鄭溢強(qiáng)

(福建晉江天然氣發(fā)電有限公司,福建 泉州 362251)

0 引言

福建某電廠電氣主接線為220kV雙母雙分段，5臺(tái)變壓器、4條220kV線路分別接于四條母線運(yùn)行，正常運(yùn)行方式為一條母線上分別帶一臺(tái)變壓器和一條線路，備用變壓器連接在I段母線，母聯(lián)母分開關(guān)均為合閘狀態(tài)，220kV四條母線合環(huán)運(yùn)行。該電廠為燃?xì)鈾C(jī)組，作為省調(diào)度調(diào)峰機(jī)組，機(jī)組啟停機(jī)較為頻繁。母線保護(hù)采用兩臺(tái)母線保護(hù)裝置構(gòu)成一整套保護(hù)(電力保護(hù)系統(tǒng)要求110kV以上電壓等級(jí)的保護(hù)裝置均設(shè)雙重化配置，即該電廠的母線保護(hù)裝置共設(shè)置4臺(tái)母線保護(hù)裝置)。

1 保護(hù)技術(shù)改造情況

該電廠技術(shù)改造前保護(hù)裝置都采用南瑞繼保RCS-915A型裝置，差動(dòng)保護(hù)和失靈保護(hù)為主保護(hù)?！抖屙?xiàng)反措》明確要求雙重化保護(hù)配置應(yīng)采用不同廠家的保護(hù)裝置，以免家族性缺陷造成雙套保護(hù)均出現(xiàn)問題而同時(shí)退出，導(dǎo)致一次設(shè)備無保護(hù)運(yùn)行，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。該電廠于2021年對(duì)4臺(tái)母線保護(hù)裝置進(jìn)行技術(shù)改造，第一套保護(hù)升級(jí)，由南瑞繼保RCS-915A型升級(jí)成南瑞繼保PCS-915SA型(以下簡稱“南瑞915”)；第二套保護(hù)裝置整套更換，由南瑞繼保RCS-915A型更換成許繼WMH-801A型(以下簡稱“許繼801”)。技術(shù)改造后，南瑞915型保護(hù)配置仍為差動(dòng)保護(hù)和失靈保護(hù)，基本保持不變，而許繼801型保護(hù)配置差動(dòng)保護(hù)和失靈保護(hù)為主保護(hù)，還增設(shè)了大差后備保護(hù)，其目的是切除故障母線上無隔離刀閘輔助觸點(diǎn)位置的電源支路和母聯(lián)死區(qū)位置故障點(diǎn)[2]。許繼801差動(dòng)保護(hù)采用分相式常規(guī)比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)和分相式突變量比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，后者目的是保證金屬性故障時(shí)保護(hù)的啟動(dòng)及動(dòng)作速度更快。

2 保護(hù)裝置啟動(dòng)現(xiàn)象

第一次：2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)瞬間，后臺(tái)涉網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)突然報(bào)警：“220kV Ⅰ/Ⅱ母第二套保護(hù)裝置告警”，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)許繼801裝置上顯示“保護(hù)啟動(dòng)”報(bào)文，而其他母線保護(hù)裝置無告警情況。查看裝置模擬量，三相大差電流平衡都約0.05A，三相制動(dòng)電流平衡都約0.09A，各支路間隔電流都約0.0A，裝置可以進(jìn)行整組復(fù)歸。手動(dòng)復(fù)歸后，1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)，保護(hù)未再啟動(dòng)。

第二次：1號(hào)機(jī)組先并網(wǎng)后2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)，后臺(tái)涉網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)未有報(bào)警信號(hào)。

第三次：3號(hào)機(jī)組先并網(wǎng)后，2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)瞬間，后臺(tái)涉網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)有報(bào)警，現(xiàn)場檢查結(jié)果與第一次相同。

不同的機(jī)組先后并網(wǎng)運(yùn)行，連續(xù)觀察10次，均為2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)瞬間，許繼801裝置就會(huì)報(bào)“保護(hù)啟動(dòng)”告警，僅有一次2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)時(shí)未發(fā)生告警，而南瑞915裝置均未發(fā)出告警。

3 保護(hù)裝置錄波分析

2號(hào)機(jī)組連接在220kV Ⅱ段母線上，根據(jù)保護(hù)裝置啟動(dòng)現(xiàn)象，針對(duì)220kV Ⅰ/Ⅱ母第二套許繼801保護(hù)裝置提取啟動(dòng)波形，結(jié)合故障錄波和熱控燃機(jī)控制系統(tǒng)的波形進(jìn)行分析。

3.1 保護(hù)裝置波形分析

調(diào)取了第一次裝置啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)波形進(jìn)行分析，大差差流(包含Ⅰ母差流、Ⅱ母差流)三相瞬時(shí)最大二次值為0A；大差制動(dòng)電流三相瞬時(shí)最大二次值分別為1.79A、2.53A、3.48A、Ⅰ母制動(dòng)電流三相瞬時(shí)最大二次值為1.21A、2.36A、3.46A、Ⅱ母制動(dòng)電流三相瞬時(shí)最大二次值為0.93A、2.03A、2.27A，如圖1所示。

圖1 保護(hù)裝置波形分析圖

經(jīng)過分析得出，裝置啟動(dòng)的原因是大差制動(dòng)電流突變，超過整定值。

3.2 故障錄波裝置波形分析

2號(hào)主變壓器高壓側(cè)三相瞬時(shí)最大一次值電流為252A、484A、177A，如圖2所示。

圖2 故障錄波裝置波形分析圖

從故障錄波裝置波形圖可看出，2號(hào)機(jī)并網(wǎng)瞬間，時(shí)主變壓器高壓側(cè)電流會(huì)突變，且三相電流不平衡，其中B相電流突變值較大。

3.3 熱控燃機(jī)控制系統(tǒng)有功功率波形分析

由于燃機(jī)控制系統(tǒng)未采集發(fā)電機(jī)出口電流，故只能針對(duì)有功功率變化進(jìn)行分析。機(jī)組在初并網(wǎng)時(shí)，預(yù)設(shè)置有功功率20MW，折算到主變高壓側(cè)一次電流為157A，忽略無功功率的影響。以第一次啟動(dòng)時(shí)的波形進(jìn)行分析，其中機(jī)組在并網(wǎng)前有功功率達(dá)到-32.4MW，并網(wǎng)后有功功率為24.7MW，折算到主變高壓側(cè)一次電流最大突變值約為494A。而僅有一次2號(hào)機(jī)并網(wǎng)時(shí)未啟動(dòng)時(shí)有功功率從0.1MW升到20.4MW，其余均與第一次波形相似，如圖3所示。

圖3 熱控燃機(jī)控制系統(tǒng)有功功率波形分析圖

由圖3可見，2號(hào)機(jī)并網(wǎng)瞬間時(shí)有功功率會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)情況，判斷出發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的合閘角未在理想控制范圍內(nèi)而引起較大的沖擊電流。

3.4 保護(hù)啟動(dòng)條件分析

差動(dòng)保護(hù)包括穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)元件和突變量差動(dòng)元件。許繼801差動(dòng)電流為各支路平衡系數(shù)乘以采集值的矢量和，制動(dòng)電流為各支路平衡系數(shù)乘以采集值的絕對(duì)值之和。

在保護(hù)裝置中，差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)邏輯包含差流啟動(dòng)元件(穩(wěn)態(tài)量)和制動(dòng)電流(突變量)啟動(dòng)元件，滿足任一判據(jù)則啟動(dòng)保護(hù)，二者任一元件動(dòng)作后均投入差動(dòng)保護(hù)邏輯判別，啟動(dòng)元件主要用于系統(tǒng)故障檢測和開放故障處理邏輯功能，具體動(dòng)作條件如下[3]。

①差流啟動(dòng)元件邏輯條件：任一相差動(dòng)電流大于0.8倍差動(dòng)定值。

②制動(dòng)電流突變啟動(dòng)邏輯條件：任一相制動(dòng)電流突變，啟動(dòng)門檻值為0.2In(In為5A)，即母線上制動(dòng)電流突變大于1A時(shí)突變量啟動(dòng)元件動(dòng)作。算法采用全周傅氏法，即采樣頻率為24點(diǎn)/周波，數(shù)據(jù)窗為3個(gè)采樣點(diǎn)。突變量啟動(dòng)元件采樣基于母線制動(dòng)電流的采樣值判別，其判別公式為：

|Ir[k]-Ir[k-2T]|>k×|Ir[k-2T]-Ir[k-4T]|+0.2In

式中，Ir[k]為制動(dòng)電流當(dāng)前時(shí)刻的采樣值；Ir[k-2T]為兩周前制動(dòng)電流當(dāng)前時(shí)刻的采樣值；Ir[k-4T]為四周前制動(dòng)電流當(dāng)前時(shí)刻的采樣值；k為突變量啟動(dòng)系數(shù)，取1.25；母線制動(dòng)電流的采樣值方程式：

分析保護(hù)裝置波形圖和故障錄波裝置波形圖，結(jié)合熱控燃機(jī)控制系統(tǒng)有功功率波形分析圖，可以明確判斷出許繼801裝置是由差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流突變啟動(dòng)元件動(dòng)作，發(fā)出裝置告警。

4 保護(hù)裝置啟動(dòng)原因分析

結(jié)合波形圖和差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)條件分析，許繼801裝置告警是由差動(dòng)突變量引起的，而電流的突變是因?yàn)?號(hào)機(jī)組并網(wǎng)瞬間的電流突變較大，對(duì)比其他機(jī)組并網(wǎng)時(shí)電流突變量均不大，因此確定2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)特性與其他機(jī)組發(fā)電機(jī)不同，并網(wǎng)時(shí)會(huì)有較大的沖擊電流。

對(duì)2號(hào)機(jī)組的并網(wǎng)同期回路及定值進(jìn)行檢查，同期合閘方式均采用自動(dòng)準(zhǔn)同期，同期定值中電壓差在2%以內(nèi)，角度差在5°以內(nèi)，并網(wǎng)開關(guān)合閘指令才會(huì)發(fā)出。由于熱控燃機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)間采樣精度不夠，未能采集到2號(hào)機(jī)并網(wǎng)瞬間的波形，但2號(hào)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)功率，其它機(jī)組并網(wǎng)有功功率曲線不會(huì)出現(xiàn)在橫軸下半部分，因此確定2號(hào)發(fā)電機(jī)初并網(wǎng)瞬間會(huì)有較大的沖擊電流，其突變量值較大導(dǎo)致母線保護(hù)裝置啟動(dòng)。

5 優(yōu)化措施及驗(yàn)證

經(jīng)過與廠家技術(shù)人員溝通，結(jié)合該電廠調(diào)峰機(jī)組的特殊性及運(yùn)行方式，母線保護(hù)會(huì)受到機(jī)組頻繁啟停機(jī)的并網(wǎng)操作影響，使得負(fù)荷突變較為明顯。為減小對(duì)保護(hù)的影響，修改許繼801保護(hù)裝置內(nèi)部邏輯程序設(shè)置和裝置報(bào)文配置文件，即差動(dòng)突變量啟動(dòng)元件受復(fù)合電壓或者裝置差動(dòng)電流閉鎖。另外，當(dāng)裝置電壓正常且無差流，制動(dòng)突變量啟動(dòng)時(shí)不發(fā)報(bào)文，不點(diǎn)告警燈。

優(yōu)化程序配置文件后，裝置校驗(yàn)碼版本號(hào)、功能、定值、報(bào)告、模型等均不變。優(yōu)化后，對(duì)裝置進(jìn)行全面的保護(hù)功能驗(yàn)證，確保裝置開入量、電流、電壓顯示正常，保護(hù)動(dòng)作正常，出口正常。投入運(yùn)行后，未發(fā)生裝置“保護(hù)啟動(dòng)”告警的狀況。

6 對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響

對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響主要體現(xiàn)在：一是啟動(dòng)元件主要用于系統(tǒng)故障檢測和開放故障處理邏輯功能，并不會(huì)對(duì)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為產(chǎn)生干擾。二是啟動(dòng)元件動(dòng)作后會(huì)開放跳閘出口回路正電源，頻繁的開放會(huì)引起繼電器損壞。三是啟動(dòng)元件動(dòng)作后就會(huì)開始進(jìn)行所有支路模擬量波形和開關(guān)量狀態(tài)的記錄，直至手動(dòng)復(fù)位才會(huì)停止記錄，也會(huì)占用裝置的大量內(nèi)部存儲(chǔ)器的容量和存儲(chǔ)速度，加大了CPU負(fù)擔(dān)，間接影響了保護(hù)邏輯功能的實(shí)現(xiàn)。

7 結(jié)束語

通過這次220kV母線保護(hù)技術(shù)改造，對(duì)比兩種不同廠家提供的裝置原理及組成，進(jìn)一步降低了家族性缺陷對(duì)保護(hù)的影響，特別是針對(duì)許繼801保護(hù)裝置的差動(dòng)啟動(dòng)配置元件進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于同類型的保護(hù)裝置檢修或技術(shù)改造的預(yù)見性、預(yù)控性有一定參考借鑒意義。