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        發(fā)電機(jī)出口開關(guān)(GCB)非全相保護(hù)優(yōu)化研究

        2022-08-02 09:10:34吳禮貴
        水電站機(jī)電技術(shù) 2022年7期
        關(guān)鍵詞:全相負(fù)序接點

        吳禮貴,魏 揚

        (中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠,湖北 宜昌 443133)

        0 引言

        發(fā)電機(jī)出口斷路器操作機(jī)構(gòu)及隔離開關(guān)一般采用三相聯(lián)動機(jī)構(gòu),普遍認(rèn)為三相聯(lián)動機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)磨損甚至設(shè)計上的缺陷,發(fā)電機(jī)出口開關(guān)或隔離開關(guān)都可能發(fā)生非全相合閘現(xiàn)象,現(xiàn)在GCB 非全相故障案例越來越多。

        因三相聯(lián)動機(jī)構(gòu)不存在分相輔助接點,無法通過斷路器輔助接點實現(xiàn)非全相保護(hù)。目前已投入的GCB 非全相保護(hù),一般利用GCB 斷線故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端基波零序電壓與主變低壓側(cè)基波零序電壓量的故障特征,或者兩側(cè)相電壓差的故障特征,采用斷口兩側(cè)電壓相量差構(gòu)成GCB 非全相保護(hù)原理,保護(hù)判據(jù)不依賴電流量,可檢測機(jī)組并網(wǎng)初期和解列時的GCB 非全相故障。因保護(hù)原理只判斷電壓量,其可靠性及定值整定都存在困難,所以目前大部分電站并未將GCB 非全相保護(hù)投跳閘,不能起到快速隔離故障開關(guān)的效果。

        本文對GCB 非全相合閘后的故障特征和電氣量等進(jìn)行綜合理論分析,并結(jié)合一些故障案例,提出了一種新型的GCB 非全相保護(hù)原理,有完善的防誤動措施,具有較高的靈敏度和可靠性,實現(xiàn)了GCB 開關(guān)的非全相保護(hù)。

        1 目前GCB 非全相保護(hù)原理及其缺點

        目前的GCB 非全相保護(hù)主要采用基于端口兩側(cè)電壓差的原理,當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器發(fā)生單相或兩相斷相故障時,故障相斷口兩側(cè)會產(chǎn)生電壓相量差值,該相量差值與發(fā)電機(jī)側(cè)電動勢、系統(tǒng)側(cè)電動勢和序網(wǎng)阻抗大小有關(guān),且當(dāng)序網(wǎng)阻抗大小不變時,故障相電壓相量差值會隨著斷口兩側(cè)電動勢相量差增大而逐漸增大,即隨著負(fù)荷電流增大而增大,而非故障相電壓相量差值為零。

        結(jié)合GCB 非全相故障過程,分析其動作邏輯,目前的GCB 非全相保護(hù)有如下缺點:

        (1)保護(hù)投退采用GCB 輔助接點變位作為條件,存在輔助接點不可靠的問題。若運行過程出現(xiàn)輔助接點抖動,則該保護(hù)會誤投入,且能展寬長達(dá)300 s。

        (2)為防止PT 斷線,非全相保護(hù)增加了主變低壓側(cè)電壓和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓均要大于90%的條件,如某電廠實際發(fā)生非全相合閘時的波形,在發(fā)生非全相合閘后,由于對地參考電壓和頻率差的原因,此時出現(xiàn)了主變低壓側(cè)B 相不滿足小于90%的條件。假如,非全相后,主變高壓側(cè)PT 出現(xiàn)諧振,依然會影響保護(hù)對電壓的判斷。同時如果是停機(jī)過程,分閘后,由于發(fā)電機(jī)要滅磁,很快機(jī)端電壓就無法滿足判據(jù),所以理論上講,目前的GCB 非全相保護(hù)只對合閘過程起作用,對分閘過程無作用,不能給出提示信息。

        (3)整個邏輯都與保護(hù)采樣電壓有關(guān)系,除零序電壓外,都涉及PT 斷線問題,從保護(hù)原理上講,單純的電壓判據(jù),且沒有電流條件,其可靠性需進(jìn)一步驗證,所以目前大部分廠站,只投入了告警功能,并未投入跳閘。

        (4)需要采集主變低壓側(cè)電壓作為判據(jù),發(fā)電機(jī)保護(hù)除非全相保護(hù)外無其他保護(hù)需要用到此電壓的保護(hù),為實現(xiàn)此保護(hù)必須增加保護(hù)采樣通道,現(xiàn)有保護(hù)裝置無法通過程序升級實現(xiàn)此原理的非全相保護(hù)。

        針對以上缺陷,本文提出了一種全新、可靠的發(fā)電機(jī)出口開關(guān)(GCB)非全相保護(hù)。

        2 高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)研究

        (1)高可靠性非全相保護(hù)投入邏輯設(shè)計研究

        從以上GCB 非全相保護(hù)可知,以上斷路器非全相保護(hù)采用斷路器輔助接點變位作為投入條件,當(dāng)接點抖動時,會導(dǎo)致非全相保護(hù)誤投入,當(dāng)誤投入時,因系統(tǒng)發(fā)生故障,可能會造成GCB 非全相保護(hù)誤動作,從保護(hù)邏輯上講不合理.

        GCB 分合閘過程中都考慮非全相保護(hù)投入,可考慮如下邏輯,采用斷路器接點變位展寬作為非全相保護(hù)投入的條件,引入負(fù)荷電流作為退出條件,確保并網(wǎng)成功后,GCB 非全相保護(hù)可靠退出。

        圖1 非全相分、合閘保護(hù)投退邏輯圖

        通過以上邏輯實現(xiàn)了一種高可靠性的GCB 非全相保護(hù)投入邏輯,確保正常運行過程中,GCB 非全相保護(hù)不會誤動。

        (2)斷路器兩相斷線判據(jù)研究(只合上一相)

        斷路器只合上一相電氣回路,如圖2 所示,因發(fā)變組20 kV 側(cè),屬于不接地系統(tǒng),主變低壓側(cè)為三角形接線,整個序網(wǎng)無法連通,此時無法在回路中形成電流,所以無故障電流,實際運行中只有很小的電容電流,觀察斷線后的電氣回路,可發(fā)現(xiàn)此時發(fā)電機(jī)的三相對地電容并不平衡,不平衡的電容會造成零序電壓的不平衡,以某機(jī)組的參數(shù)為例(表1),對兩相斷線情況下電容電流進(jìn)行理論計算,計算結(jié)果如下:

        表1 機(jī)端斷路器兩側(cè)對地電容及接地變電阻參數(shù)

        圖2 只合上C 相電氣連接圖

        例1 為某臺機(jī)組發(fā)生非全相合閘后的波形分析,斷線后的電壓變化與理論分析一致,在合閘后的1 s 內(nèi),機(jī)端零序電壓由0 V 增加到5 V,且在0.5 s時電壓已增加到3 V。

        例2 為分析某臺機(jī)組停機(jī)過程中的零序電壓變化情況,在分閘后的1.5 s 左右,機(jī)端零序電壓由0 V增加到5 V,且此過程還伴隨著滅磁過程。

        通過以上理論計算和實際波形可知,由于GCB兩側(cè)電容的存在,當(dāng)GCB 合閘或分閘發(fā)生非全相時,因電氣回路電容的不平衡,會產(chǎn)生固有的零序電壓,此零序電壓可用于在GCB 合閘過程中的GCB 非全相判據(jù),由于此時是開機(jī)并網(wǎng)過程,此定值可比用于定子接地保護(hù)的零序電壓整得更低,且運用此原理的保護(hù)不需要采集主變低壓側(cè)電壓。

        (3)斷路器單相斷線判據(jù)研究 (只合上兩相)

        圖3 合上B、C 相電氣連接圖

        圖4 為斷路器非全相情況下,動模試驗中發(fā)電機(jī)有功功率的變化過程。由于正序電流和負(fù)序電流幅值相等,有功功率的增加過程也是負(fù)序電流增加的過程。

        圖4 動模試驗中斷路器非全相合閘功率增加過程

        基于電壓差的非全相保護(hù),隨著機(jī)組功率增大,電壓差增大。如若以負(fù)序電流為判據(jù),其也是隨著功率增大,負(fù)序電流增大,且電流判據(jù)比電壓判據(jù)可靠,小的負(fù)序電流對發(fā)電機(jī)并無太大傷害,此時可整定出一個比負(fù)序反時限更加靈敏的負(fù)序過流保護(hù),可更快的動作,跳開GCB,保護(hù)發(fā)電機(jī)。

        不考慮無功影響,某電站700 MW 機(jī)組非全相時負(fù)序電流與功率及功角對應(yīng)的關(guān)系表2 所示。

        表2 負(fù)序電流與功率對應(yīng)關(guān)系

        可根據(jù)對應(yīng)關(guān)系,設(shè)定負(fù)序過流定值,通過靈敏度高、可靠性高的負(fù)序過流保護(hù),替代基于端口兩側(cè)電壓差的非全相保護(hù),且其可以投入跳閘。

        (4)高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)邏輯

        通過上面的研究,高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)邏輯如圖5 所示。

        圖5 高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)邏輯圖

        以上邏輯由3 部分構(gòu)成:①非全相保護(hù)投入的條件,通過三相電流確保并網(wǎng)后,非全相保護(hù)不會誤投入。通過輔助接點的變位展寬,確保非全相保護(hù)只在合閘和分閘時刻投入。②用負(fù)序過流保護(hù)來保護(hù)兩相合閘或單相分閘。③通過零序電壓保護(hù)來保護(hù)單相合閘或者兩相分閘。同時,具備電制動閉鎖功能。

        也可通過給報警和跳閘分別設(shè)定不同的定值,給運維人員進(jìn)行提示,應(yīng)用該原理與邏輯的非全相保護(hù)已在三峽右岸電站22FB 發(fā)變組保護(hù)進(jìn)行了應(yīng)用,目前運行良好。

        3 結(jié)論

        本文以目前應(yīng)用較為廣泛的GCB 非全相保護(hù)為研究對象,分析了現(xiàn)有非全相保護(hù)存在的問題,通過對GCB 單相合閘和兩相合閘的電氣特性進(jìn)行深入研究,提出了一種高可靠性的發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)。

        (1)提出一種可靠的非全相保護(hù)投退邏輯,確保機(jī)組并網(wǎng)后非全相保護(hù)不會投入,降低誤動可能性。

        (2)根據(jù)發(fā)電機(jī)GCB 單相合閘的電氣特性,分析出零序電壓的特征,提出了用機(jī)端零序電壓判斷單相合閘的保護(hù)邏輯。

        (3)根據(jù)發(fā)電機(jī)GCB 兩相合閘的電氣特性,分析了開機(jī)過程負(fù)序電流的特征,提出了用負(fù)序電流判斷兩相合閘的保護(hù)邏輯。

        (4)提出了高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)保護(hù)的邏輯設(shè)計,具有很高的靈敏度和可靠性。

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