魏 揚，吳禮貴

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

大型發(fā)電機變壓器組因配置廠用電的要求，需在發(fā)電機出口配置機端斷路器（GCB）。根據(jù)規(guī)程要求，發(fā)電機出口斷路器操作機構(gòu)需采用三相聯(lián)動機構(gòu)[7-10]。一般認為，三相聯(lián)動機構(gòu)不會發(fā)生非全相合閘狀況，但隨著操作次數(shù)的增多、機械結(jié)構(gòu)磨損或者設(shè)計上的缺陷，GCB非全相故障案例越來越多[5]。本文介紹了一起帶GCB機組非全相合閘并網(wǎng)的實例，通過分析和研究，提出了增設(shè)機端斷路器非全相保護的必要性與可行性。

1 事件過程

某電廠某機組開機并網(wǎng)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)報A/B套主變壓器低壓側(cè)接地、發(fā)電機保護A/B套總出口動作、電氣保護總出口動作等信號，并網(wǎng)不成功。現(xiàn)場檢查，發(fā)電機保護A、B盤零序電壓定子接地保護動作，注入式定子接地保護未動作。兩套發(fā)電機保護采樣一致、TV自產(chǎn)零序和開口三角零序均存在零序電壓，排除二次回路及保護采樣問題，判定一次系統(tǒng)存在異常。事件過程見表1。

表1 事件過程記錄時序Table 1 Event process recording sequence

2 故障錄波數(shù)據(jù)分析

2.1 發(fā)電機并網(wǎng)前

發(fā)電機并網(wǎng)前0～14ms，發(fā)電機側(cè)和主變壓器低壓側(cè)三相電壓對稱（有效值約為57.6V），無零序電流，無零序電壓，三相電流為零。發(fā)電機并網(wǎng)前，GCB及隔刀兩側(cè)的一次設(shè)備無異常，如圖1所示。

圖1 發(fā)電機并網(wǎng)前波形圖和向量圖Figure 1 Waveform diagram and vector diagram before generator grid connection

2.2 GCB合閘時刻

GCB合閘并網(wǎng)后，發(fā)電機側(cè)C相電壓和主變壓器低壓側(cè)C相電壓幅值相位基本保持一致，幅值由合閘前57.7V緩慢降至50V。主變壓器低壓側(cè)A、B相電壓發(fā)生明顯偏移，且A相電壓幅值急劇上升至119.25V，B相電壓幅值先降至42.3V后再回升至73V左右。發(fā)電機側(cè)A、B相電壓偏移幅度較小，幅值均緩慢升高至62V，如圖2所示。

圖2 發(fā)電機并網(wǎng)后波形圖和向量圖Figure 2 Waveform diagram and vector diagram after generator grid connection

分析主變壓器低壓側(cè)波形，虛擬出主變壓器低壓側(cè)線電壓通道，可以看到Uab、Ubc和Uca幅值固定100V，且相位差120°保持不變，排除主變壓器低壓側(cè)PT故障，如圖3所示。機端自產(chǎn)零序電壓與外接零序電壓采樣一致，排除機端PT故障。

圖3 發(fā)電機并網(wǎng)后主變壓器低壓側(cè)Ubc和Uac電壓Figure 3 UBC and UAC voltage at low voltage side of main transformer after generator grid connection

通過故障錄波和保護動作分析，判斷為發(fā)電機C相與系統(tǒng)C相形成電氣連接，A、B相未形成電氣連接，出現(xiàn)機端非全相運行異常狀態(tài)。根據(jù)一次連接分析可確定，主變壓器低壓側(cè)C相通過發(fā)電機C相繞組及中性點接地變接地，形成了一個類似于主變壓器低壓側(cè)C相接地的電氣故障現(xiàn)象，如圖4所示。此時，因發(fā)電機電壓和系統(tǒng)電壓頻率不同步，三相電壓逐步發(fā)生偏移，且主變壓器低壓側(cè)三相電壓幅值變化更大[3]，造成變壓器低壓側(cè)零序電壓率先達到報警定值10V，A、B套變壓器保護均發(fā)主變壓器低壓側(cè)接地信號。

圖4 主變壓器低壓側(cè)電氣連接圖Figure 4 Electrical connection diagram at low voltage side of main transformer

圖5為并網(wǎng)前后機端電流波形，從圖5可知，發(fā)電機并網(wǎng)后，機端三相電流一直為零。正常情況下，成功并網(wǎng)瞬間會產(chǎn)生一定的沖擊電流，進一步驗證了發(fā)電機機端斷路器或隔離刀閘未能和系統(tǒng)進行有效連接，且有兩相為故障相。機端與主變壓器低壓側(cè)只有一相有電氣連接，屬于非全相運行狀態(tài)。由于發(fā)電機為中性點不接地系統(tǒng)，主變壓器低壓側(cè)為三角形接線，故其零序網(wǎng)絡(luò)與正序和負序網(wǎng)絡(luò)“不通”，沒有電流[6]。

圖5 并網(wǎng)前后機端電流波形Figure 5 Generator terminal current waveform before and after grid connection

3 斷口兩側(cè)電壓理論分析

帶機端斷路器的機組并網(wǎng)時，GCB兩側(cè)均有電動勢。GCB合閘后處于非全相運行狀態(tài)（僅C相形成電氣連接），主變壓器低壓側(cè)C相繞組雖然類似于經(jīng)接地變電阻接地的虛假接地情況，但因受機端C相電壓的牽制，低壓側(cè)C相電壓始終保持與機端C相電壓相同。此時主變壓器低壓側(cè)三相電壓不同步，主變壓器中性點電壓發(fā)生偏移。下面用疊加原理，分別對機端側(cè)和主變壓器低壓側(cè)三相電壓展開理論分析計算。

3.1 機端三相電壓分析

分別對斷路器兩側(cè)電壓量進行定量分析，發(fā)電機機端至主變壓器低壓側(cè)均為不接地系統(tǒng)。機端三相電壓分別為：

根據(jù)基爾霍夫電流定律：

得出機端中性點對地電壓為：

由于GCB A相和B相兩側(cè)未形成有效連接造成非全相運行，則機端A、B兩相對地阻抗均為GCB靠發(fā)電機側(cè)電容、定子單相對地電容與中性點接地電阻之和，即：ZAG=ZBG=1/Rn+jω（Cg+Cd），C相對地阻抗為3倍主變壓器側(cè)電容加上定子單相對地電容、GCB發(fā)電機側(cè)電容與中性點接地電阻之和，即：ZCG=1/Rn+jω（3Ct+Cg+Cd），機端斷路器兩側(cè)對地電容及接地變電阻參數(shù)如表2所示。

表2 機端斷路器兩側(cè)對地電容及接地變壓器電阻參數(shù)Table 2 Parameters of grounding capacitance and grounding transformer resistance on both sides of terminal circuit breaker

將上述參數(shù)代入計算，中性點對地電壓，機端A、B、C三相電壓一次值分別為：

將一次值折算到二次側(cè)，機端開口三角電壓，機端A、B、C三相電壓一次值分別為：

3.2 主變壓器低壓側(cè)三相電壓分析

當GCB非全相運行時，機端三相電勢和系統(tǒng)三相電勢頻率不同步，三相電壓逐步發(fā)生偏移。隨著時間的推移，兩側(cè)電勢的相角差逐步增大，不同的相角差對應的計算值均不同。為分析某時刻兩側(cè)電勢理論值，選取系統(tǒng)側(cè)超前機端側(cè)30°時刻進行定量分析。故障時刻的錄波圖如圖6所示。

圖6 GCB合閘后主變壓器高壓側(cè)電壓超前機端側(cè)電壓30°時刻錄波圖Figure 6 Oscillogram when the voltage at the high voltage side of the main transformer is 30° ahead of the voltage at the generator end after GCB is closed

此時系統(tǒng)側(cè)三相電壓為：

同理，根據(jù)基爾霍夫電流定律：

得出主變壓器中性點對地電壓為：

由于GCB A相和B相兩側(cè)未形成有效連接造成非全相運行，則主變壓器低壓側(cè)A、B兩相對地阻抗均為GCB靠主變壓器低壓側(cè)電容，即：ZAS=ZBS=jωCt，C相對地阻抗為中性點接地電阻加上主變壓器側(cè)電容與3倍定子單相對地電容、GCB發(fā)電機側(cè)電容之和，即：

將參數(shù)代入計算，主變壓器中性點對地電壓，主變壓器低壓側(cè)A、B、C三相電壓一次值分別為：

將一次值折算到二次側(cè)，主變壓器低壓側(cè)A、B、C三相電壓一次值分別為：

上述計算表明，若機端側(cè)無電勢，機端斷路器非全相運行時，主變壓器低壓側(cè)三相電壓變化特征與定子單相接地高度類似。

帶機端斷路器的機組在停機且主變壓器倒掛運行時，因GCB機構(gòu)故障導致的GCB非全相運行，主變壓器低壓側(cè)零序電壓滿足動作值會使主變壓器低壓側(cè)接地告警動作。

結(jié)合圖6錄波數(shù)據(jù)分析，由于機端C相電壓的牽制，主變壓器低壓側(cè)C相電壓幅值和相位始終保持一致。疊加兩側(cè)的電動勢對三相電壓的影響，中性點發(fā)生偏移，主變壓器低壓側(cè)三相電壓矢量圖如圖7所示。

圖7 特殊時刻主變壓器低壓側(cè)三相電壓矢量圖Figure 7 Three phase voltage vector diagram at low voltage side of main transformer at special time

若不考慮機端電動勢對主變壓器低壓側(cè)三相電壓的影響，經(jīng)理論計算可得，低壓側(cè)A相電壓和B相電壓的相對幅值和相位如圖中黑色A和黑色B所示，A相電壓和B相電壓幅值相等，相位差60°，C相電壓近似為零，此時中性點為O1點。

通過計算得出，受兩側(cè)電動勢綜合影響下，機端斷路器發(fā)生AB兩相斷相故障時，主變壓器低壓側(cè)A相電壓為84.117∠34.87°V，B相電壓 43.8387∠ -61.9224°V，C相電壓 55.5341 ∠ 117.3744°V，零序電壓 50.1988 ∠ 42.4897°V。三相電壓及零序電壓理論計算值與故障錄波數(shù)據(jù)記錄的采樣基本吻合。

綜合機端三相電壓和主變壓器低壓側(cè)三相電壓分析可知，當GCB非全相運行時，GCB兩側(cè)的三相電壓和開口三角零序電壓均特征呈現(xiàn)和定子單相接地類似的故障特征，屬于“虛假”定子接地，當故障量達到基波零序電壓定子接地保護動作值時保護動作，符合理論分析。

4 GCB非全相保護現(xiàn)狀

主變壓器高壓側(cè)斷路器（500kV）一般為分相操作機構(gòu)，通過分相斷路器輔助接點構(gòu)成非全相保護，是斷路器保護的標準配置[4]。機端斷路器（GCB）及其隔刀均為三相機械聯(lián)動機構(gòu)，不存在分相的輔助接點，無法通過斷路器輔助接點實現(xiàn)非全相保護。GCB并網(wǎng)初期，若單相斷線，由于導葉開度小及發(fā)電機與系統(tǒng)側(cè)相差很小，負序電流較??；若兩相斷線，因發(fā)電機為高阻接地，一次側(cè)基本無電流。綜上所述，GCB非全相保護無法通過輔助接點或電流保護快速檢測出故障。

GCB及隔刀采用三相聯(lián)動機構(gòu)，一般認為其不會發(fā)生非全相故障，但隨著操作次數(shù)增加，機械結(jié)構(gòu)磨損，甚至設(shè)計缺陷，GCB非全相故障越來越多[5]。目前，規(guī)程未要求GCB開關(guān)配置非全相保護，因此在并網(wǎng)初期無法快速檢測出非全相工況。

查閱相關(guān)文件，目前已投入的GCB非全相保護，一般利用GCB斷線故障導致發(fā)電機機端基波零序電壓與主變壓器低壓側(cè)基波零序電壓量的故障特征，采用斷口兩側(cè)電壓相量差構(gòu)成GCB非全相保護原理，保護判據(jù)不依賴電流量，且不受電壓互感器斷線的影響，可快速檢測機組并網(wǎng)初期和解列時的GCB非全相故障，該種原理保護已在廣州抽水蓄能、深圳抽水蓄能、彭水、龍灘和烏東德等水電站得到應用[2]。

5 結(jié)束語

本文分析了一起并網(wǎng)初期，因機端斷路器機械故障導致的非全相案例，結(jié)合保護動作報文和故障錄波圖，對故障發(fā)生時刻的GCB兩側(cè)電壓量進行理論分析，給采用同類型接線方式的發(fā)電廠提供增設(shè)GCB非全相保護的思路。通過增設(shè)GCB非全相保護，可快速實現(xiàn)機組在并網(wǎng)和解列工況下的非全相識別，提升發(fā)電機安全運行水平。