汪登華,任鵬
(廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司,廣西 桂平 537200)
大藤峽水利樞紐工程是以抵御珠江流域洪澇災(zāi)害、提高黔江通航水平和發(fā)電為主,涵蓋農(nóng)田灌溉、珍稀魚類養(yǎng)殖等綜合利用的水利工程。電廠安裝8臺單機(jī)容量200 MW的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組,送出220 kV電壓等級4回線路到廣西電網(wǎng),主要承擔(dān)廣西電網(wǎng)的發(fā)電和調(diào)峰任務(wù)。
大型發(fā)變組差動保護(hù)一般采用暫態(tài)誤差性能較好的TP型電流互感器,但由于TP型電流互感器體積和質(zhì)量相對較大,且受發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)及機(jī)端出線的空間及長度等限制,電流互感器安裝布置非常困難。因此,我們對PR型電流互感器進(jìn)行分析,論證在220 kV電壓等級下200 MW的發(fā)變組差動保護(hù)選用體積較小的PR型電流互感器的可行性,為類似工程設(shè)計(jì)和設(shè)備選型提供參考。
發(fā)變組外部故障時,出現(xiàn)的短路電流包含衰減較慢的直流及非周期分量,易致電流互感器飽和,特別是當(dāng)電流互感器勵磁電流的非周期分量磁通與剩磁方向相同時,鐵心會加速進(jìn)入飽和工況,引起發(fā)變組差動保護(hù)判定出錯[1]。因此在選用大型發(fā)電機(jī)組的差動保護(hù)電流互感器時要考慮暫態(tài)飽和問題的同時還須對電流互感器鐵心剩磁做出限制。
TP型電流互感器鐵心面積大且?guī)庀?,氣隙增大了鐵心磁回路磁阻,改善了電流互感器的暫態(tài)特性,且有效限制了剩磁,提高了電流互感器對故障電流準(zhǔn)確傳變性能。因此在選擇單機(jī)容量150 MW以上、電壓等級220 kV及以上電廠的發(fā)變組差動保護(hù)電流互感器時,基本都選擇TP型電流互感器,能防止暫態(tài)故障情況下發(fā)生的保護(hù)拒動或誤動。大渡河流域枕頭壩一級水電站單機(jī)容量180 MW,其發(fā)變組差動保護(hù)就采用的TPY型電流互感器[3]。
大藤峽電廠單機(jī)容量200 MW,發(fā)電機(jī)變壓器組一次時間常數(shù)Tp=235 ms,因暫態(tài)時間較長,需考慮回路外部故障時電流互感器鐵心暫態(tài)飽和問題,如按電流互感器的暫態(tài)特性選擇TPY系列電流互感器,飽和時間為:
按C-100 ms-0工作循環(huán)方式,電流互感器所需暫態(tài)面積系數(shù)為:
式中,Tp為一次時間常數(shù),從上式可以看出,為滿足暫態(tài)不飽和,暫態(tài)面積系數(shù)較大,對應(yīng)選擇的電流互感器體積和質(zhì)量都很大。受電廠發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)及機(jī)端出線的空間及長度因素限制,且考慮散熱和屏蔽等要求,現(xiàn)場安裝布置非常困難。因此,我們需要尋找一種既能考慮到一定的暫態(tài)特性,又能適合現(xiàn)場裝配的電流互感器。
根據(jù)DL/T 866-2015《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》,100~200 MW級發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)用電流互感器宜采用P級,也可采用PR級電流互感器[2]。因此對于電廠單機(jī)容量200 MW機(jī)組,考慮選擇PR級電流互感器是符合規(guī)程要求的。
常規(guī)5 P(10 P)級電流互感器不考慮暫態(tài)飽和及剩磁問題,回路外部故障的暫態(tài)期間,發(fā)變組差動保護(hù)電流互感器極易飽和[3],故不予考慮。PR型電流互感器因其鐵心開有小氣隙(氣隙寬度由制造廠家計(jì)算確定),因此能夠有效限制鐵心剩磁小于10 %,能最大程度消除剩磁對電流互感器飽和的影響[4]。在暫態(tài)飽和方面,由于鐵心有小氣隙,增大了鐵心磁回路磁阻,略有限制鐵心暫態(tài)飽和深度作用。
目前部分發(fā)變組保護(hù)裝置具備判電流互感器飽和閉鎖功能,能防止電流互感器鐵心飽和所導(dǎo)致的保護(hù)裝置誤動作。當(dāng)系統(tǒng)短路故障發(fā)生時,保護(hù)裝置先判定是內(nèi)部故障還是外部故障。當(dāng)判定為外部故障,進(jìn)行電流互感器磁通飽和波形判定,根據(jù)電流互感器飽和時電流波形判斷電流互感器飽和情況,當(dāng)波形符合飽和特征,閉鎖差動保護(hù)。
大藤峽電廠發(fā)變組保護(hù)采用南瑞PCS-985GW型繼電保護(hù),該型保護(hù)裝置有檢測電流互感器飽和閉鎖功能。由于有了保護(hù)裝置對電流互感器鐵心出現(xiàn)飽和時的閉鎖,有效防止了發(fā)生外部回路故障導(dǎo)致的電流互感器鐵心飽和后造成保護(hù)裝置誤動,降低了發(fā)變組差動保護(hù)裝置對電流互感器暫態(tài)特性的要求,選擇TP級電流互感器就不再是唯一選擇。
為減少系統(tǒng)故障后電流互感器鐵心發(fā)生嚴(yán)重飽和,在電流互感器選型中須選取一定暫態(tài)系數(shù)。一般情況下,100~200 MW機(jī)組外部故障的暫態(tài)系數(shù)要求不小于10[5]。因此,大藤峽電廠在選擇電流互感器時,短路電流倍數(shù)、誤差限值等按照預(yù)留2倍的裕度,暫態(tài)系數(shù)按10倍來校核準(zhǔn)確限值系數(shù)。
大藤峽電廠發(fā)電機(jī)Xd"=0.237(飽和值)。按機(jī)端三相短路、工作循環(huán)取正常故障切除C-100 ms-0,不考慮斷路器失靈故障,選取電流互感器參數(shù)。
短路電流倍數(shù):
其中:Ign為發(fā)電機(jī)額定一次電流,ITA為電流互感器額定一次電流,Xd"為發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗。暫態(tài)系數(shù)10倍下的準(zhǔn)確限值系數(shù):
實(shí)際配置按準(zhǔn)確限值系數(shù)30這個級別選擇5PR30型電流互感器,即可滿足穩(wěn)態(tài)一次電流在額定電流30倍以下,電流互感器復(fù)合誤差小于5%要求,符合穩(wěn)態(tài)誤差規(guī)定。
電流互感器二次負(fù)載越大,電流互感器鐵心就越容易飽和,提高互感器二次輸出容量有利于減少電流互感器鐵心飽和的深度。大藤峽電廠發(fā)電機(jī)差動保護(hù)電流互感器二次額定電流按1A設(shè)計(jì),互感器到保護(hù)裝置的距離為40 m,電纜截面是4.0 mm2銅芯,銅的電阻率ρ為1.75×10-8Ω·m2,電流互感器二次連接電纜電阻R=ρL/S=80 m ×1.75×10-8Ω·m2/4 mm2= 0.35 Ω。微機(jī)保護(hù)裝置自身負(fù)載約0.5~1.0 Ω,保護(hù)的負(fù)載加電纜的負(fù)載總和不超過2.0 Ω,發(fā)變組保護(hù)用電流互感器二次負(fù)荷不重,Sa=2.0 VA即可滿足容量要求。為留有更多容量裕度,按Sn=30 VA選擇電流互感器容量。
大藤峽電廠發(fā)電機(jī)額定電流為8 000 A,選擇變比為12 000/1 A的電流互感器。其內(nèi)阻按90 Ω考慮,則Sin=90 VA。5PR30電 流 互 感 器Kalf.n=30,按電流互感器二次輸出容量Sn=30 VA選擇,得出實(shí)際準(zhǔn)確限值系數(shù):Kalf=K×Kalf.n×(Sin+Sn)/(Sin+Sa)=30×120/92=39.1(K為修正系數(shù),本文按K=1計(jì)算)??梢钥闯觯黾与娏骰ジ衅魅萘吭6群筮M(jìn)一步提高了準(zhǔn)確限值系數(shù)。
綜上所述,選擇采用5PR30級電流互感器符合相關(guān)規(guī)程要求,且該型電流互感器具備一定抗直流分量飽和能力,能有效限制鐵心剩磁小于10 %,加之保護(hù)裝置的電流互感器飽和閉鎖功能也防止電流互感器飽和引起的誤動,因此大藤峽電廠發(fā)變組差動保護(hù)最終采用5PR30型電流互感器。在電廠出線兩次發(fā)生相間短路故障期間,發(fā)變組差動保護(hù)差流在正常范圍內(nèi),保護(hù)裝置運(yùn)行正常,未出現(xiàn)誤動。
制造PR級電流互感器技術(shù)相對容易,特別是其外形尺寸和P級電流互感器相當(dāng),體積遠(yuǎn)小于TPY型電流互感器,適合在狹窄的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處及套管處安裝。電壓等級220 kV、容量小于200 MW的發(fā)電機(jī)組,在電流互感器設(shè)計(jì)、安裝不方便時,推薦選擇PR型電流互感器。