电气制动对负序过负荷保护的影响分析

吴朝波，冯心

(浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江 衢州 324000)

0 引言

水轮发电机组由于启、停机方便、迅速，因而在电网系统中常肩负起调峰、调频及事故备用的重大责任。由于能够大幅降低机组停机时间，提高电网调节能力，电气制动得到广泛使用。电气制动投入后，发电机组电气连接方式发生了改变，对继电保护的配置整定也提出了新的要求，发电机负序过负荷保护是受到影响的保护功能之一。

发电机负序过负荷保护反应定子绕组的负序电流大小，保护发电机转子，以防表面过热。负序电流流过发电机定子绕组时，该负序电流在定、转子气隙间产生负序旋转磁场，发电机转子相对于负序旋转磁场有2倍同步速，在转子表层感生倍频电流，在转子上各分流较大的部位形成局部高温而灼伤转子，如转子本体与端部护环的温差过大，还可能导致护环松脱，造成机组严重破坏[1]。另外，由负序磁场产生的2倍交变电磁转矩还会使机组产生100 Hz振动，引起金属疲劳和机械损伤。

本文从多角度分析，查找某水力发电机组停机过程中投入电气制动后负序过负荷保护误动作发信的原因，分析发电机电气制动对负序过负荷保护的影响，并提出了解决方案。

1 故障经过

浙江华电乌溪江水力发电厂某发电机组进行保护改造前未配置负序过负荷保护功能，2013年3月，对机组进行保护改造，保护装置为CSC306数字式发电机保护装置，出场试验及安装后保护检验情况正常，保护配置负序过负荷保护功能，并投入定时限负序过负荷功能。机组进行保护改造后，在停机过程中投入电气制动时，负序过负荷保护动作发信(反时限负序过负荷功能退出)，经多次试验、检查发现该现象具有可重现性。

1.1 保护动作相关情况

机组额定容量为26 MW，额定电压为10.5 kV，额定电流为1 682 A，对应二次值为4.205 A(若无特殊说明，以下电流均以二次值表示)。

根据相关整定要求，机组保护装置中投入定时限负序过负荷保护功能，动作电流整定为0.26 A，动作时间整定为9 s。

在投运试验时，自动停机过程中发电机保护装置报警，保护盘面显示负序过负荷保护动作。检查保护装置录波数据，显示存在负序电流且达到保护动作条件。停机完成后，对一次、二次回路进行检查未发现异常，机组各部检查无异常，转子各位置测温无异常发热现象。

1.2 检查试验情况

正常开机并建压后，采用机械制动完成自动停机，停机情况正常，再次开机并建压。停机过程中投入电气制动后，保护装置再次发负序过负荷保护动作信号，显示动作电流为0.41 A。电气制动投入后，数字式保护测控装置(专用电气量测量装置，各机组单独装设，以下简称测控装置)在停机过程中记录了机组交流测控装置机端各相电流变化情况。该测控装置中机端电流引自测量专用电流互感器，显示的电流变化情况见表1，显示的机端电流谐波含量见表2。

表1 机端电流变化情况

表2 机端电流谐波含量 %

2 原因分析

2.1 保护装置动作逻辑

机组负序过负荷保护动作逻辑如图1所示。其中：I21为发电机负序过负荷定值，按发电机长期允许的负序电流I2∞下可靠返回的条件整定；I22为反时限负序过负荷定值。

图1 发电机负序过负荷保护逻辑

由表1可以看出，测控装置显示的机端电流中含有负序分量，且经过计算可知，其大小已满足负序过负荷保护动作值要求。根据保护原理逻辑,在保护功能投入的情况下，当检测到负序电流的持续时间达到延时定值后，保护即动作。

经多次试验表明，电气制动投入后保护装置和测控装置均测量到负序电流，且负序电流的幅值已大于保护定值，保护装置逻辑判断无误。

2.2 电气制动工作原理分析

在机组解列后，机组转速下降到一定程度(本文所涉及机组转速设置为60%额定转速)后，使用定子短路开关将定子三相短路，向转子绕组中输入1个恒定直流电流，则在定子中产生感应电流。该电流在定子绕组中产生铜耗制动力矩，使机组减速制动到停机。电磁转矩与定子短路电流的平方成正比，与机组转速成反比，电气制动力矩随机组转速下降而增大[2]。

电气制动的工作原理表明了电气制动投入虽然改变了机组的电气连接方式，但其效果等同于发电机机端的三相短路故障，理论上没有负序电流产生。检查电气制动定子短路开关动作情况，未发现严重的三相动作时间差异(小于0.05 s)，而负序过负荷保护延时为9 s，排除因三相动作时间不同而产生负序电流引起保护动作的可能性。

2.3 保护装置测量回路负序电流测量原理分析

保护装置中负序电流的测量需要使用负序滤波器或负序滤波算法，负序电流测量结果与测量对象频率有关[2]，虽然一般负序电流保护都有跟踪系统频率变化的功能，但跟踪范围不会太大，如对50 Hz系统，跟踪频率为42～55 Hz。机组转速降至60%额定转速时投入电气制动，所产生的定子电流频率约为30 Hz，负序电流滤波器(滤波算法)产生很大误差，已不能正常工作。如负序电流滤波器(滤波算法)测量的负序电流超过保护整定值，则出现保护误动情况。机组测控装置也有同样的情况，无法正确测量负序电流大小。

综合以上分析，保护装置和测控装置所测量到的负序电流并不是一次设备上真正存在的负序电流，而是电气制动投入时机组的定子电流频率很低，保护装置不能正确测量负序电流大小所致。由于电气制动定子三相短路开关的结构决定了其三相必然同时动作，电气制动投入时只可能短暂产生甚至不会产生负序电流，建议引入制动状态至保护装置中，闭锁负序过负荷保护。

3 结束语

电气制动在水力发电厂的广泛应用对继电保护的配置、整定提出了新的要求。其中一些保护功能通过保护原理上的分析即可做出对应的调整，例如差动保护，当差动保护电流取自机组开关与电气制动定子短路开关之间时，必须使用电气制动开关的投入闭锁差动保护以防止误动作。而电气制动的投入对负序过负荷保护功能的影响则相对隐蔽，不能单纯地通过分析保护功能来确定，目前也没有统一的整定规定或建议，给各电厂继电保护基层管理带来了困扰。在机组保护配置了反时限负序过负荷保护的情况下，每次电气制动的投入都极可能导致事故停机流程的启动，严重影响水电机组的自动化程度，背离了安装电气制动加快水电机组启、停速度，提高自动化程度的初衷。本文通过分析，提出使用“电气制动投入”条件闭锁负序过负荷保护功能的建议，为采用电气制动方式的发电机组保护整定工作提供参考。

参考文献：

[1]陈遗志，刘国华，仲旻，等.水电机组电气制动的设计与应用[J].水电厂自动化，2007(4)：167-170,174.

[2]王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京：中国电力出版社，2008.