扩大单元接线方式下发电机保护配合的优化

雷 宁，黄 超，李 江

(苏州热工研究院有限公司，广东 深圳 518124)

0 引言

目前，过流保护和差动保护在电力行业应用十分广泛，但是某电厂采用两机并联的扩大单元接线方式的发电机，按以上原理配置的保护却存在无选择性的问题。针对此问题提出改进方案，以消除并联运行的发电机误跳闸的风险。

1 扩大单元接线方式保护配置

为了提高供电可靠性，适应机组灵活的启停需求，某大型电厂的重要敏感设备需要通过扩大单元接线方式的发电机组进行供电。每台发电机均配置1台断路器和1套单独的保护装置，以确保单台机组运行、检修或者是故障工况下，不会对另外一台机组有影响，其配置如图1所示。

图1 扩大单元接线保护配置

该电厂2台发电机组分别配置过电流速断保护、过电流延时保护、差动保护、逆功率保护、过压保护、励磁保护以及断路器过流速断和过流延时保护。扩大单元接线保护定值单如表1所示。

2 保护配置问题分析

由于扩大单元接线方式存在单台机组运行或2台机组运行的方式，方向元件难以整定，故未配置。2台机组之间过流速断保护、断路器过流速断保护无时间和方向选择的配合，导致保护动作无选择性，将会引起非故障机组误跳闸风险，届时将会引起2台发电机同时跳闸，2路电源同时失电。

表1 扩大单元接线保护定值单

例如，当发电机A内部发生短路故障时，其差动保护、过流速断保护以及发电机B的过流速断保护和断路器本体的速断保护均会瞬间动作，届时将跳开发电机A和B出口断路器，导致下游设备的供电可靠性得不到保证。

3 保护配置优化方案

针对2台机组保护配置无选择性动作的缺陷进行优化，并制定了以下2种方案：

(1) 取消过流速断保护和断路器速断保护；

(2) 取消过流速断保护和断路器速断保护，增加母差保护。

对2种方案的优缺点进行了分析、对比，如表2所示。通过表2可以看出，方案1较方案2更为简单可行，可保证保护装置有选择性地跳开故障回路，但需要对发电机、电缆和母排的热稳定性进行校验。

3.1 发电机的热稳定校验

发电机的短路电流：

式中：Ik为稳态短路电流，A；为暂态短路电流，A；为次暂态短路电流，A；SB为发电机容量，kVA；UN为发电机额定电压，V。

表2 保护配置优化方案对比

查询发电机产品手册：稳态电抗Xd=0.800；暂态电抗=0.122 8；次暂态电抗=0.093；SB=400 kVA；UN=260 V。

因此，当发生差动保护区外故障时，若保护动作时间设置为0.4 s并考虑断路器全开断时间为0.2 s。

短路电流产生的热效应估算：

式中：Qt为短路电流产生的热效应，kA2·s；Qz为短路电流周期分量引起的热效应，kA2·s；Qf为短路电流非周期分量引起的热效应，kA2·s；t1为非周期分量等效时间，s；t2为保护动作分断时间，s。

发电机能承受的热效应为：

式中：Ith为冲击电流，A；tth为冲击电流持续时间，s。

根据发电机厂家资料：Ith=3IN；tth=2 s。

因为短路电流产生的热效应Qt小于发电机能承受的热效应Q，所以当发生短路故障时，能够保证发电机的安全。

3.2 电缆的热稳定校验

当Qt为1.79 kA2·s时，电缆最小截面积为：

其中c=137(铜芯电缆)。

现场所选用的电缆截面为150 mm2，可以满足热稳定要求。

3.3 母线的热稳定校验

核算母线热稳定性，确保发生短路时，母线能够满足热稳定要求。通过查找发电机出口断路器柜产品资料，母线短路耐受电流为50 kA，峰值耐受电流为105 kA，由计算得出稳态短路电流Ik=1.11 kA；暂态短路电流=7.23 kA；次暂态短路电流=9.55 kA，母线满足热稳定要求。

综上所述，当差动保护区外出现过流故障时，发电机、断路器、母线等元件均可承受0.4 s的短路电流。因此，取消2台发电机的过流速断保护和断路器速断保护的方案可行。当发电机内部短路故障时由差动保护作为主保护，由过电流定时限保护以及出口断路器的2段定时限保护作为后备保护。

4 区内/区外故障状态下保护动作分析

差动保护具有明确的选择性，可依据差动电流为判据来识别故障范围，当出现单台发电机内部故障或者是差动保护两侧电流互感器之间发生短路故障时，发电机差动电流突然增大，将会瞬时跳开该台发电机的出口断路器，此时2台发电机的过流保护装置均不会动作，不会影响另一台发电机的正常工作。当出现发电机区外故障时，差动保护装置检测到CT1与CT3之间无差流，不会动作。2台发电机的过流保护延时0.4 s后动作，分别跳开发电机出口断路器，此时差动保护不会动作。

5 结束语

对扩大单元接线方式的发电机单元保护配置存在的无选择性缺陷进行了分析，提出了2种解决方案。比较后，选择了取消发电机过流速断保护和断路器速断保护，保留原有其他保护的方案。优化后的保护配置克服了原保护配置中过流速断保护和断路器速断保护不具有选择性的缺点，消除了单台机组故障时跳开所有机组的风险，确保了重要敏感设备供电的可靠性。