变电站主设备继电保护存在的问题及对策

2011-11-09李林

中国新技术新产品 2011年16期

关键词：差动励磁互感器

李林

（重庆市电力公司检修分公司，重庆 400039）

1 变压器纵差保护

变压器纵差保护是变压器内部短路故障的主保护，其构成逻辑包含3部分：具有比例制动特性的差动元件；涌流闭锁元件；差动速断元件。单相差动保护逻辑示意图如图1所示。

图1 变压器差动保护(单相)逻辑示意图

在变压器纵差保护中，设置涌流闭锁元件的目的是为了躲过励磁涌流。涌流闭锁元件的作用是根据变压器励磁涌流的特点识别励磁涌流，从而判断差流回路的差流是由变压器内部故障产生的还是由变压器的励磁涌流产生的。若差流是励磁涌流产生的，便将差动元件出口闭锁。否则开放差动元件出口。

变压器纵差保护采用涌流闭锁的缺点是：当变压器内部发生严重故障.差动电流互感器饱和时，其二次电流(即差动元件的差流)具有变压器励磁涌流的某些特点，易被涌流判别元件误识别成励磁涌流，将差动元件闭锁，从而使差动保护拒动或延时动作，严重损坏变压器。

为此.在差动保护中设置不受涌流闭锁的差动速断元件.以确保保护在变压器内部发生严重故障时，快速切除变压器。为了能躲过变压器的励磁涌流，差动速断元件的动作电流很大，通常为变压器额定电流的6～8倍。差动速断元件有动作延时，一般为10～25 ms。

分析表明，当变压器内部严重故障时，如果电流互感器饱和严重，饱和电流互感器一次电流和二次电流如图2所示。

图2 严重饱和时电流互感器电流波形

由图2可以看出：饱和电流互感器虽然一次电流波形为正弦波，但二次电流却为间断波。二次电流的有效值大幅减小。因此，当变压器内部严重故障时，如果电流互感器饱和，由于其二次电流大幅减小，而差动速断元件的动作电流很大。此时的差流可能小于差动速断的动作电流。差动保护会拒动。为防止差动元件拒动，应采取以下措施：

a.在整定计算时，应根据变压器容量、结构、特点及距电源的远近，在能可靠躲过励磁涌流的前提下，尽量减小差动速断元件的动作电流。

b.采用同步识别原理，对差动速断元件加动作记忆延时。

在故障瞬间。电流互感器不会立即饱和.通常延时3～4ms才饱和。根据这一特点。可采用差动速断元件动作记忆措施。当变压器内部严重故障时。

在变压器电压发生突变的同时。流经差动元件的差流开始很大。差动速断测量元件动作，并将动作记忆20～30ms。此时，差动速断元件逻辑构成如图3所示 (图中，Idzh为差动速断元件动作电流；△U为变压器电压工频变化量：t为记忆延时)。

图3 改进后差动速断元件逻辑构成示意图

2 自并励发电机复压闭锁过流保护

所谓自并励式发电机,是指发电机的转子电流(励磁电流)由发电机定子回路提供。自并励发电机励磁系统接线示意图如图4所示(图中，TP为励磁变压器，ipb为励磁电流)。由图4可以看出，发电机正常运行时，其励磁电流由接在发电机机端的励磁变压器作为励磁电源提供，即变压器二次侧电流经晶闸管整流系统变成直流，为发电机转子绕组提供励磁电流。

图4 自并励式发电机励磁系统示意图

发电机的复压闭锁过电流保护，既作为发电机相间短路的故障后备保护，又作为相邻线路的相间短路的后备保护，因此其动作时间较长。

由于发电机复合电压闭锁过流保护的动作延时较长，因此。对于自并励式发电机，为防止机端三相短路时。过电流元件先动作(故障瞬间)，然后由于励磁变电压为零而失去励磁电压，励磁衰减而后返回 (因转子电流衰减)，致使该保护拒动，故在电流元件动作后记忆一定时间t2(如t2>t1)，以确保该保护可靠动作。

运行实践表明：对于与系统联系阻抗较大的发电机特别是水轮发电机，当与系统连接的某一条线路故障而被切除之后.由于发电机的频率及三相电压的升高，复压闭锁过流保护经常误动。通过测量及分析，下文说明保护误动的原因。复合电压中负序电压的动作整定值.是按在相邻线路末端两相短路有灵敏度(即灵敏度系数≥1.3)来整定的。其动作值通常较小(二次动作电压一般为6～8V)。

当发电机变压器组与系统连接线路上故障时，发电机复合电压闭锁过流保护中的电流元件动作并瞬时记忆住动作状态。此后，线路主保护动作，切除线路。在输电线路被切除后，由于发电机功率过剩将使其频率升高。同时三相电压有不同程度升高，三相不对称度增加。频率的升高及三相不对称度增大，造成负序电压元件测出的负序电压增大，致使其动作。

此时，由于过电流元件在动作状态，而负序电压元件也动作，保护经延时t1，后动作，切除发电机。

为解决以上问题，现提出以下对策：对复合电压闭锁过电流保护中的过电流元件设置2个定值，即高定值和低定值。当故障电流超过高定值时。电流元件动作并将动作记忆延时时间t2。当故障电流大于低定值而小于高定值时，电流元件动作，但不记忆动作状态。改进后的复合电压闭锁过电流保护逻辑框图如图5所示 (图中，Ioph>为过电流元件高定值；Iopl>为过电流元件低定值；U<为低电压元件；U2>为负序电压元件；t1，为出口延时；t2为电流元件动作记忆延时)。

过电流元件的高定值可按机端三相短路电流的90%来整定，而低定值可按额定电流的1.3～1.4倍来整定。记忆延时t2=t1+△t，△t为时间级差，取 0.3～0.5s。

图5 改进后的复压闭锁过流保护

4 零序电压式定子接地保护

目前，基波零序电压定子接地保护在发变组上得到了广泛应用。该保护的接入回路，通常接入发电机机端电压互感器三次的开口三角形电压(即3Uo)。另外，为了防止电压互感器一次断线时的保护误动，必须设置TV断线闭锁元件。该保护装置的逻辑框图如图6所示。

图6 零序电压式定子接地保护逻辑框图

运行实践表明，按上述框图构成的零序电压式定子接地保护曾多次误动。检查发现，误动多发生在一次熔断器为石英砂棒式熔断器熔断时。石英砂棒式熔断器的结构示意图如图7所示。

图7 石英砂棒熔断器结构示意图

该熔断器熔断时，由于熔丝无弹性及固定在石英沙棒上，在熔点两侧的熔丝未拉开，其距离很短。

这样，在TV一次输入端高电压便通过熔丝熔点间的石英沙棒表面及熔丝另一端加在电压互感器的一次侧。这相当于发电机一相电压通过一个电阻加到电压互感器的一次侧,致使电压互感器感受到的三相一次电压(对TV一次中性点电压)不相等,从而在其开口三角形输出产生零序电压。

运行实践及测量表明,当石英沙棒式电压互感器一相熔断器熔断时,电压互感器输出开口三角形电压一般为4～9V。但是，当该型熔断器熔断时，由于电压量变化较小,负序电压也不大,故TV断线闭锁元件往往不动作,致使保护动作出口。为提高零序电压式发电机定子接地保护动作可靠性。可以采取3种措施。

a.不采用石英砂棒式熔断器,而换成当熔丝熔断后能迅速将两侧熔丝拉开的熔断器。

b.缩小保护的保护范围,即提高零序电压元件的动作电压。测量表明。可提高至15V。

c.改变保护的交流接入回路。可接发电机中性点电压互感器 (或配电变压器或消弧线圈)的二次电压,但最好同时接人发电机中性点电压互感器 (或配电变压器或消弧线圈)二次电压及机端电压互感器开口三角形电压,此时保护的逻辑框图如图8所示。

图8 零序电压式发电机定子接地保护框图

运行实践表明,采用由图11构成的零序电压式定子接地保护,大幅提高了动作的可靠性。

5 汽轮发电机的频率异常保护

汽轮发电机的频率异常保护是保护汽轮机叶片的。目前，在大型发电机上通常设置的频率异常保护有低频保护、过频保护和频率积累保护。频率异常时大型汽轮发电机允许时间表如表1所示。

表1 大机组频率异常允许时间

表中tal为积累的允许运行时间，tfal为每次允许运行时间。

由表1可知,从确保汽轮发电机的安全而言，频率异常运行允许的时间很长;并网运行发电机的频率取决于全电网的功率平衡状况;南全系统运行状况及调度质量决定。目前的状况是各电网越来越大,装机容量越来越大。各系统之间的联系越来越紧密。

调度人员对系统的频率控制越来越严格。这样。电网频率在48.5 Hz以下，较长时间的运行是不存在的。因此,在发电机上设置低频保护是不需要的。另外,笔者认为：在大型发电机设置过频保护对电力系统不利。如果在每台发电机上人为设置过频保护.一旦系统发生频率异常。全系统发电机的过频保护同时动作，将所有的机组切除.这会使全系统瓦解。

解决上述问题的措施是.频率异常保护是系统保护。应由反应全系统的稳定装置来测量及处理。在发电厂设置稳控装置，进行高周切机。当系统运行频率过高时。稳控装置动作进行“多轮式”(仿效低周减载)切机。