大型水轮发电机出口开关失灵保护判据及优化

王贵来

（贵州黔源电力股份有限公司，贵州 贵阳 550002）

目前，大型水轮机组和1 000 MW汽轮机组普遍安装了发电机出口开关（GCB）[1，2]。安装有GCB的发电机组优点是检修时不用停运主变，开关站的接线方式完整，可靠性高；当发电机故障时，保护动作跳开GCB，主变保持带厂用变运行方式，厂用电可靠性大大提高[3-6]。安装GCB的机组常规配置有GCB失灵保护，文章结合多起失灵保护拒动案例，从发电机出口开关失灵保护动作逻辑和整定计算两个角度进行分析，提出动作逻辑及整定计算优化建议，有效提高保护动作可靠性，防止事故扩大和发电机故障损坏。

1 发电机出口开关失灵保护拒动案例

1.1 GCB内PT破裂漏液

某水电站发电机变压器组为单元接线，发电机出口有ABB公司开关HEC-7S，电压互感器（TV4、TV5）安装在开关两侧，4组电压互感器位于发电机机端。发电机出口开关靠发电机侧内布有TV4，用于励磁、调速器和同步相量测量回路。发电机出口开关内靠主变侧布有TV5，用于主变保护、计量、同期和调速器回路。2012年07月08日22：42：00，电厂5号发电机保护A、B柜发生注入式定子接地保护动作跳闸，甩527.6 MW负荷。检查原因系对发电机出口开关（GCB）靠发电机侧电压互感器B相破裂漏液，导致电压互感器绝缘值为零，发电机注入式定子接地保护正确动作出口跳发电机出口开关、灭磁开关、停机，但此时发电机出口开关并未启动。

跳闸时波形如图1所示，从图1中可以看出，跳闸时刻机端零序电压值为9.66 V，A、B、C相电压值分别为60.21 V、50.96 V、53.95 V，发电机中性点零序电流值为0.081A。该时刻机端三相电流幅值和相序基本平衡，为正常运行电流，基本无负序电流。

图1 跳闸时刻机组录波图

1.2 GCB触头传动连杆轴套磨损破裂脱落

某水电站按调度令正常解列停机过程中，发电机出口开关C相（A、B相正常分闸）因触头传动连杆轴套磨损破裂脱落未正常分闸，基波零序电压定子接地保护正确出口跳发电机出口开关、灭磁开关、停机，但发电机出口开关C相不能分开，发电机失灵保护未能正常启动，导致发电机C相长时间与系统连接并经高阻中性点接地变压器构成回路，给发电机构成较大威胁。发电机断路图如图2所示。

图2 发电机断路图

保护装置在动作时，保护装置采集到的机端电流均为0 A。保护装置在动作时，保护装置采集到的机端电压均为5.75 V（有效值）。保护装置在动作时，保护装置采集到的机端零序电压为10.1 V（有效值）。保护装置在动作时，保护装置采集到的中性点零序电压为10.13 V（有效值）。

1.3 GCB辅助连杆断裂

某电厂发电机GCB辅助接点传动杆的销钉垫片老化碎裂，辅助接点未跟随主触头动作，故障时跳闸回路无法正常出口，开关拒动，本应启动失灵保护，但因判据中引入发电机出口开关合闸位置开入，由于GCB合闸位置误判“分位”，失灵保护会拒动，事故进一步扩大。GCB处理措施如图3所示。

图3 GCB处理措施

2 失灵保护定值整定电流判据存在的问题

DL/T 684-2012要求[7]：GCB失灵保护的相电流定值按躲过发电机额定电流整定，负序电流定值按躲过发电机正常运行时的最大不平衡电流整定，失灵保护动作时间取0.3~0.5 s。

发电机有多种故障类型，如定子相间短路、定子匝间短路、定子接地、转子接地、转子匝间短路、失磁、失步、过激磁等，不同故障具有不同电气特征，有必要分析发电机发生各类型故障时，GCB失灵保护的定值灵敏度。水轮发电机故障时各类保护动作后启动失灵情况统计如表1所示。

表1 水轮发电机故障时各类保护动作后启动失灵情况统计表

发电机的差动保护、复合电压启动过电流保护按照导则整定时，发生故障时故障电流均大于失灵保护按照导则整定的定值，故能够启动GCB失灵保护。定子定时限过负荷保护设为两段，定子过负荷保护Ⅰ段为跳闸段，动作电流按躲过主变高压侧三相短路最大短路电流整定，发生故障时故障电流均大于失灵保护按照导则整定的定值，故能够启动GCB失灵保护。定子过负荷保护Ⅱ段为信号段，动作电流按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回整定，一般取1.2倍发电机额定电流，小于按照导则整定的失灵保护启动电流，不能正常启动失灵保护。

定子绕组反时限过负荷保护整定依据制造厂曲线，选择IEC反时限曲线C能满足发电机的特性，发电机额定电流的1.106倍设为启动电流。当电流高值发生反时限过负荷保护动作，且超过GCB失灵启动电流判据时，该保护能直接有效地启动GCB失灵保护。当电流低值发生反时限过负荷保护动作，且不超过GCB失灵启动的电流判据时，该保护不能直接有效地启动GCB失灵保护。发电机失磁、失步保护主保护动作后，发电机出口跳灭磁开关、GCB开关、停机，若GCB失灵，随着机组原动力、励磁电流的下降，机组进入异步电动机运行状态，机端电流最终将介于1/Xd与1/Xd′之间，水动机状态后，发电机机端电流约为3倍额定电流，失灵保护可正常启动。

发电机过激磁保护，当有功和机端电压不变，滞相时，定子电流的增大与励磁电流正相关，过励磁时的励磁电动势高于机端电压；进相时，定子电流随着励磁电流的增大而减小，欠励磁时的励磁电动势较低。而接入500 kV主系统的水轮发电机一般运行在无功进相状态，当水轮发电机组无功进相状态下过激磁时，机端电流小于额定电流，失灵保护无法正常启动；当发电机在滞相运行状态下，机端电流可能超过断路器失灵启动的电流判据。

因南瑞、南自、许继、四方等保护厂家的GCB失灵保护逻辑中均未引入零序电压判据，故90%定子接地保护（基波零序电压）、外加低频电源定子接地保护两类保护均不能正常启动GCB失灵保护（通过上述两个案例分析可知）。定子过电压保护通常取1.3倍发电机额定电压整定，无法正常启动失灵保护。发电机逆功率保护和发电机进相能力配合，一般取5%~10%额定功率整定，无法正常启动GCB失灵保护。误上电保护时，误上电电流建议按大于1.3倍额定电流整定，发生故障时可正常启动GCB失灵保护。

3 GCB失灵保护优化建议

近年来，国内专家对GCB失灵保护存在的问题已有充分认识，并提出多种改进方案。改进方案的重点是取消GCB合闸位置判据、降低相电流定值和增加辅助判据。

南瑞继保PCS985GW装置GCB失灵保护动作逻辑如图4所示，国电南自GCB失灵保护动作逻辑如图5所示。

综合上述保护动作后启动失灵情况，笔者认为应从两个方面着手优化：①将取消GCB合闸位置判据、降低相电流定值。中国南方电网有限责任公司企业标准《大型发电机变压器继电保护整定计算规程》失灵保护原则二中规定可按照0.2~0.3 Ie整定，时间按0.3~0.5 s整定。失灵保护应按两时限整定，第一时限0.3 s跟跳GCB，第二时限0.5 s联跳主变，失灵保护一时限误动，不会扩大动作范围。②在保护启动逻辑中增加零序电压启动保护逻辑，定值按照定子接地保护定值整定，可有效防止定子接地或GCB机械故障时，GCB失灵后给发电机带来的威胁。

图4 南瑞继保GCB失灵保护动作逻辑

图5 国电南自GCB失灵保护动作逻辑