王貴來

（貴州黔源電力股份有限公司，貴州 貴陽 550002）

目前，大型水輪機組和1 000 MW汽輪機組普遍安裝了發(fā)電機出口開關（GCB）[1，2]。安裝有GCB的發(fā)電機組優(yōu)點是檢修時不用停運主變，開關站的接線方式完整，可靠性高；當發(fā)電機故障時，保護動作跳開GCB，主變保持帶廠用變運行方式，廠用電可靠性大大提高[3-6]。安裝GCB的機組常規(guī)配置有GCB失靈保護，文章結合多起失靈保護拒動案例，從發(fā)電機出口開關失靈保護動作邏輯和整定計算兩個角度進行分析，提出動作邏輯及整定計算優(yōu)化建議，有效提高保護動作可靠性，防止事故擴大和發(fā)電機故障損壞。

1 發(fā)電機出口開關失靈保護拒動案例

1.1 GCB內(nèi)PT破裂漏液

某水電站發(fā)電機變壓器組為單元接線，發(fā)電機出口有ABB公司開關HEC-7S，電壓互感器（TV4、TV5）安裝在開關兩側，4組電壓互感器位于發(fā)電機機端。發(fā)電機出口開關靠發(fā)電機側內(nèi)布有TV4，用于勵磁、調(diào)速器和同步相量測量回路。發(fā)電機出口開關內(nèi)靠主變側布有TV5，用于主變保護、計量、同期和調(diào)速器回路。2012年07月08日22：42：00，電廠5號發(fā)電機保護A、B柜發(fā)生注入式定子接地保護動作跳閘，甩527.6 MW負荷。檢查原因系對發(fā)電機出口開關（GCB）靠發(fā)電機側電壓互感器B相破裂漏液，導致電壓互感器絕緣值為零，發(fā)電機注入式定子接地保護正確動作出口跳發(fā)電機出口開關、滅磁開關、停機，但此時發(fā)電機出口開關并未啟動。

跳閘時波形如圖1所示，從圖1中可以看出，跳閘時刻機端零序電壓值為9.66 V，A、B、C相電壓值分別為60.21 V、50.96 V、53.95 V，發(fā)電機中性點零序電流值為0.081A。該時刻機端三相電流幅值和相序基本平衡，為正常運行電流，基本無負序電流。

圖1 跳閘時刻機組錄波圖

1.2 GCB觸頭傳動連桿軸套磨損破裂脫落

某水電站按調(diào)度令正常解列停機過程中，發(fā)電機出口開關C相（A、B相正常分閘）因觸頭傳動連桿軸套磨損破裂脫落未正常分閘，基波零序電壓定子接地保護正確出口跳發(fā)電機出口開關、滅磁開關、停機，但發(fā)電機出口開關C相不能分開，發(fā)電機失靈保護未能正常啟動，導致發(fā)電機C相長時間與系統(tǒng)連接并經(jīng)高阻中性點接地變壓器構成回路，給發(fā)電機構成較大威脅。發(fā)電機斷路圖如圖2所示。

圖2 發(fā)電機斷路圖

保護裝置在動作時，保護裝置采集到的機端電流均為0 A。保護裝置在動作時，保護裝置采集到的機端電壓均為5.75 V（有效值）。保護裝置在動作時，保護裝置采集到的機端零序電壓為10.1 V（有效值）。保護裝置在動作時，保護裝置采集到的中性點零序電壓為10.13 V（有效值）。

1.3 GCB輔助連桿斷裂

某電廠發(fā)電機GCB輔助接點傳動桿的銷釘墊片老化碎裂，輔助接點未跟隨主觸頭動作，故障時跳閘回路無法正常出口，開關拒動，本應啟動失靈保護，但因判據(jù)中引入發(fā)電機出口開關合閘位置開入，由于GCB合閘位置誤判“分位”，失靈保護會拒動，事故進一步擴大。GCB處理措施如圖3所示。

圖3 GCB處理措施

2 失靈保護定值整定電流判據(jù)存在的問題

DL/T 684-2012要求[7]：GCB失靈保護的相電流定值按躲過發(fā)電機額定電流整定，負序電流定值按躲過發(fā)電機正常運行時的最大不平衡電流整定，失靈保護動作時間取0.3~0.5 s。

發(fā)電機有多種故障類型，如定子相間短路、定子匝間短路、定子接地、轉子接地、轉子匝間短路、失磁、失步、過激磁等，不同故障具有不同電氣特征，有必要分析發(fā)電機發(fā)生各類型故障時，GCB失靈保護的定值靈敏度。水輪發(fā)電機故障時各類保護動作后啟動失靈情況統(tǒng)計如表1所示。

表1 水輪發(fā)電機故障時各類保護動作后啟動失靈情況統(tǒng)計表

發(fā)電機的差動保護、復合電壓啟動過電流保護按照導則整定時，發(fā)生故障時故障電流均大于失靈保護按照導則整定的定值，故能夠啟動GCB失靈保護。定子定時限過負荷保護設為兩段，定子過負荷保護Ⅰ段為跳閘段，動作電流按躲過主變高壓側三相短路最大短路電流整定，發(fā)生故障時故障電流均大于失靈保護按照導則整定的定值，故能夠啟動GCB失靈保護。定子過負荷保護Ⅱ段為信號段，動作電流按發(fā)電機長期允許的負荷電流下能可靠返回整定，一般取1.2倍發(fā)電機額定電流，小于按照導則整定的失靈保護啟動電流，不能正常啟動失靈保護。

定子繞組反時限過負荷保護整定依據(jù)制造廠曲線，選擇IEC反時限曲線C能滿足發(fā)電機的特性，發(fā)電機額定電流的1.106倍設為啟動電流。當電流高值發(fā)生反時限過負荷保護動作，且超過GCB失靈啟動電流判據(jù)時，該保護能直接有效地啟動GCB失靈保護。當電流低值發(fā)生反時限過負荷保護動作，且不超過GCB失靈啟動的電流判據(jù)時，該保護不能直接有效地啟動GCB失靈保護。發(fā)電機失磁、失步保護主保護動作后，發(fā)電機出口跳滅磁開關、GCB開關、停機，若GCB失靈，隨著機組原動力、勵磁電流的下降，機組進入異步電動機運行狀態(tài)，機端電流最終將介于1/Xd與1/Xd′之間，水動機狀態(tài)后，發(fā)電機機端電流約為3倍額定電流，失靈保護可正常啟動。

發(fā)電機過激磁保護，當有功和機端電壓不變，滯相時，定子電流的增大與勵磁電流正相關，過勵磁時的勵磁電動勢高于機端電壓；進相時，定子電流隨著勵磁電流的增大而減小，欠勵磁時的勵磁電動勢較低。而接入500 kV主系統(tǒng)的水輪發(fā)電機一般運行在無功進相狀態(tài)，當水輪發(fā)電機組無功進相狀態(tài)下過激磁時，機端電流小于額定電流，失靈保護無法正常啟動；當發(fā)電機在滯相運行狀態(tài)下，機端電流可能超過斷路器失靈啟動的電流判據(jù)。

因南瑞、南自、許繼、四方等保護廠家的GCB失靈保護邏輯中均未引入零序電壓判據(jù)，故90%定子接地保護（基波零序電壓）、外加低頻電源定子接地保護兩類保護均不能正常啟動GCB失靈保護（通過上述兩個案例分析可知）。定子過電壓保護通常取1.3倍發(fā)電機額定電壓整定，無法正常啟動失靈保護。發(fā)電機逆功率保護和發(fā)電機進相能力配合，一般取5%~10%額定功率整定，無法正常啟動GCB失靈保護。誤上電保護時，誤上電電流建議按大于1.3倍額定電流整定，發(fā)生故障時可正常啟動GCB失靈保護。

3 GCB失靈保護優(yōu)化建議

近年來，國內(nèi)專家對GCB失靈保護存在的問題已有充分認識，并提出多種改進方案。改進方案的重點是取消GCB合閘位置判據(jù)、降低相電流定值和增加輔助判據(jù)。

南瑞繼保PCS985GW裝置GCB失靈保護動作邏輯如圖4所示，國電南自GCB失靈保護動作邏輯如圖5所示。

綜合上述保護動作后啟動失靈情況，筆者認為應從兩個方面著手優(yōu)化：①將取消GCB合閘位置判據(jù)、降低相電流定值。中國南方電網(wǎng)有限責任公司企業(yè)標準《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算規(guī)程》失靈保護原則二中規(guī)定可按照0.2~0.3 Ie整定，時間按0.3~0.5 s整定。失靈保護應按兩時限整定，第一時限0.3 s跟跳GCB，第二時限0.5 s聯(lián)跳主變，失靈保護一時限誤動，不會擴大動作范圍。②在保護啟動邏輯中增加零序電壓啟動保護邏輯，定值按照定子接地保護定值整定，可有效防止定子接地或GCB機械故障時，GCB失靈后給發(fā)電機帶來的威脅。

圖4 南瑞繼保GCB失靈保護動作邏輯

圖5 國電南自GCB失靈保護動作邏輯