发电机非同期合闸差动保护误动分析

聊方伦 ，周 平

(1.安庆皖江发电有限公司，安徽 安庆 246008；2.浙能嘉华发电有限公司，浙江 平湖 314201)

大型发电机-变压器组(以下简称发-变组)是电力系统的重要电气设备，其运行正常与否直接关系到整个电网的安全运行[1]。主变压器(以下简称主变)差动保护是变压器内部故障的主保护，励磁涌流和故障电流以及内、外部故障的正确区分是变压器差动保护必须解决的问题[2]。单元发电机组非同期合闸事故引起的冲击电流对于差动保护来说为穿越性电流，具有区外故障特点，此时主变差动保护应满足选择性和可靠性的基本要求，不应误动作，而应由发-变组误上电保护来切除故障。近年来，出现了多起单元发电机组非同期合闸或变压器冲击时和应涌流造成变压器差动保护误动的情况。下面以两起发电机非同期合闸为例，结合故障录波器记录数据对主变差动保护误动情况和误上电保护动作情况展开分析，指出存在的问题并提出建议。

1 误动案例情况

1.1 案例1

某年6月28日6：16：00，A电厂执行1号发电机并网操作时，1号主变出口断路器合闸后，1号发电机组瞬时跳闸，同时该厂2号发电机组跳闸。检查发现1号发电机发-变组A、B保护柜“发-变组差动保护”动作跳出口断路器，2号发电机发-变组A、B保护柜“发-变组差动保护”“主变差动保护”动作跳出口断路器。经过检查确认，1号发电机由于同期电压回路接线反相，造成1号发电机非同期合闸，合闸时发电机电压与系统电压相位相差180°。

1.2 案例2

某年6月15日17：11：00，B电厂2号机组在并网过程中出现异常情况，2号发-变组误上电保护出口跳开2号发电机组，同时相邻的1号机组发-变组差动、主变差动保护发生误动跳开1号机组。经过检查，确认2号发电机由于同期电压回路接线反相造成2号发电机非同期并网，合闸时发电机电压与系统电压相位同样相差180°。

2 主变差动保护误动分析

以案例1 A电厂2号主变差动保护为例进行分析。

2.1 电流互感器(TA)配置及保护定值

该厂电气主接线及2号主变差动保护配置见图1，其中高压厂用变压器简称高厂变，启动/备用变压器简称启备变，各侧TA的参数及单相接地负载在表1中列出。从表1可以看出，2号主变差动保护各侧TA负载均未超过TA的额定负载，各侧TA在稳态情况，一次侧稳态短路电流不大于规定倍数时，TA复合误差均不超过5%。

图1 电气主接线及2号主变差动保护配置

表1 2号主变差动保护各侧TA情况

2号主变差动保护采用比例制动和二次谐波制动方式，动作方程为：

(1)

式中：Id为差动电流(差流)，各侧同名相电流向量和；Iz为制动电流，各侧同名相中最大的电流；Iq为启动电流；Ig为拐点电流；Kz为制动系数。

二次谐波制动方程：

I2w≥ηI1w

(2)

式中：I2w为某相差流中的二次谐波电流；I1w为某相差流中的基波电流；η为整定的二次谐波制动比。

本案例差动保护的整定值：比率系数Kz=0.5，η=0.18，Iq=0.6 A，Ig=2.85 A, 速断倍数Is=5，额定电流Ie=3.56 A。

2.2 录波情况

1号机组并网瞬间线路故障录波器启动，由1号线路A、B、C三相电流波形分析可知开关三相非同期合闸， C相最先合闸，4.059 ms后A相合闸，10.6 ms后B相合闸。

由电流波形分析可知：2号线路A相电流第1周期正半波峰值出现在启动后10.193 ms, 峰值电流iamax=18.582 A，负半波峰值出现在20.555 ms，峰值电流iamin=4.108 A；B相电流第1周期正半波峰值出现在启动后16.593 ms,峰值电流ibmax=16.693 A，负半波峰值出现在27.029 ms，峰值电流ibmin=2.257 A；C相电流第1周期正半波峰值出现在启动后4.684 ms,峰值电流icmax=12.953 A，负半波峰值出现在14.155 ms，峰值电流icmin=0.230 A。

2.32号主变差动保护误动分析

根据故障数据分析可知：从第22 ms开始至第52 ms止，差流基波有效值在2.00～2.31 A之间时，二次谐波有效值在0.41 ～0.25 A变化；第75 ms开始至第100 ms时，差流基波有效值在1.50 ～2.90 A变化，二次谐波有效值在0.27 ～0.91 A变化。第68.333 ms至82.333 ms时，最大制动电流4.762 A，差流中最小基波有效值2.786 A，差流中最大二次谐波有效值0.421 A。最大二次谐波含量等于15.11%，小于整定值18%。差流中最小基波有效值2.786 A，大于带制动后的最大动作电流2.523 A，因此主变差动保护在此时间段内动作出口断路器跳闸。

2.4 TA饱和分析

从故障数据分析中可以看出，从故障开始至结束发电机机端A相电流波形对称性较好，TA未饱和；2号线路A、B相TA由于直流分量的影响从55 ms左右开始饱和，电流波形出现畸变，电流从时间轴一侧又偏向另一侧，造成电流相位变化，A相差流波形也证明了这一点。

非同期合闸时，从故障数据分析中可以看出，2号线路电流中的稳态电流倍数远远小于TA的准确限值系数，TA二次负荷也小于额定负荷，故 2号线路TA出现饱和，为此先对2号线路相电流进行近似计算。

1号发电机非同期合闸，从1号线路故障数据可以看出开关三相非同期合闸，设2号发电机C相电压Uc为：

Uc=Emsin(ωt+α)

(3)

式中：Em为发电机相电压的基波峰值；ω为角速度；α为初相角。

忽略回路电阻和交流电流衰减，并认为在此过程中发电机电势和初相角不变。C相最先合闸，此时系统相当于AB两相断线，A相滞后C相合闸的时间t1=4.059 ms后A相合闸，此时系统相当于B相断线，经过t2=10.6 ms后B相合闸，此时系统相当于三相短路。2号线路A相电流ia为：

ia=iap+iaap=Iapmsin[ω(t+t1)+α-β-

(4)

式中：iap为发电机A相电流的交流基波分量瞬时值；iaap为发电机A相电流非周期分量瞬时值；Iapm为发电机A相电流交流基波分量峰值；Ca为发电机A相电流非周期分量起始值；Ta2为发电机变压器组一次系统的时间常数；β为正序系统中A相滞后C相角度，取120°；γ为短路回路电流滞后电压的角度，取90°，阻抗中的电阻值很小，使用电抗值计算。

为简化计算，利用故障数据对A相电流的周期分量幅值和非周期分量幅值进行推算。

从计算结果看，A相电流都含有很大的非周期分量，根据理论分析，TA饱和前，A相TA的励磁电流i0a为：

i0a=-Iapmcosδcos[ω(t+t1)+α-β-δ]-

(5)

根据DL/T 866-2004 《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》，由该厂TA的电气试验数据可知，cosδ≈0,sinδ≈1,T2=5.280 s，利用该厂的设备参数及系统参数计算系统时间常数Ta2≈0.131 s,因此第三项Ta2Ca/(T2-Ta2)≈0.288 6，因此按照二次电流推算的一次非周期分量误差不大。将以上各数值代入式(5)，有：

根据理论分析，TA铁心开始饱和时的磁通密度Bb表达式为：

Bb=kEb

(6)

式中：Eb代表其所对应的感应电动式；k为与TA本身相关的常数。

由该厂2号线路TA试验数据可知，Eb≈Ub=274.05 V，此时对应的励磁电流i=0.104 6 A,当励磁达到0.104 6 A时铁心开始饱和，根据以上A相TA的励磁电流的公式计算可知，当t≈58.99 ms时A相励磁电流约为0.104 6 A ，TA开始饱和。理论近似计算与从录波数据上得出的结论基本一致。TA饱和后，TA励磁电感大幅减小，二次电流中的非周期分量衰减变快，稳态周期分量幅值也大幅下降。

非同期合闸时，2号线路电流中的稳态电流倍数远远小于TA的准确限值系数，TA二次负荷也小于额定负荷，2号线路TA出现饱和的原因是由于TA励磁电流中包含较大的非周期分量。

由TA饱和前励磁电流公式的分析可知，励磁电流的非周期分量与一次系统时间常数T1、二次回路的时间常数T2有关，T1越大，强制和自由非周期分量的起始值越大；T2越大，强制和自由非周期分量的起始值越小，饱和系数Kb越大，TA达到饱和的时间越长。

3 误上电保护动作分析

以案例1B电厂2号发-变组误上电保护为例进行分析。

3.1 误上电保护配置

误上电保护逻辑框图见图2，其中Iset、Uset、fset分别为误上电保护的电流、电压、频率的整定值；t为断路器触点断开时间延时(与低频和低电压延时相同)；t1为断路器触点断开消失后该信号的返回时间(展宽时间)；t2为低频、低压信号返回后的该信号的延时返回时间(展宽时间)；t3为误上电保护动作整定延时。误上电保护模拟量取发电机机端三相电压、机端或中性点三相电流。误上电时断路器由开到合，发电机定子绕组出现电流，因此可用电流元件作为保护判据之一。

图2 误上电保护逻辑框图

误上电保护在发电机解列后自动投入运行，并网后自动退出。误上电保护误上电后频率、电压延时返回的作用是保证可靠跳闸。Ige、Uge分别为发电机的额定电流和额定电压，误上电保护的整定值：Iset=50%Ige；Uset=50%Uge；fset=48 Hz；t=0 s；t1=1.0 s；t2= 0.8 s；t3=0.1 s。

3.2 误上电保护动作分析

从录波数据分析可知，发电机电流波形偏向时间轴一侧，波形对称性完好，TA没有饱和。根据电流波形分析，在非同期起始阶段，发电机定子电流的交流达到5.6倍额定电流，机端电压降至10 V；120 ms电流交流分量衰减到4倍额定电流，电压上升到19 V。

录波数据完全满足误上电保护动作逻辑：故障电流远远大于误上电过流整定值Iset，电流条件满足；非同期合闸过程中断路器常开辅助触点由打开变为闭合，断路器辅助触点条件满足；合闸后机端电压二次值降低到19 V左右，远低于50 V的定值，电压条件满足；因此，误上电保护可靠动作。

对于两侧电势角度差较大(例如：在180°附近)的非同期合闸事故，冲击电流很大，保护应快速动作。此时，除误上电保护能够动作外，发电机的一些后备保护和异常运行保护(例如：记忆过流保护、定子过负荷保护、阻抗保护、逆功率保护、失步保护等)也可能会启动，但这些保护动作延时较长，不能快速动作切除故障，而且有的保护在系统振荡过程中存在返回的风险，并不能真正对非同期事故起到保护作用。

4 措施探讨与建议

大型机组非同期合闸事故引起的冲击电流除流过事故机组外，还将流入相邻机组和电网，对电网、本机组和相邻机组都将产生非常不利的影响，甚至会造成发电机等设备损坏，必须采取必要的措施防止发生非同期合闸。非同期合闸产生的冲击电流对差动保护来说全部为穿越性电流，具有区外故障特点，电流中含有大量的非周期分量，导致TA进入暂态饱和状态，为此也要采取措施防止相邻机组的保护误动。

a. 重视同期回路。非同期并网虽属于小概率的事件，但其影响大，必须制定具体的技术和管理要求。严格按照《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中防止发电机损坏要求安装同期鉴定闭锁继电器，同期装置所取的同期电压与闭锁继电器的同期电压取自TV不同的二次侧。

b. 选择暂态特性良好的TA。尽量使用变比较大的TA，减小TA的二次负载，在相同的准确级下，一般变比越大，其拐点电压越高，同时减小二次负载，则饱和系数Kb和T2越大。如果有条件，最好选择具有暂态饱和能力的TA。

c. 在保护程序上采取“附加制动”判断TA饱和。部分保护生产厂家利用TA饱和有延时这一特点完善防止TA饱和误动的措施。

d. 合理设定差动保护定值，提高主变差动保护防电流互感器饱和的耐受能力。可在保证差动保护灵敏度的前提下，适当提高差动保护的启动值(建议不超过基准侧额定电流的0.6)；减小二次谐波制动系数,根据 DL/T 684-2012 《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》，本文案例的主变差动二次谐波制动系数整定为0.18，如降低至0.15(建议不小于0.15)，可能会避免本次误动。

e. 重视大机组误上电保护的配置和整定[3-7]。非同期合闸时，非同期机组必须依靠误上电保护从系统中快速切除。案例二中误上电保护快速切除机组，确保了非同期机组发生时快速切除非同期并网机组，确保大型设备的安全。