大容量冲击短路试验发电机组继电保护方案

丁锦华,苗本健,李赛赛,杨仁旭,郭向荣

(广东产品质量监督检验研究院,广东 广州 510330)

0 引言

大容量实验室的试验电源通常有2种方式,一种由电网提供,另一种由冲击短路发电机提供。如果电源由电网提供,大容量短路试验时会对电网产生冲击,影响电网运行安全。因此,大容量实验室为避免试验时对电网产生冲击,通常采用冲击短路发电机作为试验电源,由于冲击短路发电机价格昂贵,如果操作失误或出现故障,会出现过电流或过电压等情况,发电机损坏造成巨大经济损失[1-2]。因此需要配置继电保护装置,在发电机出现故障时进行动作保护。

冲击短路试验发电机不同于常规火电厂发电机和水轮发电机,具有带载运行时间短、有强励磁功能、短路容量远大于标称容量、短路电流直流分量大等特点,常规发电机继电保护方案需要做一定调整,且常规电磁式电流互感器具有体积大、暂态性能不足、容易磁饱和等特点,并不适合用作大容量冲击短路试验发电机保护电流互感器[3-4]。针对以上问题,本文通过描述冲击短路试验发电机的主要故障及相应继电保护原理,分析了全光纤电流互感器特点,设计了适用于冲击短路试验发电机的继电保护方案,并以额定容量100 MVA冲击短路试验发电机为例,详细分析了全光纤电流互感器的发电机差动保护、定子过负荷保护、转子接地保护参数整定方式。

1 发电机组主要故障类型

1.1 定子绕组故障

定子绕组故障包括定子绕组相间短路、定子绕组匝间短路、定子绕组单相接地3种情况。大容量、高电压发电机定子绕组绝缘性能不足或机组运行对匝间绝缘造成磨损时,会造成绕组相间短路、匝间短路、绕组接地等故障隐患。当定子绕组出现以上故障时,产生电流相对较大,会导致铁心发生局部融化现象[5-6];同时,该故障产生的不均匀磁场会使磁力作用大小不一,从而导致发电机组振动。

1.2 定子过压、过负荷故障

当运行中的发电机突然甩掉负荷时,由于转子旋转速度增大及励磁装置动作等原因,发电机机端电压将升高,至额定值的1.8～2倍,造成发电机绝缘受到损坏[6-7]。发电机过负荷的原因包括励磁系统强励和发电机输出回路阻抗变小,虽然发电机具有一定过负荷能力,当出现输出回路意外短路等情况,导致发电机定子电流增大超过定子绕组承受值,长时间过负荷会造成绕组温度过高、绝缘击穿,轻则缩短寿命,严重时可造成绕组短路、烧毁。

1.3 转子接地故障

发电机转子涉及励磁系统和发电机转子本身,多是由于绝缘问题造成发电机转子接地故障。转子1点接地在发电机故障中较为常见,接地后不会对转子造成实际损伤;但如果发生2点接地,故障电流会由接地点经过铁心构成回路,转子将会因接地短路电流过大而面临烧毁风险。同时转子绕组部分被短路,会使转子磁通分布不平衡,引起机组振动而损坏发电机[8-9]。

2 发电机组继电保护原理

2.1 差动保护

发电机定子绕组故障一般采用差动保护方式,包括完全纵差保护、不完全纵差保护、裂相横差保护等类型。通过引入机端电流互感器和中性点双分支电流互感器的3组电流来完成发电机差动保护。发电机比率差动保护动作特性采用传统二折线方式实现,如图1所示。

图1 差动保护动作特性

图1中,Id为差动电流;Ir为制动电流;Icdqd为差流门槛定值;Icdsd为差动电流速断定值;K为比率制动系数定值;Ir1为比率特性拐点制动电流整定值。

动作方程如下：

(1)

发电机差动速断保护采用分相差动逻辑,该保护为加速切除严重区内故障而设定,为避免机组非同期合闸时的最大不平衡电流,其整定值一般为3～4倍额定电流。

2.2 定子过压、过负荷保护

发电机定子过压保护反映于发电机各种故障情况下引起的定子过电压,取发电机机端电压互感器的三相线电压最大值Umax,可Umax设置两段保护,当大于保护定值时动作。

发电机定子过负荷保护主要针对过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流异常工况保护,反映定子绕组的平均发热状况,保护动作量取发电机机端最大相电流,由定时限过负荷和反时限过流2部分组成。定时限过负荷设1段跳闸保护,当三相电流最大值Imax大于定时限设定值Iop时进行动作保护;反时限过流按定子绕组允许的过流能力来整定,其动作特性,即过电流倍数与相应允许持续时间的关系为

(2)

式中：Ktc为定子绕组过负荷常数(以机组厂家提供参数为准);In为发电机定子二次额定电流Ign为基准的标幺值;Ign为发电机系统参数;t为持续时间;a为与定子绕组温升特性和温度裕度相关的散热效应系数,一般整定值为0.01～0.02。

动作特性曲线由上限定时限、反时限、下限定时限3部分组成,定子过负荷反时限动作特性如图2所示。

图2 定子过负荷反时限动作特性

当发电机电流大于上限定值Iup时,则按上限定时限t3(最短延时)动作;当电流超过下限启动值Idn,但又不足以使反时限部分动作时,则按下限定时限t4(最长延时)动作;电流在Idn和Iup之间时则按反时限曲线动作,设置三段保护,分别动作于不同断路器。

2.3 发电机转子接地保护(乒乓原理)

发电机转子接地保护原理是通过计算转子不同位置对地电阻值的变化来判定转子是否接地及接地位置,主要分为非注入式和注入式2类。非注入式主要有乒乓式转子接地保护,用于检测发电机在运行状态下接地故障,但在机组停机状态下无法检测转子接地故障;注入式包括直流电压注入式、交流电压注入式、方波电压注入式、直流注入切换采样式。无论发电机在停机还是运行状态都能正常发挥保护作用,且灵敏度不受运行状态影响,能最大限度保护发电机安全。

乒乓式开关切换原理通过求解2个不同的接地回路方程,实际计算转子接地电阻和接地位置,如图3所示。其中,S1、S2为微机控制的静态联动电子断路器;Rf为转子绕组接地电阻;a为接地点位置;E为转子励磁直流电动势。当S1闭合、S2断开时,可测得E2和R1上的电压U1;当S1断开,S2闭合时,可测得E2和R1上电压U2,由这2种状态列回路方程可求得接地电阻Rf和接地位置a的值。

图3 转子1点接地保护原理

转子1点接地判据为Rf小于等于保护定制Rfset。由于励磁电压很小时,不可能正确计算Rf和a的值,因此可以设定,当E小于30 V时闭锁判据。转子1点接地保护设2段动作值,Ⅰ段灵敏段动作于报警,Ⅱ段普通段可由控制字选择动作信号或者跳闸。

3 发电机组继电保护系统方案

本文以额定容量100 MVA冲击短路试验发电机组为工程案例来研究发电机组差动保护、过压过流保护、转子接地保护配置方案。发电机额定电压为12 kV,选用PRS-785A3型微机成套保护装置,发电机组继电保护系统如图4所示。

图4 大容量冲击短路试验发电机组继电保护框图

3.1 保护用电流互感器配置及整定方案

由于大容量冲击短路试验发电机组的一次时间常数较大,对暂态性能要求较高,普通电磁式电流互感器无法满足要求,且短路时存在的直流分量容易引起电流互感器饱和,造成电流波形失真、保护装置误动作,因此选用全光纤电流互感器作为差动保护和过负荷保护电流互感器[10-11]。全光纤电流互感器基于法拉第磁光效应及安培环路定理,通过干涉仪精密测量及闭环控制技术,准确测量Faraday旋光角,从而测量一次电流[12-13]。其具有体积小、重量轻、无磁饱和及铁磁谐振、动态范围大、低频传变特性好、可数字量或模拟量输出、安全且绿色环保等优点,且传感部分为无源光缆,抗电磁干扰能力强[14],更能适应发电机组保护需求,如图5所示。通过定制模拟量输出的信号处理单元,无需经过合并单元,直接与保护装置相连,提高了测量精度和抗干扰能力。

图5 全光纤电流互感器结构

3.2 差动保护配置及整定方案

差动保护用机端三相电流互感器和中性点三相电流互感器均为全光纤电流互感器,如图6所示,全程测量精度为0.2级,模拟量输出,一/二次变比为150 kA/1 A。由于各相全光纤电流互感器转换时间不同,造成各相存在差动电流,会对差动保护准确性造成影响[15]。为避免此种情况,6台光纤电流互感器转换通道采用同一时钟,每通道时钟差最大为20 ns,两通道之间转换时间最大差值为100 ns,对应电流角度差为0.02°,时钟差引起的差动电流可忽略不计。各通道转换延长时间最大为50 μs,对应电流角度差为0.9°,转换延时引起的差动电流为0.016倍短路电流。

图6 发电机机端三相电流互感器

差动保护参数设置依据文献[7],发电机二次额定电流Ign表达式为

(3)

式中：PN为发电机额定功率;UN为发电机额定相电压;IGN为发电机一次额定电流;Ign为发电机二次额定电流;cosφ为发电机额定功率因数;nɑ为全光纤电流互感器变比。

差动保护最小启动电流,即差流门槛定值Icdqd,按正常发电机额定负荷时的最大不平衡电流整定,包括因全光纤电流互感器转换延时造成的差动电流,其表达式为

Icdqd≥Krel(Ker+Δm)Ign

(4)

式中：Krel为可靠系数,取1.5～2.0;Ker为电流互感器综合误差,取0.2;Δm为装置通道调整误差引起的不平衡电流系数,取0.02。

发电机短路容量远大于标称容量,Krel取上限值2.0,可得差流门槛定值Icdqd≥0.44Ign;拐点电流Ir1=(0.7～1.0)Ign;差动速断电流Icdsd=(3～5)Ign;比率制动系数K取值范围为0.5～0.7,在此可取值为0.6,保护类型和动作方案如表1所示。

表1 保护类型和动作方案

3.3 定子过压、过负荷保护配置及整定方案

定子过负荷保护用三相电流互感器同样采用全光纤电流互感器,分为定时限过负荷保护和反时限过流保护2部分组成。

a.定时限过负荷保护

由于冲击短路试验发电机组主要用于进行短路故障试验,短路容量远大于标称容量,因此整定值不再按发电机长期允许的条件整定,而是根据短路故障试验条件整定,可根据具体试验条件修改。

b.反时限过流保护

反时限过流保护上限电流Iup按机端金属性三相短路条件整定：

(5)

反时限动作特性的下限电流Idn按与过负荷保护配合的条件整定：

(6)

式中：Kco为配合系数,取1.0～1.05。

根据发电机厂家提供的参数可得出反时限相应整定值,同时还要考虑试验回路耐受电流条件,综合设定保护定值。定子过压保护用机端三相电压互感器采用电磁式,一次侧/二次侧采用Y/Yn接法。

3.4 转子接地保护配置及整定方案

发电机转子接地保护由微机保护装置和安装在励磁柜内的电流互感器组成,如图7所示,微机保护装置引入转子绕组直流电压、直流电流、转子大轴和接地信号,通过内部判断程序(乒乓原理)实时检测转子绕组接地阻值。当检测到转子1点接地后进入普通段报警动作,经过内部延时后自动投入2点接地保护程序,若此后再次发生转子接地故障,测得接地位置将发生变化,装置判定转子出现2点接地故障。

图7 转子接地保护接线示意图

4 结语

本文结合大容量冲击短路试验发电机组特点,设计了满足冲击短路试验发电机要求的继电保护方案。方案采用全光纤电流互感器作为发电机差动保护、过负荷保护用电流互感器,避免了常规电磁式电流互感器体积大、暂态性能不足、容易磁饱和等缺点,使用定制模拟量输出的信号处理单元,无需合并单元等中间环节,减少了信号延迟,提高了测量准确性和抗干扰能力。