余热发电站继电保护配置及发电机整定计算分析

冯磊

（云南电网有限责任公司玉溪供电局，云南 玉溪 653400）

0 前言

某县大型钢铁冶炼和水泥生产企业建有余热发电站，利用废气、废液等工质中的热或可燃质作热源，生产蒸汽用于发电。余热发电不仅节能，还有利于环境保护，随着国家节能减排力度不断加大，余热发电项目将会越来越多。余热发电站属用户自备电厂，所发电量全部用于内部负荷消纳，不能上送电网，如果余热发电站的继电保护设计不符合要求，将会影响发电机和系统侧电网的安全运行。针对余热发电的特点，本文以某钢铁厂余热发电站为例，对其相关继电保护配置进行分析计算，提出一套适合余热发电站的继电保护配置及发电机整定计算方案，既符合技术标准，也满足并网要求。

1 电气主接线

余热发电站的电气主接线见图1，直接采用发电机电压母线的直供方式，通过一回10 kV电缆线路接至110 kV降压变电站10 kV I段母线的电气间隔，发电机中性点采用避雷器保护的不接地方式[2]，降压站高压侧采用内桥接线[1]，低压侧10 kV分段。

图1 钢铁厂电气主接线图

余热发电站投入增加了降压站10 kV母线的短路电流，校核10 kV用电设备的短路开断能力低于最大短路电流，采取限流措施，在其并网联络线上串联加装限流电抗器[3]，从节能和防电磁干扰的角度出发，配套使用大容量高速开关。

2 继电保护配置

2.1 110 kV降压变电站

1）为防止余热电量上送电网，在110 kV I回进线、110 kV II回进线处分别配置1套逆功率保护装置，当检测到有从110 kV母线输送到两回进线的逆向功率，保护装置动作跳开10 kV并网联络线3QF断路器。

2）调整110 kV两回进线的重合闸检定方式，电网侧投“检无压”重合闸方式，降压站侧投“检同期”或“检线路有压检母线无压”重合闸方式[4]。

3）110 kV #1、#2主变高后备间隙保护投入联跳10 kV并网联络线的功能，低后备复压闭锁过流保护投入方向闭锁功能，方向指向母线侧。

4）考虑余热发电站与降压站的保护时差配合，10 kV并网联络线两侧分别配置1套10 kV线路光纤差动保护装置，过流保护投入方向闭锁功能，方向指向线路侧。

2.2 10 kV余热发电站

1）110 kV两回进线和主变跳闸的情况下，完全靠余热发电电量难以满足负荷要求，不考虑孤网（孤岛）运行方式，配置1套频率电压解列装置。

2）余热发电站与降压站的同期点设置在发电机出口1QF断路器两侧，配置1套自动准同期装置。

3 发电机整定计算

发电机整定计算参照相关整定原则[5]设置，并借鉴工程计算的经验值[6]，发电机额定一次电流IG.N=1374.6 A，额定二次电流Ig.n=3.44 A，发电机机端一次线电压UG.N=10.5 kV，二次线电压Ug.n=100 V。使用Relay-CAC整定软件计算系统短路电流，降压站主变高压侧110 kV母线两相最小短路电流Ik（2）=3978 A（归算至余热发电站10 kV母线），余热发电站10 kV母线两相最小短路电流Ik（2）=7740 A。

3.1 发电机纵差动保护

1）比率差动起动电流：按躲过发电机额定负荷状态下的最大不平衡电流整定Iop.0=0.25Ig.n

2）比率差动拐点电流：Ires.0=0.8Ig.n

3）比例制动系数：S=0.5

4）差动速断电流：按最大外部短路电流不误动整定，Iop.qu=4Ig.n=4×3.44=13.76 A

5）差流越限告警电流：I=0.15Ig.n

6）TA断线视为设备故障，所以TA断线时不闭锁发电机纵差动保护，TA二次回路断线差动保护动作时作用于跳闸停机，同时发TA断线信号。

3.2 发电机横差动保护

1)保护动作电流：按躲发电机外部短路或发电机转子偏心产生的最大不平衡电流整定。

2)保护动作时间：正常运行时零序电流型横差保护不经本时限出口，而是瞬时动作停机，只有当励磁回路一点接地保护动作后零序电流型横差保护才经本时限出口动作于停机。按防止励磁回路发生瞬时性第二点接地故障时横差保护误动整定，取Top=0.5 s。

3.3 发电机纵向零序过电压

1）保护动作电压：按躲区外短路时最大纵向基波零序不平衡电压整定，Uop=8 V。

2）保护动作时间：为确保在专用TV一次断线时不误动，根据运行实践取Top=0.2 s。

3）负序功率方向元件：为防止外部短路时误动，采用负序功率方向元件闭锁纵向零序过电压保护。

3.4 发电机定子绕组过电流保护整定计算

式中：Krel——可靠系数；

Kr——返回系数。

式中：I(2)kmin——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)保护动作电压：低电压取机端TV二次线电压，Uop=0.6Ug.n；负序电压取机端TV二次线电压，按躲过正常运行时的不平衡电压整定，Uop2=0.07Ug.n。

3）保护动作时间：按与降压站主变过流保护动作时间配合整定，Top＝Tmax+ΔT。

3.5 发电机定子绕组过负荷保护

式中：Krel——可靠系数；

Kr——返回系数。

2）过负荷动作时间：按躲过发电机后备保护的最大延时整定，Top＝Tmax+ΔT。

3.6 发电机定子绕组单相接地保护

1)基波零序电压：电压量取自机端TV开口三角绕组，按躲过正常运行时机端三相电压互感器开口三角绕组的最大不平衡电压整定，Uop=0.1Ug.n。

2)保护动作时间：根据实际运行经验，应将发电机定子绕组单相接地基波零序过电压保护视为主保护，动作时间尽可能短。

3.7 发电机定子绕组过电压保护整定计算

1）保护动作电压：电压量取机端TV二次线电压，Uop=1.3Ug.n。

2）保护动作时间：Top=0.5 s。

3.8 发电机转子接地保护

1）乒乓式一点接地保护

保护Ⅰ段动作电阻：Rg1=10 kΩ。

保护Ⅰ段动作时间：按躲过励磁回路瞬时性接地和转子绕组暂态过程中误动整定。

保护Ⅱ段动作电阻：Rg2=1 kΩ。

保护Ⅱ段动作时间：按躲过励磁回路瞬时性接地和转子绕组暂态过程中误动整定。

2）乒乓式两点接地保护

转子绕组一点接地位置变化量：△a=0.05转子绕组两点接地动作时间：Top=1 s。

3.9 发电机转子表层负序过负荷保护

式中：Krel——可靠系数；

Kr——返回系数；

I2∞*——发电机长期允许负序电流的标么值，以发电机额定电流为基准，由制造厂家提供，一般I2∞*≤10%。

2)负序动作时间：按躲降压站主变高压侧两相短路整定，Top＝0.5 s。

3.10 发电机失磁保护

图2 阻抗动作特性（圆1称为异步边界阻抗圆，圆2称为静稳极限阻抗圆）

1）低电压元件：低电压取机端TV二次线电压，按躲过强行励磁启动电压及不破坏厂用电的安全整定，Uop=0.85Ug.n。

2）负序电压元件：负序电压取机端TV二次线电压，Uop2=0.07Ug.n。

3）异步边界阻抗圆

式中：Xd＇、Xd——发电机暂态电抗和同步电抗标么值；

UG.N、SG.N——发电机额定电压和额定视在功率；

NTA、NTV——电流互感器和电压互感器变比。

4)静稳极限阻抗圆

式中：Xcon是发电机与系统间的联系电抗（包括降压站变压器阻抗）有名值（归算至发电机侧），即最小运行方式下系统归算至发电机母线的等值电抗有名值。

5）失磁保护动作时间：按躲过振荡过程中短时的电压降低整定。

4 结束语

余热发电站为企业内部的自备电站，用户在建设投资时要充分考虑电站接入对降压站和系统侧带来的影响，明确二次系统的设计要求。用户委托第三方计算的余热发电站保护定值，存在取值不合理的情况，特别是发电机的保护定值。为保证余热发电站及电网的安全运行，对余热发电项目提出以下几点建议：

1)在降压站电源进线的母线侧增加逆功率保护装置，合理设置电源进线两侧重合闸；

2）完善降压站主变高后备间隙保护联跳小电功能，投入相关保护的方向闭锁功能；

3）余热发电站与降压站并网联络线使用光纤差动保护装置；

4）在余热发电站侧装设同期装置和频率电压解列装置；

5）按相关整定原则对余热发电站的保护定值进行整定计算。