纵向零序电压保护及其误动原因简析

谢勇,马晶晶

(华能玉环电厂,浙江玉环 317604)

0 引言

发电机定子绕组匝间保护作为主设备发电机故障的主保护之一,其重要性是不言而喻的。一般来说,定子绕组匝间绝缘较对地绝缘强度高,但往往会因为线棒变形、振动造成长期受热和绝缘老化而引起匝间短路。匝间短路时,就会出现纵向零序电压和纵向负序电压。另外,匝间短路时短路处的电流非常大,可能会超过机端三相短路电流。因而,大中型发电机组装设匝间短路保护显得尤为重要。匝间保护目前主要包括横差保护和纵向零序电压匝间保护。对于双星形接线中性点引出6个端子的发电机组,通常装设单元件式横差保护;而对于中性点只引出3个出线端子的发电机组,则只能装设纵向零序电压保护。国内的大中型发电机由于定子绕组的接线原因大部分仍采用纵向零序电压匝间保护,此外,在现代的微机保护中还采用工频变化量匝间保护。

1 纵向零序电压匝间保护构成原理及定值整定

1.1 保护构成及基本原理

纵向零序电压原理构成的匝间短路保护可应用于各种发电机组,尤其是中性点没有引出三相六端子的发电机。当前的保护方式大都为由负序功率方向闭锁的纵向零序电压匝间短路保护。其原理接线图如图1所示。在图1中,TV0是专用的全绝缘电压互感器,TV1是普通的电压互感器。TV0的一次绕组中性点与发电机中性点通过高压电缆连接起来而不接地。所以,TV0的二次绕组不能用来测量相对地电压,其开口三角绕组接具有三次谐波滤过器的高灵敏零序过电压继电器。在发电机内部发生匝间短路或中性点不对称的各种相间短路时,会产生对中性点的纵向零序电压,当开口三角绕组输出电压达到整定值时,保护动作出口。

图1 纵向零序电压保护原理结构图

1.2 保护定值整定

纵向零序电压匝间保护的定值在现场整定中一般包括3个部分,即纵向零序电压定值,专用TV0断线闭锁元件的定值,负序功率方向元件的定值。纵向零序电压定值实际的整定中,国产的125MW汽轮发电机组,可取5～10V,国产的200MW及300 MW的汽轮发电机,可取2.5～3V。三次谐波滤过器滤过比要大于80。专用TV0断线闭锁元件的定值主要指专用TV0与普通TV同名相之间的二次电压差值ΔUAB,ΔUBC,通常整定为:压差ΔUAB=ΔUBC=10V;负序电压(相电压)U2=8～10V。负序功率方向元件的定值一般指动作行为是允许式或禁止式,外部系统不对称短路时负序功率由系统流入发电机(反向功率),内部和匝间短路负序功率由发电机流向系统。对于单星性接线的中小型机组,由于匝间短路时产生的负序功率较大,动作方式为允许式。对于双星性连接的大型机组,匝间短路时产生的负序功率较小,动作方式为禁止式。国内微机型的纵向零序电压匝间保护,由于动作灵敏度高,负序功率方向元件一般采用允许式,可防止任何原因(如TV0三次回路出现问题)造成保护误动。GE公司的发变组保护中负序功率方向元件为闭锁元件,采用“负序方向过流1反向”闭锁纵向零序电压元件动作,由于在切除外部不对称短路时,机端负序功率的突变会引起负序方向元件误动,为安全起见,增设0.1s延时元件。

2 纵向零序电压匝间保护误动原因及预防

2.1 纵向零序电压匝间保护二起误动事故简析

(1)某电厂1台125MW的机组,其纵向零序电压匝间保护包括零序电压元件LLY-3型继电器,电压断线闭锁元件LB-5继电器。没增设负序功率方向元件。

该电厂当日机组带负荷115MW,匝间保护在机组正常运行时突然动作跳闸,发电机负荷降为零。相关人员对发电机本体及相应的一次设备进行检查后,没有发现故障现象。由于该厂没有将TV0的电压回路接至发变组故障录波器,无法查看故障时的波形。但继电保护人员在测量TV0一次侧的熔丝时,发现A相的熔丝已熔断。熔丝熔断后,断线闭锁元件应该动作闭锁保护出口,那么,是不是断线闭锁继电器存在什么问题呢?继电保护人员对LB-5继电器检验后,各项数据均合格,LLY-3继电器及其动作回路也正确。到底是什么原因造成保护误动的呢?后来,某厂保护人员与浙江省电力试验研究院有关人员砸开熔断器,终于找出了问题的症结所在,该熔断器的结构如图2所示。

图2 熔断器结构图

图2 中圆圈处为熔断器熔断点,经过分析,认定问题就在熔断器里,当熔断器熔丝熔断时,由于熔丝无弹性,熔断点两端之间的距离很近,故发电机的一相电压可从熔断点的一端经石英沙棒的介质电阻串至另一端,呈现的结果不是TV一次断线,而是TV一次的一相回路中串入1个较大的电阻,该相的电压并不能降为零,只是使电压降低。从而导致三相电压发生不平衡,在TV开口三角绕组及二次产生一不平衡电压。由于断线闭锁的动作值较大(10 V),不会动作出口,而匝间保护的动作电压较小,从而动作于出口。

(2)某电厂1台200MW汽轮发电机,发变组配置全套整流型保护。在运行中,因220kV侧线路发生瞬间接地故障,发电机匝间保护发生误动切机,专业人员现场检查没有发现任何的异常现象。后在录波器录到的电压波形看到,当线路发生单相接地故障时,开口三角输出的零序电压为5～6V,而匝间保护的动作整定电压为3V,在线路发生单相接地时,专用TV开口三角形两端又怎么会出现那么大的零序电压呢?依据对称分量法分析,主变压器高压侧发生接地故障时,发电机系统内应不会产生出现零序电压。但是,由于发电机三相对中性点存在着不平衡。当Yn,d接线的主变压器高压侧发生单相接地故障时,发电机回路只有两相出现短路电流,由于电枢反映的不对称,加大了定子电压三相对中性点的不平衡度,从而在专用TV开口三角中出现零序,加上定子匝间保护的整定动作电压只有3V,故保护误动。之后,专业人员发现匝间保护没有加装负序功率方向元件,增加反映内部故障的负序功率方向元件之后,只有当纵向零序电压元件与负序功率方向元件同时动作时,保护才会动作出口。运行实践表明,改进过的匝间保护再没有发生不正确动作的现象。

2.2 纵向零序电压匝间的误动原因及防止措施

从上面的事例可以看出,在发电机外部发生短路故障或熔丝熔断及接触不良极易造成保护装置误动,引起保护误动的原因还有很多。结合现场运行经验和理论分析,零序电压保护误动的原因及防止措施主要包括以下5个方面:

(1)发电机外部发生短路故障的暂态过程出现误动,这一点在一些没装设负序功率方向闭锁的零序电压匝间保护的机组上误动比例较高。防止措施:增设负序功率方向闭锁功能或将保护改为性能可靠动作灵敏度高的微机保护,同时,还应注意在外部故障切除时负序方向元件与纵向零序电压元件之间的触点返回时间不一致的问题。

(2)专用互感器TV0的一次或二次熔丝发生熔断或接触不良导致误动。防止措施:必须使用性能良好的断线闭锁继电器及熔丝。同时,在现场要加强对熔丝的维护,开机前应该先测量一下熔丝上、下端电阻,看三相是否平衡及接触是否良好,开口三角绕组二次侧装有旋式熔丝及快速小开关的应该取消。

(3)专用互感器TV0中性点与发电机中性点的电缆连接线接触不良或者是绝缘发生击穿造成定子绕组单相接地,现场中常常会忽略这一段电缆。一旦电缆接头出现松动,使二组PT的中性点不能可靠连接或者绝缘击穿导致定子绕组单相接地,将会使纵向零序电压保护误动出口或造成定子绕组接地保护动作,这些现象都是现场不允许出现的。防止措施:该段电缆必须使用高压绝缘电缆(现场往往会忽略这一点,只使用一段普通的引线连接了事),并且要定期检查该段电缆的绝缘性能、紧固电缆的联接螺丝。

(4)专用互感器TV0开口三角绕组的2根引出线不正确而造成误动。在现场实际接线中,常常会利用两端的接地线来代替其中的1根连接线,如图3所示。采用图3的接线方式,2个不同接地端会由于其他使用接地线的电源通过大电流而在2个接地点之间产生电位差,使保护误动(如使用低频大功率电焊机、带地线的试验电源等)。防止措施:正确的接线方式应该将开口三角绕组与二次绕组的N线分开,同时,用2根连接线直接放到保护屏上。再将开口三角绕组L,N用2根线引入装置或零序电压继电器上。

图3 纵向零序电压保护错误接线图

(5)电压断线闭锁继电器的动作时间与零序电压匝间保护的动作时间配合不当。由于匝间保护动作无延时,故前者的动作时间在实际中往往要大于后者的动作时间。使得在出现断相时,断线闭锁继电器来不及闭锁保护出口。防止措施:给匝间保护增加150～200ms的延时。特别是对于模拟式的保护,增加150～200ms的延时不但确保可靠闭锁保护出口,而且还有利于躲过暂态过程中的三次谐波的影响。

3 结束语

在上述的论述中,对纵向零序电压匝间短路保护的认识,也许只是管中窥豹。但值得一提的是,由于纵向零序电压匝间保护构成比较复杂,且灵敏度不高,容易发生误动,特别是近年来一些进口机组强调其定子绕组匝间短路的可能性很小而建议不装设匝间短路保护(像ABB公司以及西门子公司等进口机组)。运行实践表明,这样不利于大型发电机的安全,且国内、外都发生过匝间短路保护烧毁发电机的事故。因而在不能装设单元件横差保护的情况下,应尽量使用程序完善、性能可靠的纵向零序电压匝间微机保护,针对现场各种可能发生误动的原因,采取必要的反事故措施,提高保护的动作正确性,确保发电机安全稳定的运行,减少不必要的经济损失。

[1]王维俭.电气主设备保护继电保护原理与应用[M].2版.北京:中国电力出版社,2002.

[2]王梅义.电网继电保护应用[M].北京:中国电力出版社,2007.

[3]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京:中国电力出版社,2006.

[4]山西省电力工业局.继电保护(高级工)[M].北京:中国电力出版社,2007.

[5]毛锦庆.电力系统继电保护技术实用技术问答[M].2版.北京:中国电力出版社,2002.