王義凱，譚力銘，尹項(xiàng)根，洪 心，田 興，喬 健，徐 雯

（1. 華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2. 華中科技大學(xué) 電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3. 三峽梯調(diào)通信中心，湖北 宜昌 443133）

0 引言

發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）裝設(shè)于發(fā)電機(jī)機(jī)端，通過(guò)其關(guān)合可方便地控制發(fā)電機(jī)的投切。大型發(fā)電機(jī)存在內(nèi)部故障或異常工況時(shí)，相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作，通過(guò)跳開(kāi)GCB 實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的隔離，從而切除故障，并通過(guò)系統(tǒng)倒送電方式對(duì)廠用電負(fù)荷持續(xù)供電。在實(shí)際工程中，GCB 可能由于跳閘線圈故障、操作機(jī)構(gòu)故障、氣壓或液壓降低、直流電源故障、操作箱繼電器等問(wèn)題拒絕動(dòng)作跳閘［1］，因此發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)將啟動(dòng)GCB 失靈保護(hù)，在GCB 拒動(dòng)時(shí)失靈保護(hù)動(dòng)作以切除與失靈斷路器相關(guān)聯(lián)的其他斷路器，避免發(fā)電機(jī)的損毀事故。

現(xiàn)有的斷路器失靈保護(hù)采用電流判據(jù)形式，電網(wǎng)線路斷路器失靈保護(hù)采用負(fù)序電流及零序電流判據(jù)［2-3］。由于發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電流無(wú)法流通，GCB 失靈保護(hù)采用相電流和負(fù)序電流判據(jù)。但在單相GCB拒動(dòng)的情況下，由于主變?nèi)抢@組等值零序阻抗為無(wú)窮大，此時(shí)相電流、負(fù)序電流均為0，保護(hù)無(wú)法對(duì)該情況做出反應(yīng)，這將導(dǎo)致故障檢修過(guò)程中某一相仍然與系統(tǒng)連接，對(duì)檢修人員的人身安全構(gòu)成極大威脅，屬于重大安全隱患。在發(fā)生負(fù)序過(guò)負(fù)荷故障時(shí)，如果負(fù)序電流未達(dá)到GCB 失靈保護(hù)負(fù)序判據(jù)動(dòng)作值，此時(shí)若三相斷路器均拒動(dòng)，則故障無(wú)法切除，發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期處于負(fù)序過(guò)負(fù)荷狀態(tài)將損壞轉(zhuǎn)子鐵芯［4］。此外，由于GCB 失靈故障下電氣量的特殊性及切機(jī)方式的多樣性，現(xiàn)有GCB 失靈保護(hù)在多種故障條件下均存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，因此如何合理配置GCB 失靈保護(hù)的問(wèn)題亟需解決。

現(xiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)斷路器失靈保護(hù)的研究主要集中于斷路器的故障診斷［5-6］、提高斷路器失靈保護(hù)可靠性［7-9］和提高失靈保護(hù)動(dòng)作延時(shí)性能［10-11］等方面，但多基于故障電流實(shí)現(xiàn)斷路器失靈保護(hù)檢測(cè)，無(wú)法解決GCB 失靈保護(hù)面臨的問(wèn)題。文獻(xiàn)［12］增設(shè)基于發(fā)電機(jī)故障保護(hù)的短延時(shí)動(dòng)作邏輯，與GCB 失靈保護(hù)共同出口。該方法能夠有效防止GCB 失靈保護(hù)拒動(dòng)，但增加了誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，易擴(kuò)大故障范圍，降低廠用電的供電可靠性。文獻(xiàn)［13］在斷路器保護(hù)出口邏輯中增設(shè)電流突變量啟動(dòng)判據(jù)，從而降低相電流和負(fù)序電流的整定值提高靈敏度，通過(guò)電流突變量判據(jù)防止GCB 失靈保護(hù)誤動(dòng)。但是該方法未考慮在GCB 發(fā)生單相拒動(dòng)時(shí)，其相電流和負(fù)序電流均為0 的特點(diǎn)，依然存在保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［14］提出零序電壓?jiǎn)?dòng)判據(jù)，在一定程度上改善了GCB 失靈保護(hù)拒動(dòng)的問(wèn)題。但其未考慮部分故障情況下GCB發(fā)生三相拒動(dòng)時(shí)不存在零序電壓的情況，導(dǎo)致GCB失靈保護(hù)依然存在拒動(dòng)可能。

為提高GCB 失靈保護(hù)的性能，本文通過(guò)對(duì)稱分量法［15-16］，考慮發(fā)電機(jī)滅磁過(guò)程，分析正確動(dòng)作相GCB 和拒動(dòng)相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差的差異，得出正確動(dòng)作相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差較大、拒動(dòng)相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差為0 的結(jié)論。基于此，提出基于基波電壓相量差的GCB 失靈保護(hù)方法，通過(guò)引入3 次諧波電壓相量差判據(jù)，保證在負(fù)荷較輕時(shí)仍能夠可靠識(shí)別GCB 拒動(dòng)情況。仿真結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)電流保護(hù)判據(jù)，本文所提保護(hù)方法能夠反映所有GCB失靈故障情況，提高發(fā)電機(jī)保護(hù)性能。

1 GCB失靈故障電氣量特征

由理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，基于電流量的GCB 失靈保護(hù)判據(jù)無(wú)法有效反映所有GCB失靈故障情況，需要尋求新的保護(hù)判據(jù)以提高GCB失靈保護(hù)性能。借助GCB 非全相理論［17-18］，可采用GCB 兩側(cè)基波電壓相量差反映GCB 失靈故障。由于GCB 三相拒動(dòng)時(shí)三相基波電壓相量差均為0，基波電壓相量差判據(jù)能可靠反映故障，下面分別針對(duì)單相GCB拒動(dòng)和兩相GCB拒動(dòng)的情況進(jìn)行分析。

1.1 單相GCB拒動(dòng)情況

以A相GCB拒動(dòng)情況為例進(jìn)行分析，此時(shí)BC兩相GCB 正確跳開(kāi)，故障復(fù)合序網(wǎng)與兩相斷線故障情況等效。此時(shí)的故障邊界條件為A 相基波電壓相量差為0，BC兩相電流為0，即：

式中：ΔUA為A 相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差；ΔU1、ΔU2、ΔU0分別為等效復(fù)合序網(wǎng)中A 相正序、負(fù)序、零序基波電壓相量差；IB、IC分別為B、C 相電流。此時(shí)的等效復(fù)合序網(wǎng)如圖1 所示。圖中，EG為發(fā)電機(jī)側(cè)等值電動(dòng)勢(shì)；ES為系統(tǒng)側(cè)等值電動(dòng)勢(shì)；Z1G、Z2G、Z0G分別為發(fā)電機(jī)側(cè)等值正序、負(fù)序、零序阻抗；Z1S、Z2S、Z0S分別為系統(tǒng)側(cè)等值正序、負(fù)序、零序阻抗。

圖1 A相GCB拒動(dòng)情況下的復(fù)合序網(wǎng)圖Fig.1 Diagram of composite sequence network under GCB phase-A rejection condition

此時(shí)，正確動(dòng)作相B 相的GCB 兩側(cè)基波電壓相量差ΔUB為：

式中：α=1∠120°。

由于變壓器三角繞組等值零序阻抗近似無(wú)窮大，Z2Σ/Z0Σ≈0，式（2）可化簡(jiǎn)為：

同理，正確動(dòng)作相C 相的GCB 兩側(cè)基波電壓相量差ΔUC為：

分析式（4）、（5）可知，只要系統(tǒng)帶一定的負(fù)荷，即EG≠ES，則BC 相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差不為0；而由于A 相GCB 未跳開(kāi)，GCB 兩側(cè)仍然保持有效的電氣連接，A 相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差始終為0。因此基于GCB 兩側(cè)基波電壓相量差可判別單相GCB拒動(dòng)情況。

1.2 兩相GCB拒動(dòng)情況

以BC 兩相GCB 拒動(dòng)情況為例進(jìn)行分析，此時(shí)A相GCB 正確跳開(kāi)，故障復(fù)合序網(wǎng)與單相斷線故障情況等效。此時(shí)故障邊界條件為A 相電流為0，BC 兩相GCB兩側(cè)基波電壓相量差為0，即：

式中：IA為A 相電流；I1、I2和I0分別為等效復(fù)合序網(wǎng)中A 相正序、負(fù)序和零序電流。對(duì)式（6）進(jìn)一步推導(dǎo)可得：

根據(jù)故障邊界條件可得等效復(fù)合序網(wǎng)見(jiàn)圖2。

則正確跳開(kāi)相A相的GCB兩側(cè)的基波電壓相量差為：

由于變壓器三角繞組等值零序阻抗近似無(wú)窮大，Z1Σ/Z0Σ≈0，則式（8）可化簡(jiǎn)為：

分析式（9）可知，只要系統(tǒng)帶一定的負(fù)荷，則A相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差不為0；而由于BC 兩相GCB 未跳開(kāi)，GCB 兩側(cè)仍然保持有效的電氣連接，BC 兩相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差始終為0。因此基于GCB 兩側(cè)基波電壓相量差可判別兩相GCB 拒動(dòng)情況。

1.3 考慮發(fā)電機(jī)滅磁過(guò)程的影響

若發(fā)電機(jī)出現(xiàn)內(nèi)部故障或異常工況需要斷開(kāi)GCB，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)GCB 失靈保護(hù)的同時(shí)需要進(jìn)行滅磁。在滅磁過(guò)程中，EG逐漸減小，EG和ES之間的夾角θ逐漸增大，會(huì)對(duì)式（4）、（5）、（9）中的GCB 兩側(cè)電壓差產(chǎn)生影響，定義等值電勢(shì)差ΔE=EG-ES。

假設(shè)滅磁過(guò)程中的發(fā)電機(jī)側(cè)等值電動(dòng)勢(shì)和等值電勢(shì)差分別為EGx和ΔEx（x=0，1，2，表示滅磁后不同時(shí)刻的先后順序），EGx和ES之間的夾角為θx，滅磁過(guò)程中，GCB兩側(cè)等值電勢(shì)差的變化過(guò)程如圖3所示。

圖3 滅磁過(guò)程中GCB兩側(cè)等值電勢(shì)差變化過(guò)程Fig.3 Changing process of equivalent electric potential difference between two sides of GCB in flux damping process

分析圖3 可知，在滅磁過(guò)程中ΔE不斷變化，根據(jù)余弦定理計(jì)算得到ΔE為：

由式（10）進(jìn)一步計(jì)算可以得到：

分析上式可知，即使在故障后發(fā)電機(jī)啟動(dòng)滅磁過(guò)程，只要系統(tǒng)帶一定的負(fù)荷，則ΔE≠0，式（4）、（5）和式（9）所示的正確動(dòng)作相的GCB 兩側(cè)電壓差不為0。

因此在考慮發(fā)電機(jī)滅磁的情況下，斷路器兩側(cè)基波電壓相量差能夠有效反映GCB 失靈情況。對(duì)于正確動(dòng)作相，GCB 兩側(cè)存在一定的基波電壓相量差；而對(duì)于拒動(dòng)相，GCB 兩側(cè)基波電壓相量差為0。利用該特點(diǎn)，可基于GCB 兩側(cè)基波電壓相量差構(gòu)成一種新型GCB失靈保護(hù)判據(jù)。

2 新型GCB失靈保護(hù)判據(jù)

新型GCB 失靈保護(hù)判據(jù)在原有電流保護(hù)判據(jù)的基礎(chǔ)上引入基波電壓相量差判據(jù)和3 次諧波電壓相量差判據(jù)。在系統(tǒng)帶有一定負(fù)荷時(shí)，基于基波電壓相量差的保護(hù)判據(jù)在各種斷路器失靈故障下均可準(zhǔn)確動(dòng)作。而在發(fā)電機(jī)輕載時(shí)，原有電流判據(jù)可能拒動(dòng)，上述基波電壓相量差判據(jù)可能誤動(dòng)，為提高GCB 失靈保護(hù)的可靠性，引入3 次諧波電壓相量差判據(jù)。通過(guò)記憶電流有流判據(jù)判斷負(fù)載情況，并決定基波電壓相量差判據(jù)與3 次諧波電壓相量差判據(jù)的投入與閉鎖。

2.1 基于基波電壓相量差的GCB失靈保護(hù)判據(jù)

發(fā)生GCB 失靈故障時(shí)，只要存在一定的負(fù)荷電流，GCB 兩側(cè)基波電壓相量差就能夠有效反映GCB失靈情況。對(duì)于正確動(dòng)作相，GCB 兩側(cè)存在一定的基波電壓相量差；而對(duì)于拒動(dòng)相，GCB兩側(cè)基波電壓相量差始終為0。基于此，可構(gòu)造基于GCB 兩側(cè)基波電壓相量差的GCB失靈保護(hù)判據(jù)為：

式中：|ΔUφ|為φ相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差的幅值；ΔUset為保護(hù)定值，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)按躲過(guò)不平衡電壓差整定。

基于基波電壓相量差的GCB 失靈保護(hù)判據(jù)為欠量判據(jù)，當(dāng)GCB 失靈保護(hù)啟動(dòng)后，若某相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差很小，說(shuō)明該相發(fā)生GCB 失靈故障。該保護(hù)判據(jù)能夠有效識(shí)別GCB 可能發(fā)生的各種失靈故障，且能夠給出具體的失靈故障相，但在發(fā)電機(jī)輕載時(shí)可能發(fā)生誤動(dòng)，在輕載情況下需要閉鎖該判據(jù)，并采用基于3 次諧波電壓相量差的GCB 失靈保護(hù)判據(jù)。

2.2 輕載工況下基于3 次諧波電壓相量差的GCB失靈保護(hù)判據(jù)

發(fā)電機(jī)輕載時(shí)，式（10）中EG和ES的夾角θ≈0，此時(shí)基于式（11）的基波電壓相量差保護(hù)判據(jù)可能發(fā)生誤動(dòng)，而傳統(tǒng)的基于電流的保護(hù)判據(jù)在系統(tǒng)輕載情況下可能發(fā)生拒動(dòng)。為保證在發(fā)電機(jī)輕載時(shí)GCB失靈保護(hù)的可靠性，引入3次諧波電壓相量差判據(jù)。

由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總存在一定的3 次諧波磁勢(shì)和磁密，另一方面轉(zhuǎn)子大齒和小齒結(jié)構(gòu)不同使兩者等效氣隙線不同，也會(huì)產(chǎn)生3 次諧波磁密，這樣發(fā)電機(jī)相電壓中存在3 次諧波分量，而由于3 次諧波電壓呈零序性質(zhì)，系統(tǒng)側(cè)電壓通常不存在3 次諧波分量，因此只要三相GCB 正常跳開(kāi)，GCB兩側(cè)就會(huì)存在3 次諧波電壓相量差，即使系統(tǒng)側(cè)存在3次諧波電壓，只要該諧波電壓和發(fā)電機(jī)側(cè)3次諧波電壓相位不同，則仍然會(huì)存在3 次諧波電壓相量差。而GCB 失靈故障發(fā)生時(shí)，由于主變低壓側(cè)采用三角形接法，各相GCB 兩側(cè)均存在3次諧波電壓，此時(shí)3次諧波壓差接近0?；谠撎攸c(diǎn)，構(gòu)建發(fā)電機(jī)輕載或空載情況下的基于3 次諧波電壓相量差的GCB失靈保護(hù)判據(jù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)故障導(dǎo)致相應(yīng)的發(fā)電機(jī)保護(hù)需要跳開(kāi)GCB 時(shí)，若GCB 正常動(dòng)作，由于發(fā)電機(jī)側(cè)存在3 次諧波電壓，而系統(tǒng)側(cè)不含3 次諧波電壓（或存在相位不同的3 次諧波電壓），此時(shí)GCB 兩側(cè)存在3次諧波電壓相量差；若發(fā)生GCB 失靈故障，各相GCB兩側(cè)3次諧波電壓相量差均為0。基于此，構(gòu)造GCB失靈保護(hù)判據(jù)為：

式中：|ΔUφ3|為φ相GCB兩側(cè)3次諧波電壓相量差的幅值；ΔUset3為保護(hù)定值，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)按躲過(guò)不平衡電壓差整定。

在發(fā)電機(jī)出現(xiàn)內(nèi)部故障或異常運(yùn)行工況，啟動(dòng)GCB 失靈保護(hù)時(shí)，定義記憶電流為故障前發(fā)電機(jī)的電流，若記憶電流較小，說(shuō)明在GCB 切除之前系統(tǒng)處于輕載狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)投入3 次諧波電壓相量差判據(jù)，并閉鎖基波電壓相量差保護(hù)判據(jù)。本文構(gòu)造的記憶電流有流判據(jù)為：

式中：|Imemory|為記憶電流相量的幅值；Imemory.set為保護(hù)定值，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的負(fù)荷電流大小進(jìn)行整定。

通過(guò)式（13）判斷發(fā)電機(jī)是否處于輕載狀態(tài)，若發(fā)電機(jī)處于輕載狀態(tài)，則閉鎖基波電壓相量差判據(jù)，通過(guò)3次諧波電壓相量差判據(jù)判斷是否發(fā)生GCB 失靈故障。

2.3 新型GCB失靈保護(hù)邏輯

GCB 失靈保護(hù)啟動(dòng)邏輯圖如圖4 所示。發(fā)電機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，GCB失靈保護(hù)閉鎖；發(fā)電機(jī)出現(xiàn)內(nèi)部故障或異常工況時(shí)，對(duì)應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)GCB并啟動(dòng)GCB失靈保護(hù)。

圖4 GCB失靈保護(hù)啟動(dòng)邏輯圖Fig.4 Initiate logic diagram of GCB failure protection

本文在原有GCB 失靈保護(hù)電流判據(jù)的基礎(chǔ)上增設(shè)基波電壓相量差判據(jù)和3 次諧波電壓相量差判據(jù)，由于3 次諧波電壓幅值小，因此僅在輕載時(shí)基波電壓相量差判據(jù)失效的情況下使用，不作為主要判據(jù)，通過(guò)電壓判據(jù)配合保證GCB 失靈保護(hù)在不同負(fù)載情況以及不同GCB 失靈故障下均能夠可靠動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作邏輯圖如圖5 所示。圖中，Iph為相電流；Iph.set為相電流判據(jù)整定值；I2為負(fù)序電流；I2.set為負(fù)序電流判據(jù)整定值。

圖5 基于電壓相量差的GCB失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯圖Fig.5 Operation logic diagram of GCB failure protection based on voltage phasor difference

實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)發(fā)電機(jī)因內(nèi)部故障或異常工況啟動(dòng)GCB 失靈保護(hù)時(shí)，若記憶電流較大，則發(fā)電機(jī)帶有一定的負(fù)荷，基于基波電壓相量差的GCB 失靈保護(hù)判據(jù)能夠有效識(shí)別GCB 失靈故障，保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作出口，跳開(kāi)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)、廠用電相連的相關(guān)斷路器；若記憶電流較小，發(fā)電機(jī)輕載，則基波電壓相量差判據(jù)無(wú)法進(jìn)行有效判斷而閉鎖，此時(shí)根據(jù)3 次諧波電壓相量差判據(jù)識(shí)別GCB 失靈故障，從而實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載工況下對(duì)GCB 失靈故障的全面識(shí)別，由于輕載或空載運(yùn)行工況下GCB 失靈故障對(duì)發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的安全運(yùn)行影響小，保護(hù)動(dòng)作于發(fā)告警信號(hào)。考慮到原有電流判據(jù)在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富且不會(huì)引起GCB 失靈保護(hù)誤動(dòng)，在此對(duì)其進(jìn)行了保留。

3 仿真分析

為分析現(xiàn)有基于電流保護(hù)判據(jù)的GCB 失靈保護(hù)存在的問(wèn)題，并驗(yàn)證所提基于電壓相量差的GCB失靈保護(hù)判據(jù)的有效性，利用PSCAD／EMTDC 軟件搭建某大型水電站發(fā)電機(jī)GCB 失靈故障仿真模型如圖6 所示。發(fā)電機(jī)G 的額定容量為944.5 MV·A，額定電壓為22 kV，額定電流為24 787 A；三相GCB分相開(kāi)合；變壓器T 采用YNd-11 接線方式，變比為22 kV/550 kV；負(fù)荷S 等效為無(wú)窮大系統(tǒng)；電流互感器TA 變比為30000 A/1 A，電壓互感器TVI、TV2變比均為22 kV/0.1 kV；GCB 失靈保護(hù)Ⅰ、Ⅱ段的動(dòng)作時(shí)限分別為0.1、0.3 s。

圖6 GCB失靈故障仿真模型Fig.6 Simulation model of GCB failure fault

假定在發(fā)生負(fù)序過(guò)負(fù)荷故障時(shí)，負(fù)序電流二次值剛好為保護(hù)啟動(dòng)值0.09 A，此時(shí)保護(hù)動(dòng)作并啟動(dòng)GCB 失靈保護(hù)，同時(shí)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)滅磁過(guò)程。在仿真模型中為模擬發(fā)電機(jī)滅磁過(guò)程，在保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓Ef置0。現(xiàn)有GCB 失靈保護(hù)相電流判據(jù)動(dòng)作值iop=1.0 A，負(fù)序電流判據(jù)動(dòng)作值i2op=0.13 A。針對(duì)不同的GCB 失靈故障情況，對(duì)現(xiàn)有電流判據(jù)和本文所提電壓相量差判據(jù)的動(dòng)作情況進(jìn)行分析。

3.1 現(xiàn)有電流保護(hù)判據(jù)動(dòng)作情況

現(xiàn)有GCB 失靈保護(hù)由相電流判據(jù)和負(fù)序電流判據(jù)構(gòu)成，能夠有效反映兩相GCB 拒動(dòng)故障情況，但無(wú)法有效反映單相GCB 拒動(dòng)及三相GCB 拒動(dòng)情況。在此對(duì)單相GCB 拒動(dòng)及三相GCB 拒動(dòng)故障進(jìn)行仿真分析。GCB失靈保護(hù)因負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作而啟動(dòng)，負(fù)序電流二次值剛好為啟動(dòng)值0.09 A，在0.1 s 時(shí)刻保護(hù)動(dòng)作同時(shí)發(fā)生A 相GCB 拒動(dòng)故障，故障仿真結(jié)果見(jiàn)附錄A 圖A1，圖中結(jié)果均為電流互感器二次側(cè)波形。由圖可見(jiàn)，在GCB 失靈保護(hù)動(dòng)作前，三相存在一定的不平衡，負(fù)序電流達(dá)到負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)啟動(dòng)值0.09 A，負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)開(kāi)始滅磁并啟動(dòng)GCB 失靈保護(hù)。在發(fā)生單相GCB拒動(dòng)故障情況下，由于主變?nèi)抢@組等值零序阻抗為無(wú)窮大，此時(shí)相電流、負(fù)序電流的穩(wěn)態(tài)值均為0，均達(dá)不到其動(dòng)作值，因此基于電流判據(jù)的GCB 失靈保護(hù)無(wú)法檢測(cè)單相GCB拒動(dòng)故障情況。

在同樣的負(fù)序過(guò)負(fù)荷故障條件下，在0.1 s 保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)發(fā)生三相GCB 拒動(dòng)故障，仿真結(jié)果如附錄A 圖A2 所示。分析仿真結(jié)果可知，在發(fā)生三相GCB拒動(dòng)故障情況下，相電流未達(dá)到動(dòng)作定值Iop，負(fù)序電流也未達(dá)到動(dòng)作定值I2op，GCB 失靈保護(hù)無(wú)法動(dòng)作，此時(shí)故障無(wú)法切除，發(fā)電機(jī)將長(zhǎng)期處于負(fù)序過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，對(duì)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的安全運(yùn)行十分不利。

3.2 基波電壓相量差保護(hù)判據(jù)動(dòng)作情況

為驗(yàn)證所提基于基波電壓相量差的GCB 失靈保護(hù)判據(jù)對(duì)不同GCB 失靈故障的有效性，在上述負(fù)序過(guò)負(fù)荷故障仿真條件下，在0.1 s 時(shí)負(fù)序過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，GCB 收到跳閘命令，此時(shí)發(fā)電機(jī)開(kāi)始滅磁。分別設(shè)置A 相GCB 拒動(dòng)、BC 兩相GCB 拒動(dòng)和三相GCB 拒動(dòng)，得到GCB 兩側(cè)基波電壓相量差如圖7所示。

分析圖7 可知，GCB 正確跳開(kāi)相基波電壓相量差較大，而GCB 因失靈拒動(dòng)時(shí)，拒動(dòng)相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差幅值較小，與正確動(dòng)作相相差較大，在保護(hù)定值選取適當(dāng)時(shí)，保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。在三相GCB 拒動(dòng)情況下，GCB 兩側(cè)因電壓互感器測(cè)量誤差等因素存在一定的不平衡電壓，因此在保護(hù)整定時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，保證定值能夠可靠躲過(guò)不平衡壓差。

3.3 3次諧波電壓相量差保護(hù)判據(jù)動(dòng)作情況

為驗(yàn)證在發(fā)電機(jī)輕載情況下基于3 次諧波電壓相量差的GCB 失靈保護(hù)判據(jù)的有效性，將上述負(fù)荷修改為空載狀態(tài)，其余仿真模型參數(shù)設(shè)置不變。設(shè)置三相GCB 正常動(dòng)作與發(fā)生三相GCB 拒動(dòng)情況，得到GCB兩側(cè)3次諧波電壓相量差如圖8所示。

分析圖8可知，GCB正確跳開(kāi)時(shí)3次諧波電壓相量差較大，而GCB 因失靈而拒動(dòng)時(shí)，GCB 兩側(cè)3次諧波電壓相量差幅值較小，在保護(hù)定值選取適當(dāng)時(shí)，在輕載情況下3 次諧波電壓相量差判據(jù)能夠可靠動(dòng)作。在進(jìn)行保護(hù)整定時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，保證定值能夠可靠躲過(guò)不平衡壓差。

圖8 GCB正常動(dòng)作與拒動(dòng)情況下3次諧波電壓相量差判據(jù)仿真結(jié)果Fig.8 Simulative results of third harmonic voltage phasor difference criterion under GCB normal operation and rejection condition

4 結(jié)論

GCB失靈保護(hù)對(duì)保證大型發(fā)電廠故障檢修條件下的人身和設(shè)備安全具有重要意義。本文提出一種基于電壓相量差的GCB 失靈保護(hù)新原理，并得出如下結(jié)論。

1）通過(guò)對(duì)稱分量法構(gòu)建故障復(fù)合序網(wǎng)分析GCB失靈故障時(shí)的故障電氣量特征，考慮發(fā)電機(jī)的滅磁過(guò)程，可知正確動(dòng)作相GCB 兩側(cè)基波電壓相量差較大，拒動(dòng)相GCB兩側(cè)基波電壓相量差為0。

2）基于GCB 兩側(cè)基波電壓相量差構(gòu)建發(fā)電機(jī)GCB 失靈保護(hù)判據(jù)，并引入3 次諧波電壓相量差判據(jù)，保證在發(fā)電機(jī)輕載運(yùn)行條件下仍能夠可靠識(shí)別GCB 拒動(dòng)故障，并通過(guò)記憶電流有流判據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)基波電壓相量差判據(jù)和3 次諧波電壓相量差判據(jù)的閉鎖或投入。

3）仿真結(jié)果表明：現(xiàn)有基于電流判據(jù)的GCB 失靈保護(hù)無(wú)法反映單相GCB 拒動(dòng)、三相GCB 拒動(dòng)情況；而當(dāng)發(fā)電機(jī)帶有一定負(fù)荷時(shí)，基于基波電壓相量差的發(fā)電機(jī)GCB 失靈保護(hù)方法在不同GCB 失靈故障情況下均具有較高靈敏度，能夠有效提高保護(hù)性能；在發(fā)電機(jī)輕載時(shí)，基于3 次諧波電壓相量差的發(fā)電機(jī)GCB 失靈保護(hù)方法能夠可靠反映GCB 失靈故障。

本文研究結(jié)果可為大型發(fā)電廠的GCB 失靈保護(hù)改進(jìn)工作提供有效的技術(shù)支撐。需要注意的是，針對(duì)極少數(shù)機(jī)端3次諧波電壓很小的發(fā)電機(jī)，3次諧波電壓相量差判據(jù)易誤動(dòng)，不應(yīng)投入該判據(jù)。此外，本文所提基于電壓相量差判據(jù)的GCB 失靈保護(hù)要求電廠在主變低壓側(cè)配置電壓互感器，目前新建電廠均配有該電壓互感器，但對(duì)于未配置主變低壓側(cè)電壓互感器的電廠本文方法并不適用。

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