自并励发电机相间短路后备保护优化及整定计算

王聪

【摘要】随着继电保护技术的不断发展，发电机组保护配置日趋完善，主保护可靠性大大提高，但后备保护仍然具有重要作用，如何合理配置机组后备保护，特别是在厂网配合方面，更应引起我们的足够重视。本文通过对自并励发电机组相间短路后备保护优化实例，探讨自并励机组后备保护配置及其整定计算。

【关键词】后备保护；配置；自并励；优化

0引言

自并励静止励磁方式有可靠性高、响应速度快、轴系相对较短及投资少等优点，随着微机励磁调节技术的不断发展，装置的稳定性和调节性能也大大提高，使得自并励静止励磁技术在我国得到了广泛应用，大中型汽轮发电机组都已经具有成熟的设计、运行经验，但这种励磁方式在系统和机组本身发生短路故障时，发电机出口及其母线电压随着短路的发生立即下降。由于励磁变接在机组出口处，导致励磁变提供给发电机的励磁电流同时也迅速减少，从而使故障电流衰减迅速。如图1所示，这会降低复合电压闭锁过电流保护的灵敏度，有可能导致常规复压过流保护无法动作。

图1自并励励磁机组故障电流衰减图

1发电机组相间短路后备保护配置实例及存在问题

某电厂发电机组采用发—变组单元接线，封闭母线连接，发电机出口不设断路器，配置有发电机复压过流保护作为发电机内部、引出线及主变高压侧相间短路的后备保护，保护设两段延时，较短的延时与线路保护配合，切母联开关，较长的延时动作于全停。保护逻辑如图2所示。

图2复压过流保护逻辑图

此保护没有配置电流记忆条件，当机端发生相间短路时，由于机端电压的下降，短路电流的迅速衰减，将导致复压过流保护的电流原件返回，保护不能可靠动作。

2相间短路电流计算

为了更加清晰的分析自并励机组相间短路时的电流变化及对保护的影响，现列举一台135MW汽轮机组为例，短路点分为机端处d1點，主变高压侧处d2点和出线末端d3点，分别计算三相和两相短路电流。

135MW汽轮机组各参数是：Sn=158MVA，Un=15.75kV，COSΦ=0.85，xd=1.56，xd=0.214，x“d=0.154，xf.2=0.188，Ufd.0=109V，Ufd.n=292V，强励励磁电压倍数2.2，转子励磁次暂态时间常数T”d0=0.035，转子励磁暂态时间常数Td0=9.8，励磁变高低压侧变比是15.75/0.55kV，主变额定电压242/15.75kV，主变电抗xt=0.143,线路末端d3点电抗x1=0.193，求机端d1点、主变高压母线处d2点及线路末端d3点三相和两相短路电流：

线路d3点外接电抗xs.d3=xt+x1=0.336，

外接电抗临界值xs.cr=xd/（Ca-1）=xd/（cosαk/cosα0-1）=0.317

其中强励电控角αk=acrcos-1(Ufd.k/1.35Up-pk)，空载电控角α0=acrcos-1(Ufd.0/1.35Up-p)

d3点外接电抗大于外接电抗临界值，短路点电流不会衰减可能会增大，所以d3点短路电流不再计算。由自并励发电机相间短路电流计算方法可写出各短路点的短路电流方程：

d1点三相短路电流方程见式（1），d1点两相短路电流方程见式（2），d2点三相短路电流方程见式（3），d2点两相短路电流方程见式（4）.

其中三相短路次暂态电流分量i■d■■＇＇[3]=1/(x”d+xs)，三相短路暂态电流分量i■d■■＇＇[2]=1/(xd+xs)

两相短路次暂态电流分量=√3/(x”d+xs+x2Ε)，

两相短路暂态电流分量=√3/(xd+xs+x2Ε)

计算出d1和d2点三相和两相短路电流变化见表1：

表1d1及d2点随时间变化的三相及两相短路电流

从表1可以看出，自并励135MW汽轮发电机组在机端和主变高压侧发生三相和两相短路故障时，其短路电流变化有很大不同，三相短路电流迅速衰减，影响过流保护元件的正确动作，而机端两相短路时，短路电流衰减较慢，主变高压侧两相短路时，短路电流还有上升趋势，都不会影响过流元件的正确动作。

3相间短路后备保护优化配置

通过分析自并励机组相间短路时的电流变化以及得出的计算结果，证明复压过流保护并不能满足要求，特别是在机端发生三相短路时，电流衰减迅速，保护不能正确动作。为此，需对保护配置进行优化，增加发电机低压记忆过流保护，作为机端三相短路的后备保护，为了防止主保护动作后，低压记忆过流保护仍会误切母联开关，保护只设一段延时动作于全停，保护逻辑如图3。

配置低压记忆过流保护而不配置复压记忆过流保护的主要原因有以下两点：

1）从短路电流变化计算结果可以看出，d1点两相短路电流衰减较慢，3S内满足电流动作条件，所以不用配置负序电压元件作为判据，保护原理相对简单可靠；

2）系统发生短路故障，单条出线的运行方式下，由于负序电压较大，且衰减较慢，复压记忆过流保护有误动的可能。

图3低压记忆过流程保护逻辑图

优化配置后对原有的复压过流保护予以保留，主要是考虑复压过流保护作为主变高压侧以及线路发生相间短路及接地故障时，仍然可以作为后备保护，并且有较高的灵敏度。

4保护整定计算

根据《南方电网大型发电机变压器继电保护整定计算规程》,可分别对低压记忆过流保护各元件进行整定计算。

1）过流元件整定

动作电流按躲发电机额定电流整定I■=■

式中：Krel——可靠系数，取1.3～1.5；Kr——返回系数，取0.9～0.95。

记忆元件延时按大于本保护动作时间整定。

灵敏系数校验，按主变压器高压侧母线两相短路进行校验：

K■=■（5）

式中：I■■——主变压器高压侧母线金属性两相短路时，流过保护的最小短路电流。要求灵敏系数Ksen≥1.2。

2）低电压元件整定

低电压元件取机端PT二次线电压，动作电压Uop可按下式整定。

U■=■

式中：U■——发电机额定电压；nv——电压互感器变比。

灵敏系数按主变压器高压侧母线三相短路进行校验：

Ksen＝Uop/(Uk.max/nv)（６）

式中：Uk.max——主变高压侧母线金属性三相短路时发电机机端最大相间电压。

要求灵敏系数Ksen≥1.2。

低电压元件的灵敏系数不满足要求时，若发电机、变压器共用一套复合电压闭锁过电流保护时，应引入主变压器高压侧电压元件，并选择经其他侧复压闭锁。

3）动作时间

当发电机、变压器共用一套复合电压闭锁过电流保护时，按与相邻出线相间、接地保护对线末有灵敏度段及高厂变过电流保护最长动作时间配合整定：t＝tmax+Δt

式中：tmax——相邻出线相间、接地保护对线末有灵敏度段及高厂变过电流保护最长动作时间。

5结束语

自并励发电机组在机端和主变高压侧发生三相短路故障时，电流衰减迅速，过流元件在保护动作时间内已经返回，复压过流保护不能正确动作。经过对保护配置优化，在原有保护配置基础上，增设低压记忆过流保护，作为机端和主变高压侧三相短路的后备保护，经过认真选择保护出口方式及对保护进行合理的整定计算，大大提高了保护的可靠性，保护灵敏度高，同时还避免了误动的可能，充分发挥了后备保护的作用。

【参考文献】

［１］王维俭，侯炳蕴．大型机组继电保护理论基础.2版[M]．北京：水利电力出版社，1989．

［２］中国南方电网有限责任公司．南方电网大型发电机变压器继电保护整定计算规（2012）[Z]．2012．

［责任编辑：薛俊歌］