俄羅斯800MW機組定子接地后備保護分析

　　0引言
　　
　　發(fā)電機定子接地保護的難點集中在靠發(fā)電機中性點側(cè)接地時，基波零序保護所不能保護到的那部分死區(qū)。雖然說100％保護方案有多種，但又各有弊端[1]。大型發(fā)電機定子接地保護要求所安裝的定子接地保護，其中應(yīng)有一套在機組啟、停過程中仍起作用的保護[2]。這就給大型發(fā)電機定子接地保護的設(shè)計提出了更高的要求。綏中發(fā)電廠引進俄羅斯800MW發(fā)電機組的定子接地保護，兩套中的3次諧波電壓保護組件原理不同，其中一套БРЭ1301.01主保護的3次諧波組件電壓取自發(fā)電機出線側(cè)和中性點側(cè)電壓互感器，反應(yīng)發(fā)電機定子對地相對阻抗的變化，兼用于啟、停機時對發(fā)電機定子接地保護；另一套БРЭ1301.02后備保護的3次諧波電壓組件，與其他保護相比，有它自身的獨到之處。本文著重介紹、分析БРЭ1301.02保護的3次諧波電壓組件保護原理、工作過程和性能。
　　
　　1保護的工作原理和工況分析
　　
　　1．1保護組成及諧波組件工作原理
　　
　　俄羅斯БРЭ1301.02型100％定子接地后備保護采用集成電路實現(xiàn)，主要包括4個部分（見1999年綏中發(fā)電廠《БРЭ1301型發(fā)電機保護組件技術(shù)說明和運行規(guī)程》）：①電源組件БП為裝置提供工作電源；②基波零序分量組件БОС對發(fā)電機靠機端側(cè)80％定子線圈接地故障起保護作用；③負(fù)序電壓閉鎖繼電器ОБН防止發(fā)電機電壓系統(tǒng)以外故障時的保護誤動作；④3次諧波組件БТГ保護發(fā)電機靠中性點側(cè)0～40％的定子接地故障。所有組件電壓取自發(fā)電機出口、負(fù)荷開關(guān)外側(cè)電壓互感器TV4。
　　
　　3次諧波組件БТГ的工作原理如圖1所示，它由電源變壓器TI、150Hz帶通濾波器、全波整流器、平波器、啟動機構(gòu)、測量機構(gòu)和邏輯輸出等部分組成，其啟動機構(gòu)反應(yīng)發(fā)電機出線端側(cè)的3次諧波電壓Us3對時間的導(dǎo)數(shù)dUs3/dt。當(dāng)導(dǎo)數(shù)dUs3／dt>0且Us3變化的時間常數(shù)小于0．1s，啟動機構(gòu)就啟動，并且保持在動作狀態(tài)；當(dāng)導(dǎo)數(shù)dUs3／dt<0且Us3變化的時間常數(shù)小于0．1s，啟動機構(gòu)就返回。3次諧波組件БТГ的測量機構(gòu)反應(yīng)的是3次諧波電壓Us3，在發(fā)生定子接地故障以后與故障前的比值Us3'／Us3。如果Us3'／Us3>1．25，測量機構(gòu)就提供動作條件；如果Us3'／Us3<0．85，測量機構(gòu)就取消動作條件。組件只有在啟動機構(gòu)啟動、測量機構(gòu)提供動作條件時才動作；在啟動機構(gòu)返回、測量機構(gòu)取消動作條件時保護才整組返回。　　1．23次諧波組件的幾種工況分析
　　
　　1．2．1發(fā)電機并網(wǎng)前的工況
　　
　　БРЭ1301.02型保護作為大型發(fā)電機組定子接地故障的后備保護，安裝在發(fā)電機負(fù)荷開關(guān)外側(cè)（主變壓器低壓側(cè)、高廠變高壓側(cè)），動作后經(jīng)過0．5s～1．0s延時，啟動機組后備保護出口中間繼電器，跳開機組500kV側(cè)開關(guān)和高廠變低壓側(cè)6．3kV開關(guān)。一次發(fā)電機系統(tǒng)如圖2所示。
　　　　在發(fā)電機并網(wǎng)前，保護裝置的3次諧波組件不起作用，基波零序電壓組件對發(fā)電機出線段24kV系統(tǒng)起接地保護作用，動作后跳開500kV向
　　
　　6．3kV輸送的廠用電，備用電源自動投入。
　　
　　1．2．2發(fā)電機并網(wǎng)后的工況
　　
　　發(fā)電機并網(wǎng)后，檢查裝置沒有動作信號后投入跳閘壓板，空載運行時3次諧波電壓在0．6V～0．8V之間，隨著發(fā)電機負(fù)荷的增加，3次諧波電壓也在增加，但由于U3變化的時間常數(shù)大于0．1s，測量機構(gòu)反應(yīng)的3次諧波電壓Us3在變化后與變化前的比值Us3'／Us3<1．25，3次諧波組件БТГ的啟動機構(gòu)和測量機構(gòu)都不會提供動作條件，保護不動作。盡管負(fù)荷升到額定值或者在做超負(fù)荷試驗時，3次諧波電壓在3．0V或更高一些，保護都不會誤動作。發(fā)電機負(fù)荷下降時，啟動機構(gòu)的dUs3／dt<0，保護也不會誤動作。發(fā)電機負(fù)荷波動時，由于U3變化的時間常數(shù)大于0．1s，Us3'／Us3<1．25，保護的3次諧波組件БТГ不會誤動作。
　　
　　1．2．3發(fā)電機定子接地時的工況
　　
　　只有發(fā)電機靠中性點側(cè)發(fā)生接地故障時，機端3次諧波電壓迅速增加，dUs3／dt>0，且Us3變化的時間常數(shù)小于0．1s，啟動機構(gòu)啟動；同時Us3'／Us3>1．25，測量機構(gòu)也提供動作條件，保護保持有動作量輸出；經(jīng)過0．5s～1．0s延時，啟動機組后備保護出口中間繼電器，跳開機組500kV側(cè)開關(guān)和高廠變低壓側(cè)6．3kV開關(guān)，機組全停，3次諧波電壓消失，啟動機構(gòu)、測量機構(gòu)取消動作條件，保護返回。當(dāng)發(fā)生瞬時非金屬性接地故障時，定子接地后備保護可能動作，但因故障瞬間消失，在整定時間內(nèi)啟動機構(gòu)、測量機構(gòu)返回，后備保護出口不會發(fā)跳閘信號。
　　
　　23次諧波組件性能分析與評價
　　
　　2．1性能分析
　　
　　保護的靈敏度檢驗是衡量保護裝置性能的重要指標(biāo)，是由中性點的臨界接地電阻表現(xiàn)的。
　　
　　設(shè)發(fā)電機的3次諧波電勢為E3，定子三相繞組對地電容為CF，機端引線段連接元件對地電容為Cs，中性點側(cè)非金屬性接地，保護動作時的臨界接地電阻為R臨界，其3次諧波電路如圖3（a）所示。發(fā)電機在絕緣良好狀況下空載運行時，機兩端3次諧波電壓相等、方向相反；帶上出線段連接元件運行時，機端3次諧波電壓Us3恒小于中性點側(cè)3次諧波電壓Us3，如圖3（b）所示；當(dāng)發(fā)電機發(fā)生接地故障時，設(shè)接地點發(fā)生在距中性點α處（α為由故障點到中性點的繞組占全部定子繞組的百分?jǐn)?shù)），且α<50％時，機端3次諧波電壓總是大于中性點側(cè)3次諧波電壓，即Us3>UN3[3]，如圖3（c）所示。中性點發(fā)生金屬性接地時，中性點側(cè)3次諧波電壓為0，機端3次諧波電壓zui大，Us3＝E3。　　
　　通過設(shè)備說明書和實測的結(jié)果計算，發(fā)電機在額定功率因數(shù)和負(fù)荷下運行，中性點側(cè)電壓互感器二次側(cè)的3次諧波電壓為3V，計算到一次側(cè)3次諧波電壓UN3＝415V，機端側(cè)電壓互感器二次側(cè)的3次諧波電壓為2．45V，計算到一次側(cè)3次諧波電壓US3＝340V，CF＝1μF，Cs＝0．1μF。
　　
　　當(dāng)發(fā)生非金屬接地故障時，出線端的3次諧波電壓US3對時間的導(dǎo)數(shù)dUs3／dt>0，且US3變化的時間常數(shù)小于0．1s，3次諧波組件БТГ的啟動機構(gòu)啟動，測量機構(gòu)Us3突變?yōu)樵瓉淼?．25倍時保護動作，如圖3（a），（c）所示，即Us3，UN3（單位為V）為：
　　
　　Us3=340x1.25=425
　　
　　UN3=415+340-425=330
　　
　　求得測量機構(gòu)動作時的臨界接地電阻為：R臨界＝1833Ω。此值與定子接地主保護БРЭ1301．01的3次諧波組件臨界接地電阻1573Ω相比略大，即保護的靈敏度更高些。如果必要，還可以通過調(diào)整測量機構(gòu)動作條件Us3'／Us3>1．25調(diào)整3次諧波組件的臨界接地電阻（靈敏度）。
　　
　　發(fā)電機正常工況下，中性點對地阻抗以容性為主，在3．0kΩ～6．4kΩ之間。由此可見，該保護裝置性能良好。
　　
　　2．2保護裝置的優(yōu)點
　　
　　俄羅斯БРЭ1301．02型100％定子接地保護裝置以3次諧波組件БТГ為主，作為大型發(fā)電機組的一種后備保護，構(gòu)成原理簡單，能夠準(zhǔn)確把握發(fā)電機定子靠中性點側(cè)接地時，機端3次諧波電壓量的突增。該裝置克服了以往外加直流法、外加低頻電壓法、人工2次諧波法行波式定子接地保護中的諸多弊端，與一般的3次諧波保護相比，保護原理簡單，不用運行中設(shè)定定值，也沒有靈敏度難于配合的問題，在發(fā)電機3次諧波電壓隨負(fù)載和功率因數(shù)變化的問題上保護能夠不動，是該裝置較一般的3次諧波保護的突出優(yōu)點。
　　
　　2．3保護裝置的不足
　　
　　該裝置由集成電路構(gòu)成，雖然電路內(nèi)設(shè)抗干擾電路，但沒有實現(xiàn)交流電壓量和直流工作電源進人裝置的電壓同時抗干擾，所以裝置的抗擾能力欠佳，易受對講機等大功率無線通信設(shè)備使用的影響而啟動。解決辦法是遠(yuǎn)離設(shè)備、使用無線、裝置外殼設(shè)屏蔽網(wǎng)、電量輸入端口設(shè)抗干擾盒等。
　　
　　另外，由于機組啟、停時零序和3次諧波電壓易發(fā)生變動，所以保護方案本身要求跳閘壓板在機組并列后投入而停機前解除，這樣給運行人員帶來一些不便。
　　
　　3結(jié)論
　　
　　以3次諧波組件БТГ為主的БРЭ1301．02型100％定子接地后備保護裝置有設(shè)計中的不足，但只要按要求掌握投、退保護的時間，采取合適的抗干擾辦法，裝置可以投人運行。本保護方案在我國具有較大的推廣應(yīng)用價值。