李方玖,易亞文,張林枝,代順娟,陳 偉
(向家壩水力發(fā)電廠,四川 宜賓 644612)
發(fā)電機機端斷路器(GCB)日常操作頻繁,易因機械結(jié)構(gòu)長期磨損而發(fā)生傳動連桿脫落等故障,造成GCB非全相運行。GCB發(fā)生非全相故障時,發(fā)電機將處于非全相運行狀態(tài),運維人員初期很難從三相聯(lián)動機構(gòu)指示標識發(fā)現(xiàn)該問題,此時若無保護反映動作,定子繞組將長時間承受負序電流,造成發(fā)電機振動加劇和轉(zhuǎn)子過熱,嚴重危及發(fā)電機安全穩(wěn)定運行[1-4]。
傳統(tǒng)繼電保護裝置常采用負序過負荷保護反映GCB非全相故障。近年,相關(guān)科研人員提出了基于GCB兩端電壓差和基波零序電壓相角差等新技術(shù)的GCB非全相保護[5-6],少量產(chǎn)品已在現(xiàn)場應用。根據(jù)某大型水電站的實際運行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn),發(fā)電機在并網(wǎng)初期帶小負荷運行或解列停機過程中發(fā)生GCB非全相故障時,實際呈現(xiàn)的電氣量特性不完全滿足以上幾種保護判據(jù),保護裝置可能均存在拒動風險。本文結(jié)合兩起GCB非全相故障的實際案例,分析多工況故障狀態(tài)下發(fā)電機的電氣特性,提出更優(yōu)的保護動作判據(jù)。
對于GCB非全相故障,通常采用對稱分量法[7]對單機無窮大系統(tǒng)發(fā)電機機端斷路器非全相運行時GCB兩側(cè)的電氣量理論特性進行分析。分析可得:GCB非全相運行時,電氣特性呈現(xiàn)出故障相兩側(cè)產(chǎn)生電壓差和相角差、負序電流、基波零序電壓差和相角差,這些電氣量值與發(fā)電機側(cè)、系統(tǒng)側(cè)電源電動勢以及序網(wǎng)絡阻抗大小有關(guān),當在序網(wǎng)絡阻抗一定的情況下,這些電氣量值會隨著負荷電流的增大而增大,而非斷線相電壓差和相角差為零[5-6]。
下面結(jié)合某大型水電站的實際運行案例,從機組故障錄波裝置錄取的波形數(shù)據(jù)中,摘錄負序電流、電壓差以及電壓相角差等電氣特征值,分析發(fā)電機發(fā)生GCB非全相故障時的實際電氣特性。
案例1:2018年11月,該水電站某臺800 MW發(fā)電機開機并網(wǎng),出力增加過程中“發(fā)電機負序過負荷保護”等信號報警。停機檢查發(fā)現(xiàn)該發(fā)電機出口隔離開關(guān) C相操作連桿拐臂脫落,C相處于斷開狀態(tài),造成GCB非全相運行。
本例中,從GCB合閘并網(wǎng)到發(fā)現(xiàn)故障停機,機端電流最高升至40%的額定電流。表1從故障錄波中摘錄了不同機端電流時的電氣量變化情況。通過表1內(nèi)數(shù)據(jù)分析,可得出如下結(jié)論:①負序電流和GCB兩側(cè)基波零序電壓有效值差值隨機端電流增加而增加趨勢極為明顯,其中負序電流有效值約為機端電流57%;②GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差值一直保持較大值,相角差值均在100°以上;③斷線相兩側(cè)電壓有效值差值隨機端電流增加成增加或減少趨勢;④斷線相兩側(cè)電壓相角差值隨機端電流增加成增加趨勢。
表1 案例1電氣量二次值變化統(tǒng)計表
案例2:2019年1月,該水電站某臺800 MW發(fā)電機,在停機備用負荷降為零,發(fā)電機出口斷路器分閘后,雙套變壓器保護“主變低壓側(cè)零序電壓報警”動作。經(jīng)檢查,該發(fā)電機出口斷路器 C相因傳動機構(gòu)故障而未斷開,造成GCB非全相運行。
表2從故障錄波中摘錄了從GCB分閘至發(fā)電機機端電壓衰減至零的電氣量變化情況。通過表2的數(shù)據(jù)分析,可得出如下結(jié)論:①隨時間推移斷開相兩側(cè)電壓有效值最大差值和GCB兩側(cè)基波零序電壓有效值差值從起初的較小值逐步增大,并接近線電壓額定值100 V;②隨時間推移斷開相兩側(cè)相電壓相角差值同樣從起初的較小值逐步增大;③隨時間推移GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差值一直保持較大值;④以上數(shù)據(jù)均在發(fā)電機機端電壓衰減至接近零前呈現(xiàn)如表2變化規(guī)律,待發(fā)電機機端電壓衰減至接近零后,以上所有差值均趨于較大穩(wěn)定值。
表2 案例2電氣量二次值變化統(tǒng)計表
結(jié)合實際運行經(jīng)驗,發(fā)電機組發(fā)生有危害的GCB非全相故障的運行工況大致可分為:①發(fā)電機開機合GCB并網(wǎng),發(fā)生GCB一相或兩相未合上;②發(fā)電機正常帶負荷運行,發(fā)生保護動作或是機構(gòu)偷跳GCB一相或兩相;③發(fā)電機減負荷停機斷開GCB,發(fā)生GCB一相或兩相未斷開。
以上2個案例分別代表了①③兩種工況。第②種工況與第①種工況類似,只是所帶負荷更大。根據(jù)案例分析,GCB非全相故障呈現(xiàn)出的具有共性的電氣特征量為GCB兩側(cè)的相電壓差、相角差和基波零序電壓差、相角差。GCB兩側(cè)的相電壓相角差和基波零序電壓差在發(fā)電機并網(wǎng)初期呈現(xiàn)最小值,其值隨發(fā)電機出力增加而增大;GCB兩側(cè)的相電壓差和基波零序電壓相角差不隨發(fā)電機出力變化而變化,但較正常運行情況下的差值相比均呈現(xiàn)出明顯增大現(xiàn)象。
該保護以負序電流量為保護判據(jù)。由案例1、2分析可知,GCB非全相僅依靠負序過負荷保護反映非全相運行故障是遠遠不夠的,一是在發(fā)電機剛非全相并網(wǎng)負荷還未增加時和發(fā)電機將負荷減為零后非全相解列時均沒有靈敏度;二是負序過負荷保護動作時間長,不能及時反映非全相故障,存在其他保護搶先動作擴大故障范圍的問題。
由文獻[5]提出的基于GCB兩側(cè)電壓相量差的GCB非全相保護。該保護判據(jù)在GCB兩側(cè)相量差的基礎上還需要增加負序電壓、零序電壓等輔助判據(jù),判據(jù)較為復雜。由案例1數(shù)據(jù)可知,GCB兩側(cè)相電壓相量差有效值隨機端電流增加呈增加或減少趨勢,這將增加電壓相量差定值整定難度。另外,該保護判據(jù)還需滿足發(fā)電機機端與主變低壓側(cè)三相電壓中的最小相電壓有效值需要大于90%額定相電壓有效值,顯然案例2中隨著發(fā)電機電壓衰減,該判據(jù)將不滿足,造成保護拒動。
由文獻[6]提出的基于GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差的GCB非全相保護。該保護判據(jù)還需滿足發(fā)電機機端與主變低壓側(cè)三相電壓中的最小相電壓有效值需要大于80%額定相電壓有效值,顯然案例2中隨著發(fā)電機電壓衰減,該判據(jù)將不滿足,造成保護拒動。
根據(jù)前文分析,GCB非全相故障的電氣特征量集中體現(xiàn)為GCB兩側(cè)的相電壓差、相角差和基波零序電壓差、相角差,以此為判別對象,可提出基于GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓的相角差的復合判據(jù)。該判據(jù)的表達式見式(1)。
條件1:φGX和φTX分別為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)相電壓相角; X為A、B、C相;max表示取相電壓相角差最大值;φG-T.SET為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)相電壓相角差的動作值,可按發(fā)電機并網(wǎng)后勵磁系統(tǒng)能夠給定的最低初始負荷或發(fā)電機長期運行允許的負序電流所對應GCB非全相故障的發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)相電壓相角差經(jīng)驗值整定。該水電站發(fā)電機長期運行允許負序電流值較大,即按發(fā)電機并網(wǎng)后初始給定負荷(6.25%In)所對應的發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)相電壓相角差經(jīng)驗值整定。實測相角差值為2°,為保證可靠動作,建議定值取1°。
條件2:φG0和φT0分別為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)零序電壓相角;φ0.SET為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)零序電壓相角差的動作值,該值整定原則與條件1中φG-T.SET的整定原則相似。實測相角差值為100°,為保證可靠動作,建議定值取90°。
條件3:UG0和UTO分別為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)零序電壓有效值;ΔUG-T.SET為輔助判據(jù),用于發(fā)電機和主變單側(cè)正常停運或空載時閉鎖該保護,可按躲過發(fā)電機和主變單側(cè)正常停運或空載時的零序電壓差實測值整定。該水電站實測零序電壓差值為0.1~0.4 V,取1.5倍的可靠系數(shù),建議定值取0.6 V。
當式(1)的條件 1~3同時滿足時,保護判定GCB非全相故障,延時動作于報警或是跳閘。發(fā)電機帶大負荷運行,發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的電氣特征量較大時,該保護判據(jù)能可靠動作;發(fā)電機合GCB并網(wǎng)初期帶極小負荷或減負荷至零斷開GCB運行工況下,發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的電氣特征量較小時,該保護判據(jù)仍能靈敏動作;當發(fā)生TV斷線時,GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差可相互起到閉鎖作用,避免該保護判據(jù)誤動;當發(fā)電機和主變單側(cè)正常停運或空載時,條件3可閉鎖該保護,避免該保護判據(jù)誤動。
分析該水電站兩起GCB非全相故障案例波形數(shù)據(jù),呈現(xiàn)出GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓差和相角差顯著增大,現(xiàn)有的基于負序電流、GCB兩側(cè)電壓相量差和基波零序電壓相角差的判據(jù)都存在一定拒動風險。本文提出的基于GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差的復合判據(jù),定值整定原則考慮了發(fā)電機并網(wǎng)后勵磁系統(tǒng)能夠給定的最低初始負荷這種最極端運行工況對應的非全相故障經(jīng)驗值,可滿足各種工況下GCB非全相保護可靠性和靈敏性的要求。發(fā)電機合GCB并網(wǎng)初期帶極小負荷或減負荷至零斷開GCB運行工況下,發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差電氣特征量可讓該新型判據(jù)靈敏動作;GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差、基波零序電壓差構(gòu)成的與門復合判據(jù),既可有效避免TV斷線造成的保護誤動,又可有效避免發(fā)電機和主變單側(cè)正常停運或空載時保護誤動。由此可見,發(fā)電機開機并網(wǎng)、正常帶負荷運行以及停機備用等各種工況下,該新型判據(jù)對GCB非全相故障均能起到良好的保護作用。