基于断口两侧电压相量差的发电机机端断路器非全相保护

陈 俊, 李华忠, 徐青山, 桂 林, 王 光, 钟守平

(1. 东南大学电气工程学院， 江苏省南京市 210096； 2. 南京南瑞继保电气有限公司, 江苏省南京市 211102; 3. 清华大学电机工程与应用电子技术系, 北京市 100084)

0 引言

抽水蓄能机组和燃气轮机组具有启停频繁、断路器分合操作次数多的特点,因此发生断路器非全相故障的概率大大增加。2012年1月31日,某蓄能水电厂A厂的3号发电机并网时,由于发电机机端断路器(GCB)连杆断裂导致A相未合上,在机组并网20 s后,3号主变压器低压侧零序过压保护动作,跳开了系统500 kV侧开关、3号与4号主变压器及3号发电机,扩大了事故范围。

传统断路器非全相保护[1-4]通过断路器三相不一致接点位置、零序电流或负序电流来判断断路器的非全相运行状态。对于三相联动结构的机端断路器,由于无法提供三相不一致接点位置[5-6],并且并网初期负序电流和零序电流较小,因此传统保护功能无法快速检测出该故障。在较低的负序电流水平下,负序过负荷保护要较长时间才能动作[7-9],但是由于负序旋转磁场造成的发电机剧烈震动和转子表层发热,可能危及发电机的安全[10-11]。文献[12]提出了一种基于机端零序电压和定子绕组负序电流的非全相运行保护方案,同样需要提供断路器三相不一致接点,无法适用于机端断路器。文献[13]提出采用断口两侧基波零序电压相角差识别机端断路器非全相故障,该方法相比以往传统保护有明显优势,但是由于机组结构设计、制造工艺及运行工况等影响因素,机组正常运行时往往存在一定的基波零序电压分量,因此定值整定时需考虑躲过该不平衡基波零序电压,以提高保护判据的可靠性。这样做必然会降低机组在空载和轻载工况下故障判别的快速性及灵敏度。

本文采用对称分量法[14-15]分析单机无穷大系统中发电机机端断路器非全相运行时断口两侧电压量的故障特征,提出了基于断口两侧电压相量差的机端断路器非全相保护新原理,提升了机组在空载和轻载工况下故障判别的快速性及灵敏度,并通过动模实验加以验证。

1 机端断路器非全相故障电气量特征

图1 A相断相电气量计算电路图Fig.1 Circuit diagrams of electric parameter calculation for phase-A break

假设发电机机端A相m和n处发生断相故障,如图1(a)所示。采用叠加原理,在图1(a)中m和n点处叠加一组纵向电压,即非全相状态由正常运行和附加纵向电压单独作用的两组全相状态叠加构成。以A相为基准,采用对称分量法表示各相附加纵向电压,如图1(b)所示。列出边界条件方程,即A相电流为零,B相和C相附加纵向电压为零,如式(1)所示。

(1)

根据式(1)可推导得如下关系式:

(2)

依据式(2)画出序网分布图,如图1(c)所示。根据式(1)、式(2)和图1(c),计算A相附加纵向电压,如式(3)所示。

(3)

式中:Z1,Σ=Z1,G+Z1,S;Z2,Σ=Z2,G+Z2,S;Z0,Σ=Z0,G+Z0,S。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：上标“(1.1)”表示发生两相断相故障。

(9)

(10)

(11)

(12)

综上分析,当发电机机端断路器发生单相或两相断相故障时,故障相断口两侧会产生电压相量差值,该相量差值与发电机侧电动势、系统侧电动势和序网阻抗大小有关,且当序网阻抗大小不变时,故障相电压相量差值会随着断口两侧电动势相量差增大而逐渐增大,即随着负荷电流增大而增大,而非故障相电压相量差值为零。此外,断口两侧均出现负序和零序电压分量,且数值也随着负荷电流增大而增大。

2 机端断路器非全相保护新原理

2.1 判据构成

基于上述理论分析,以式(3)—式(12)为依据,提出基于断口两侧电压相量差值的机端断路器非全相保护新原理,其电压相量差值计算公式如下:

(13)

式中:φ=A,B,C;kφ，1和kφ，2分别为电压互感器(TV)测量回路补偿校正系数,使得正常运行时电压相量差值接近于0。

基于断口两侧电压相量差的机端断路器非全相保护逻辑框图如图2所示。图中:ΔUA,ΔUB,ΔUC为断口两侧电压相量差的有效值,ΔUset为电压相量差定值,按躲过机组正常运行时最大不平衡电压相量差值整定;Uφ,M和Uφ,N分别为断口处M侧和N侧各相电压有效值;Uph,N为额定相电压;U0,M和U0,N分别为断口处M侧和N侧零序电压有效值;U0,set为零序电压定值,按躲过机组正常运行时两侧中最大不平衡零序电压整定;U2，M和U2，N分别为断口处M侧和N侧负序电压有效值;U2,set为负序电压定值,按躲过机组正常运行时两侧TV的最大不平衡负序电压值整定，一般取1～2 V;max表示取两个数值的最大值,min表示取两个数值的最小值。

当满足图2中判据时,判为断路器非全相,延时动作于报警或跳闸。其中,图2中条件2用于防止机组正常启机并网和正常解列时保护误动作。

2.2 TV断线对判据的影响分析

考虑机组空载和轻载工况下某一侧TV发生断线时,该侧会出现负序电压分量,而空载和轻载工况下发生断相故障时两侧负序电压较低,以此为依据形成空载和轻载工况下的辅助判据,即当两侧负序电压的最大值小于门槛定值时,图2中条件4满足,且一旦条件满足则展宽10 s返回。此外,考虑机组带载运行工况下某一侧TV发生断线时,该侧会出现零序电压分量,另一侧不会出现较大的零序电压分量,而带载运行工况下发生断相故障时两侧均会出现较大的零序电压,以此为依据形成带载工况下的辅助判据,即当两侧零序电压的最小值大于门槛定值时,图2中条件5满足。

图2 基于断口两侧电压相量差的机端断路器非全相保护逻辑图Fig.2 Logic diagram of open-phase protection for generator circuit breaker based on the voltage phasor difference between two sides of the breaking point

综上分析,当任一侧TV发生完全断线故障时,判据中条件3不满足,保护判据不会发生误动;当任一侧TV发生非完全断线故障时,判据中条件4或5不满足,保护判据也不会发生误动。可见,该原理不受TV断线的影响,具有较高的可靠性。

3 动模实验

为验证理论分析的正确性,研制了基于电压相量差值原理的断路器非全相保护装置,并在动模机组上进行模拟实验。动模机组接线图如图3所示。

图3 动模机组接线图Fig.3 Wiring diagram of dynamic simulation unit

设置保护装置定值,将ΔUset定值整定为1.5 V,U0,set整定为1.5 V,U2,set整定为1.5 V,保护延时整定为0.5 s,保护动作于报警。

1)模拟发电机并网时机端断路器发生单相或两相断相故障,记录实验波形。

①模拟发电机并网后空载运行工况下发生A相断相故障,记录断口两侧电压相量差值波形,如图4(a)所示。t=0.3 s时刻发生A相断相故障,此时故障相A相电压相量差值为2 V,大于保护定值1.5 V,B,C相电压相量差值接近0,满足图2中条件1和2。计算断口两侧零序和负序电压分量数值,如图4(b)所示,其值均低于1.5 V,尤其是发电机机端侧更低,满足图2中条件4。因此,发生断相故障0.5 s后,保护判据可满足动作条件,保护正确动作。

图4 发电机并网空载运行工况下机端断路器A相断相时断口两侧电压相量差值及序分量波形Fig.4 Waveforms of voltage phasor differences and sequence components during phase-A break of generator circuit breaker in the no-load operation condition of grid-connected generator

若依据文献[13]中的零序电压相角差识别方法,考虑躲过正常运行时两侧不平衡零序电压分量,假设定值取1.5 V,可知在空载工况下发生断相故障该方法无法判别。

②模拟发电机并网0.3 s后发生B相单相断相故障,然后继续增大发电机负荷电流,记录断路器两侧电压波形。如图5(a)所示,在t=0.3 s左右时,B相电压相量差值大于2 V,A,C相差值接近0，满足图2中保护判据,保护能可靠动作。

图5 发电机动态增加负荷电流输出工况下机端断路器B相断相时断口两侧电压相量差值及序分量波形Fig.5 Waveforms of voltage phasor differences and sequence components during phase-B break of generator circuit breaker when generator current output increases dynamically

根据图5(b)所示,在断相故障初期,两侧负序电压分量低,满足图2中保护判据4的条件,虽然随着两侧负荷电流增大,两侧负序电压分量也会增大,但由于该判据具有展宽10 s返回的功能,所以该判据并不会立刻返回。当t=5 s时,两侧零序电压分量均大于1.5 V门槛,可满足图2中判据5的条件,保护也不再返回。因此,这两种辅助判据能起到较好的互补作用。

③模拟发电机并网空载运行时发生A,B断相故障,记录断口两侧电压相量差值波形。如附录A图A1所示,t=0.3 s发生断相故障,故障相A,B相电压相量差值为2 V,大于保护定值1.5 V,非故障相电压相量差值接近0,满足图2中保护判据,保护能正确动作。

2)模拟三相正常分合闸操作,验证保护是否会误动作,记录断路器两侧电压波形,如附录A图A2所示。机端断路器正常分合闸操作时,由于断口两侧三相电压均会同时出现相量差值,不满足图2判据中条件2,所以保护不会误动作。

此外,对于其他情况,如发电机或变压器内短路故障,或TV断线异常等,由于无法满足图2中的保护判据,所以保护不会误动作。

由动模实验波形可见,实验结果与理论分析吻合,当发电机在空载或轻载工况下发生机端断路器单相或两相断相故障时,故障相断口两侧会产生电压相量差,而非故障相断口两侧电压相量差值接近于0,保护能灵敏检测非全相故障,且不受TV断线影响。相比文献[13]能更快、更灵敏地识别机端断路器非全相故障。

4 结语

本文采用对称分量法分析单机无穷大系统中机端断路器发生单相和两相断相故障时断口两侧电压量的故障特征,提出了基于断口两侧电压相量差的断路器非全相保护新原理,并在动模机组上进行了实验验证。该原理不依赖电流量大小和三相不一致接点,且不受TV断线影响。相比文献[13],该方案能在发电机空载和轻载工况时更快速、更灵敏地识别断相故障,能在发电机并网初期和解列时快速识别断路器非全相故障,避免剧烈震动威胁发电机组的安全。2015年5月起,该原理已在广州抽水蓄能电站4台300 MW机组上先后投入使用,至今运行情况良好。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。