非同期合閘為例，結(jié)合故障錄波器記錄數(shù)據(jù)對(duì)主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)情況和誤上電保護(hù)動(dòng)作情況展開分析，指出存在的問題并提出建議。

1 誤動(dòng)案例情況

1.1 案例1

某年6月28日6：16：00，A電廠執(zhí)行1號(hào)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)操作時(shí)，1號(hào)主變出口斷路器合閘后，1號(hào)發(fā)電機(jī)組瞬時(shí)跳閘，同時(shí)該廠2號(hào)發(fā)電機(jī)組跳閘。檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)發(fā)電機(jī)發(fā)-變組A、B保護(hù)柜“發(fā)-變組差動(dòng)保護(hù)”動(dòng)作跳出口斷路器，2號(hào)發(fā)電機(jī)發(fā)-變組A、B保護(hù)柜“發(fā)-變組差動(dòng)保護(hù)”“主變差動(dòng)保護(hù)”動(dòng)作跳出口斷路器。經(jīng)過檢查確認(rèn)，1號(hào)發(fā)電機(jī)由于同期電壓回路接線反相，造成1號(hào)發(fā)電機(jī)非同期合閘，合閘時(shí)發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓相位相差180°。

1.2 案例2

某年6月15日17：11：00，B電廠2號(hào)機(jī)組在并網(wǎng)過程中出現(xiàn)異常情況，2號(hào)發(fā)-變組誤上電保護(hù)出口跳開2號(hào)發(fā)電機(jī)組，同時(shí)相鄰的1號(hào)機(jī)組發(fā)-變組差動(dòng)、主變差動(dòng)保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)跳開1號(hào)機(jī)組。經(jīng)過檢查，確認(rèn)2號(hào)發(fā)電機(jī)由于同期電壓回路接線反相造成2號(hào)發(fā)電機(jī)非同期并網(wǎng)，合閘時(shí)發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓相位同樣相差180°。

2 主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)分析

以案例1 A電廠2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)為例進(jìn)行分析。

2.1 電流互感器(TA)配置及保護(hù)定值

該廠電氣主接線及2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)配置見圖1，其中高壓廠用變壓器簡稱高廠變，啟動(dòng)/備用變壓器簡稱啟備變，各側(cè)TA的參數(shù)及單相接地負(fù)載在表1中列出。從表1可以看出，2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)各側(cè)TA負(fù)載均未超過TA的額定負(fù)載，各側(cè)TA在穩(wěn)態(tài)情況，一次側(cè)穩(wěn)態(tài)短路電流不大于規(guī)定倍數(shù)時(shí)，TA復(fù)合誤差均不超過5%。

圖1 電氣主接線及2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)配置

表1 2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)各側(cè)TA情況

2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)采用比例制動(dòng)和二次諧波制動(dòng)方式，動(dòng)作方程為：

(1)

式中：Id為差動(dòng)電流(差流)，各側(cè)同名相電流向量和；Iz為制動(dòng)電流，各側(cè)同名相中最大的電流；Iq為啟動(dòng)電流；Ig為拐點(diǎn)電流；Kz為制動(dòng)系數(shù)。

二次諧波制動(dòng)方程：

I2w≥ηI1w

(2)

式中：I2w為某相差流中的二次諧波電流；I1w為某相差流中的基波電流；η為整定的二次諧波制動(dòng)比。

本案例差動(dòng)保護(hù)的整定值：比率系數(shù)Kz=0.5，η=0.18，Iq=0.6 A，Ig=2.85 A, 速斷倍數(shù)Is=5，額定電流Ie=3.56 A。

2.2 錄波情況

1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)瞬間線路故障錄波器啟動(dòng)，由1號(hào)線路A、B、C三相電流波形分析可知開關(guān)三相非同期合閘， C相最先合閘，4.059 ms后A相合閘，10.6 ms后B相合閘。

由電流波形分析可知：2號(hào)線路A相電流第1周期正半波峰值出現(xiàn)在啟動(dòng)后10.193 ms, 峰值電流iamax=18.582 A，負(fù)半波峰值出現(xiàn)在20.555 ms，峰值電流iamin=4.108 A；B相電流第1周期正半波峰值出現(xiàn)在啟動(dòng)后16.593 ms,峰值電流ibmax=16.693 A，負(fù)半波峰值出現(xiàn)在27.029 ms，峰值電流ibmin=2.257 A；C相電流第1周期正半波峰值出現(xiàn)在啟動(dòng)后4.684 ms,峰值電流icmax=12.953 A，負(fù)半波峰值出現(xiàn)在14.155 ms，峰值電流icmin=0.230 A。

2.32號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)分析

根據(jù)故障數(shù)據(jù)分析可知：從第22 ms開始至第52 ms止，差流基波有效值在2.00～2.31 A之間時(shí)，二次諧波有效值在0.41 ～0.25 A變化；第75 ms開始至第100 ms時(shí)，差流基波有效值在1.50 ～2.90 A變化，二次諧波有效值在0.27 ～0.91 A變化。第68.333 ms至82.333 ms時(shí)，最大制動(dòng)電流4.762 A，差流中最小基波有效值2.786 A，差流中最大二次諧波有效值0.421 A。最大二次諧波含量等于15.11%，小于整定值18%。差流中最小基波有效值2.786 A，大于帶制動(dòng)后的最大動(dòng)作電流2.523 A，因此主變差動(dòng)保護(hù)在此時(shí)間段內(nèi)動(dòng)作出口斷路器跳閘。

2.4 TA飽和分析

從故障數(shù)據(jù)分析中可以看出，從故障開始至結(jié)束發(fā)電機(jī)機(jī)端A相電流波形對(duì)稱性較好，TA未飽和；2號(hào)線路A、B相TA由于直流分量的影響從55 ms左右開始飽和，電流波形出現(xiàn)畸變，電流從時(shí)間軸一側(cè)又偏向另一側(cè)，造成電流相位變化，A相差流波形也證明了這一點(diǎn)。

非同期合閘時(shí)，從故障數(shù)據(jù)分析中可以看出，2號(hào)線路電流中的穩(wěn)態(tài)電流倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TA的準(zhǔn)確限值系數(shù)，TA二次負(fù)荷也小于額定負(fù)荷，故 2號(hào)線路TA出現(xiàn)飽和，為此先對(duì)2號(hào)線路相電流進(jìn)行近似計(jì)算。

1號(hào)發(fā)電機(jī)非同期合閘，從1號(hào)線路故障數(shù)據(jù)可以看出開關(guān)三相非同期合閘，設(shè)2號(hào)發(fā)電機(jī)C相電壓Uc為：

Uc=Emsin(ωt+α)

(3)

式中：Em為發(fā)電機(jī)相電壓的基波峰值；ω為角速度；α為初相角。

忽略回路電阻和交流電流衰減，并認(rèn)為在此過程中發(fā)電機(jī)電勢和初相角不變。C相最先合閘，此時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于AB兩相斷線，A相滯后C相合閘的時(shí)間t1=4.059 ms后A相合閘，此時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于B相斷線，經(jīng)過t2=10.6 ms后B相合閘，此時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于三相短路。2號(hào)線路A相電流ia為：

ia=iap+iaap=Iapmsin[ω(t+t1)+α-β-

(4)

式中：iap為發(fā)電機(jī)A相電流的交流基波分量瞬時(shí)值；iaap為發(fā)電機(jī)A相電流非周期分量瞬時(shí)值；Iapm為發(fā)電機(jī)A相電流交流基波分量峰值；Ca為發(fā)電機(jī)A相電流非周期分量起始值；Ta2為發(fā)電機(jī)變壓器組一次系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)；β為正序系統(tǒng)中A相滯后C相角度，取120°；γ為短路回路電流滯后電壓的角度，取90°，阻抗中的電阻值很小，使用電抗值計(jì)算。

為簡化計(jì)算，利用故障數(shù)據(jù)對(duì)A相電流的周期分量幅值和非周期分量幅值進(jìn)行推算。

從計(jì)算結(jié)果看，A相電流都含有很大的非周期分量，根據(jù)理論分析，TA飽和前，A相TA的勵(lì)磁電流i0a為：

i0a=-Iapmcosδcos[ω(t+t1)+α-β-δ]-

(5)

根據(jù)DL/T 866-2004 《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算導(dǎo)則》，由該廠TA的電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，cosδ≈0,sinδ≈1,T2=5.280 s，利用該廠的設(shè)備參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)Ta2≈0.131 s,因此第三項(xiàng)Ta2Ca/(T2-Ta2)≈0.288 6，因此按照二次電流推算的一次非周期分量誤差不大。將以上各數(shù)值代入式(5)，有：

根據(jù)理論分析，TA鐵心開始飽和時(shí)的磁通密度Bb表達(dá)式為：

Bb=kEb

(6)

式中：Eb代表其所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)式；k為與TA本身相關(guān)的常數(shù)。

由該廠2號(hào)線路TA試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，Eb≈Ub=274.05 V，此時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流i=0.104 6 A,當(dāng)勵(lì)磁達(dá)到0.104 6 A時(shí)鐵心開始飽和，根據(jù)以上A相TA的勵(lì)磁電流的公式計(jì)算可知，當(dāng)t≈58.99 ms時(shí)A相勵(lì)磁電流約為0.104 6 A ，TA開始飽和。理論近似計(jì)算與從錄波數(shù)據(jù)上得出的結(jié)論基本一致。TA飽和后，TA勵(lì)磁電感大幅減小，二次電流中的非周期分量衰減變快，穩(wěn)態(tài)周期分量幅值也大幅下降。

非同期合閘時(shí)，2號(hào)線路電流中的穩(wěn)態(tài)電流倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TA的準(zhǔn)確限值系數(shù)，TA二次負(fù)荷也小于額定負(fù)荷，2號(hào)線路TA出現(xiàn)飽和的原因是由于TA勵(lì)磁電流中包含較大的非周期分量。

由TA飽和前勵(lì)磁電流公式的分析可知，勵(lì)磁電流的非周期分量與一次系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)T1、二次回路的時(shí)間常數(shù)T2有關(guān)，T1越大，強(qiáng)制和自由非周期分量的起始值越大；T2越大，強(qiáng)制和自由非周期分量的起始值越小，飽和系數(shù)Kb越大，TA達(dá)到飽和的時(shí)間越長。

3 誤上電保護(hù)動(dòng)作分析

以案例1B電廠2號(hào)發(fā)-變組誤上電保護(hù)為例進(jìn)行分析。

3.1 誤上電保護(hù)配置

誤上電保護(hù)邏輯框圖見圖2，其中Iset、Uset、fset分別為誤上電保護(hù)的電流、電壓、頻率的整定值；t為斷路器觸點(diǎn)斷開時(shí)間延時(shí)(與低頻和低電壓延時(shí)相同)；t1為斷路器觸點(diǎn)斷開消失后該信號(hào)的返回時(shí)間(展寬時(shí)間)；t2為低頻、低壓信號(hào)返回后的該信號(hào)的延時(shí)返回時(shí)間(展寬時(shí)間)；t3為誤上電保護(hù)動(dòng)作整定延時(shí)。誤上電保護(hù)模擬量取發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓、機(jī)端或中性點(diǎn)三相電流。誤上電時(shí)斷路器由開到合，發(fā)電機(jī)定子繞組出現(xiàn)電流，因此可用電流元件作為保護(hù)判據(jù)之一。

圖2 誤上電保護(hù)邏輯框圖

誤上電保護(hù)在發(fā)電機(jī)解列后自動(dòng)投入運(yùn)行，并網(wǎng)后自動(dòng)退出。誤上電保護(hù)誤上電后頻率、電壓延時(shí)返回的作用是保證可靠跳閘。Ige、Uge分別為發(fā)電機(jī)的額定電流和額定電壓，誤上電保護(hù)的整定值：Iset=50%Ige；Uset=50%Uge；fset=48 Hz；t=0 s；t1=1.0 s；t2= 0.8 s；t3=0.1 s。

3.2 誤上電保護(hù)動(dòng)作分析

從錄波數(shù)據(jù)分析可知，發(fā)電機(jī)電流波形偏向時(shí)間軸一側(cè)，波形對(duì)稱性完好，TA沒有飽和。根據(jù)電流波形分析，在非同期起始階段，發(fā)電機(jī)定子電流的交流達(dá)到5.6倍額定電流，機(jī)端電壓降至10 V；120 ms電流交流分量衰減到4倍額定電流，電壓上升到19 V。

錄波數(shù)據(jù)完全滿足誤上電保護(hù)動(dòng)作邏輯：故障電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于誤上電過流整定值Iset，電流條件滿足；非同期合閘過程中斷路器常開輔助觸點(diǎn)由打開變?yōu)殚]合，斷路器輔助觸點(diǎn)條件滿足；合閘后機(jī)端電壓二次值降低到19 V左右，遠(yuǎn)低于50 V的定值，電壓條件滿足；因此，誤上電保護(hù)可靠動(dòng)作。

對(duì)于兩側(cè)電勢角度差較大(例如：在180°附近)的非同期合閘事故，沖擊電流很大，保護(hù)應(yīng)快速動(dòng)作。此時(shí)，除誤上電保護(hù)能夠動(dòng)作外，發(fā)電機(jī)的一些后備保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)(例如：記憶過流保護(hù)、定子過負(fù)荷保護(hù)、阻抗保護(hù)、逆功率保護(hù)、失步保護(hù)等)也可能會(huì)啟動(dòng)，但這些保護(hù)動(dòng)作延時(shí)較長，不能快速動(dòng)作切除故障，而且有的保護(hù)在系統(tǒng)振蕩過程中存在返回的風(fēng)險(xiǎn)，并不能真正對(duì)非同期事故起到保護(hù)作用。

4 措施探討與建議

大型機(jī)組非同期合閘事故引起的沖擊電流除流過事故機(jī)組外，還將流入相鄰機(jī)組和電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)、本機(jī)組和相鄰機(jī)組都將產(chǎn)生非常不利的影響，甚至?xí)斐砂l(fā)電機(jī)等設(shè)備損壞，必須采取必要的措施防止發(fā)生非同期合閘。非同期合閘產(chǎn)生的沖擊電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)來說全部為穿越性電流，具有區(qū)外故障特點(diǎn)，電流中含有大量的非周期分量，導(dǎo)致TA進(jìn)入暫態(tài)飽和狀態(tài)，為此也要采取措施防止相鄰機(jī)組的保護(hù)誤動(dòng)。

a. 重視同期回路。非同期并網(wǎng)雖屬于小概率的事件，但其影響大，必須制定具體的技術(shù)和管理要求。嚴(yán)格按照《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中防止發(fā)電機(jī)損壞要求安裝同期鑒定閉鎖繼電器，同期裝置所取的同期電壓與閉鎖繼電器的同期電壓取自TV不同的二次側(cè)。

b. 選擇暫態(tài)特性良好的TA。盡量使用變比較大的TA，減小TA的二次負(fù)載，在相同的準(zhǔn)確級(jí)下，一般變比越大，其拐點(diǎn)電壓越高，同時(shí)減小二次負(fù)載，則飽和系數(shù)Kb和T2越大。如果有條件，最好選擇具有暫態(tài)飽和能力的TA。

c. 在保護(hù)程序上采取“附加制動(dòng)”判斷TA飽和。部分保護(hù)生產(chǎn)廠家利用TA飽和有延時(shí)這一特點(diǎn)完善防止TA飽和誤動(dòng)的措施。

d. 合理設(shè)定差動(dòng)保護(hù)定值，提高主變差動(dòng)保護(hù)防電流互感器飽和的耐受能力?？稍诒ＷC差動(dòng)保護(hù)靈敏度的前提下，適當(dāng)提高差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)值(建議不超過基準(zhǔn)側(cè)額定電流的0.6)；減小二次諧波制動(dòng)系數(shù),根據(jù) DL/T 684-2012 《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》，本文案例的主變差動(dòng)二次諧波制動(dòng)系數(shù)整定為0.18，如降低至0.15(建議不小于0.15)，可能會(huì)避免本次誤動(dòng)。

e. 重視大機(jī)組誤上電保護(hù)的配置和整定[3-7]。非同期合閘時(shí)，非同期機(jī)組必須依靠誤上電保護(hù)從系統(tǒng)中快速切除。案例二中誤上電保護(hù)快速切除機(jī)組，確保了非同期機(jī)組發(fā)生時(shí)快速切除非同期并網(wǎng)機(jī)組，確保大型設(shè)備的安全。