浅析沙湾水电站 220 kV断路器非全相保护的完善

杨森林, 陈红兵 , 刘 林

(1.四川圣达水电开发有限公司,四川 乐山 614900;2.四川电力送变电建设公司调试所,四川 成都 610051)

沙湾水电站位于四川省乐山市沙湾区葫芦镇,为大渡河干流下游梯级开发中的第一级电站,总装机容量为 4×120 MW。电站电气主接线为两机一变扩大单元式接线,220 kV设单母线,两回进线,两回出线,全部电能送入四川主网。220 kV线路配置双重化主保护及后备保护,线路断路器除启用本体非全相保护外,同时还启用双重化的断路器非全相保护;主变压器除配置相应的变压器保护外,高压侧断路器还启用本体非全相保护,但未启用断路器非全相保护。笔者重点针对沙湾水电站变压器高压侧断路器非全相保护进行了介绍。

1 断路器非全相运行状态及保护原理

在运行中,当断路器(包括母联断路器)的一相断开时,将出现断路器非全相运行。非全相运行将在电力系统中产生负序电流,负序电流将危及发电机及电动机的安全运行。因此,切除非全相运行的断路器(特别是发电机——变压器组的断路器),对确保旋转电动机的安全运行具有重要意义。断路器非全相运行保护是根据非全相运行时的特点(三相断路器位置不一致及产生负序电流及零序电流)构成的。发电机变压器非全相运行保护的逻辑框图见图 1。

图1 发电机-变压器断路器非全相运行保护逻辑图

由图 1可以看出:当断路器三相不一致(即出现非全相运行)时,综合触点 K闭合。此时,若流过断路器的负序电流或零序电流大于整定值时,非全相保护动作,经短延时 t1去跳非全相运行断路器;若断路器未跳开,非全相运行仍然存在,则保护以延时 t2去解除失灵保护的复合电压闭锁,并经延时 t3去起动断路器失灵保护。另外,为确保发电机的安全,在发现断路器非全相运行时,应首先采取减少发电机出力的措施。特别需要指出的是,根据“反措”要求,断路器非全相运行保护应优先采用断路器本体内设置的非全相运行保护[1]。

2 启用保护装置非全相保护的必要性

20世纪 60～70年代,非全相运行保护及非全相失灵保护在国内尚未达成共识。20世纪 80年代开始,电厂频繁出现机组的非全相运行并造成大型发电机组转子严重损坏的事故[2]。2008年 9月 11日,四川电网 500 kV石棉变电站因 220 kV GIS内部控制电缆(厂家配供)绝缘严重下降而导致 2#主变 220 kV侧 202断路器 A相偷跳,断路器本体非全相保护未动作,由非全相运行所引起的零序电流达到约 600 A,从而导致石棉变电站 1#、2#主变的公共绕组零序过电流保护(定值 250 A,3.5 s)动作使两台主变三侧断路器跳闸。由于沙湾水电站 220 kV变压器高压侧断路器采用的是分相操作的断路器,在短期内无法改造为三相联动操动机构断路器,从而大大增加了出现非全相运行的机率。根据近年来对 220 kV及以上电网的运行进行统计分析,三相操动机构断路器出现非全相运行的事件也时有发生,如在操作过程中发生一相绝缘拉杆断裂或某相液压回路故障时,同样会出现非全相运行状态。因此,针对沙湾水电站变压器高压侧断路器的现状,对非全相运行保护进行完善是非常必要的。况且,在500 kV石棉变电站发生断路器机构本体非全相保护拒动引起两台主变跳闸的事故后,四川电网专门发出通知,要求:(1)220 kV及以上电压等级分相操作的断路器本体和线路(或断路器)保护均应配置非全相保护并同时启用,动作时间应整定相同;(2)220 kV以上的主变、母联、分相等要求三相联动的断路器如果配置的是三相电气联动断路器,其本体非全相保护动作时间应整定为 0.5 s,变压器保护配置的非全相保护应同时启用;对于配置了非全相保护的、但回路未接线的应尽快完善并启用。因此,对沙湾水电站两台主变高压侧断路器非全相运行保护进行完善势在必行。

3 启用保护装置非全相保护的可行性和完善方案

根据对沙湾水电站主变高压侧断路器进行核实,发现断路器汇控柜内具有备用的断路器辅助接点信号端子,同时发现由许继电气提供的 WFB-802微机变压器保护装置具有非全相保护功能,但尚未启用和完成接线。从以上保护装置和断路器具有的条件看,已有装置满足启用保护装置非全相保护的可行性要求。因此,按图 2的方式将主变高压侧断路器辅助接点组合为三相不一致综合接点接入保护装置非全相开入端子 5X22,并整定计算非全相零序电流定值、负序电流定值和时间定值,启用了针对主变高压侧分相操作断路器的非全相保护。

3.1 非全相保护零序电流 3I0.OP的计算

主变压器非全相运行时,3I0约为正常相电流的 2倍(主变压器中性点直接接地且单相运行或两相运行时)。当使用零序电流判据时,零序过电流动作元件动作电流为:

图2 沙湾水电站主变高压侧分相操作断路器非全相运行保护完善方案逻辑框图

3.2 非全相保护负序电流 I2.OP的计算

(1)按变压器两相运行具有足够的灵敏度计算。变压器中性点接地全负荷运行时,断路器断开一相后,负序电流仅为额定电流的 23.4%,发电机在 50%负荷两相运行时的最小负序电流仅为 11.7%,因此有:

(2)按躲过正常允许最大负荷电流计算,即:

式中 I*2∞为发电机长期运行负序电流允许的相对值;Krel为可靠系数,一般取 1.15;Kre为返回系数(微机保护一般取 Kre=0.95,模拟型保护取Kre=0.85);Ig.n为发电机额定二次电流(A)[2]。

沙湾水电站非全相运行保护按躲过正常运行时最大负序电流及非全相时有足够的灵敏度计算:

3.3 跳本断路器的时间

主变高压侧分相操作断路器非全相运行保护动作跳本断路器时间按照四川电网要求,取:

4 结 语

对 220 kV及以上电压等级断路器而言,不管是分相操作断路器,还是三相联动操作断路器都有发生非全相运行的机率。由于非全相运行会危及发电机和电动机的安全运行,也会影响电网安全稳定运行,必须对其给予足够的重视,在做到断路器本体和保护装置同时启用断路器非全相运行保护的情况下,合理的保护定值整定也是保证电网及设备安全的重要因素。

[1]江苏省电力公司,编著.电力系统继电保护原理与实用技术[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2]高春如,编著.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,2005.