发电机出口开关(GCB)非全相保护优化研究

吴礼贵，魏 扬

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

发电机出口断路器操作机构及隔离开关一般采用三相联动机构,普遍认为三相联动机构不会发生非全相合闸状况，但随着操作次数的增多、机械结构磨损甚至设计上的缺陷，发电机出口开关或隔离开关都可能发生非全相合闸现象，现在GCB 非全相故障案例越来越多。

因三相联动机构不存在分相辅助接点，无法通过断路器辅助接点实现非全相保护。目前已投入的GCB 非全相保护，一般利用GCB 断线故障导致发电机机端基波零序电压与主变低压侧基波零序电压量的故障特征，或者两侧相电压差的故障特征，采用断口两侧电压相量差构成GCB 非全相保护原理，保护判据不依赖电流量，可检测机组并网初期和解列时的GCB 非全相故障。因保护原理只判断电压量,其可靠性及定值整定都存在困难,所以目前大部分电站并未将GCB 非全相保护投跳闸,不能起到快速隔离故障开关的效果。

本文对GCB 非全相合闸后的故障特征和电气量等进行综合理论分析,并结合一些故障案例，提出了一种新型的GCB 非全相保护原理,有完善的防误动措施,具有较高的灵敏度和可靠性,实现了GCB 开关的非全相保护。

1 目前GCB 非全相保护原理及其缺点

目前的GCB 非全相保护主要采用基于端口两侧电压差的原理,当发电机机端断路器发生单相或两相断相故障时，故障相断口两侧会产生电压相量差值，该相量差值与发电机侧电动势、系统侧电动势和序网阻抗大小有关，且当序网阻抗大小不变时，故障相电压相量差值会随着断口两侧电动势相量差增大而逐渐增大，即随着负荷电流增大而增大，而非故障相电压相量差值为零。

结合GCB 非全相故障过程，分析其动作逻辑，目前的GCB 非全相保护有如下缺点:

（1）保护投退采用GCB 辅助接点变位作为条件，存在辅助接点不可靠的问题。若运行过程出现辅助接点抖动，则该保护会误投入，且能展宽长达300 s。

（2）为防止PT 断线，非全相保护增加了主变低压侧电压和发电机机端电压均要大于90%的条件，如某电厂实际发生非全相合闸时的波形，在发生非全相合闸后，由于对地参考电压和频率差的原因，此时出现了主变低压侧B 相不满足小于90%的条件。假如，非全相后，主变高压侧PT 出现谐振，依然会影响保护对电压的判断。同时如果是停机过程,分闸后,由于发电机要灭磁,很快机端电压就无法满足判据,所以理论上讲,目前的GCB 非全相保护只对合闸过程起作用,对分闸过程无作用,不能给出提示信息。

（3）整个逻辑都与保护采样电压有关系，除零序电压外，都涉及PT 断线问题，从保护原理上讲，单纯的电压判据，且没有电流条件，其可靠性需进一步验证，所以目前大部分厂站，只投入了告警功能，并未投入跳闸。

（4）需要采集主变低压侧电压作为判据，发电机保护除非全相保护外无其他保护需要用到此电压的保护，为实现此保护必须增加保护采样通道，现有保护装置无法通过程序升级实现此原理的非全相保护。

针对以上缺陷，本文提出了一种全新、可靠的发电机出口开关（GCB）非全相保护。

2 高可靠性发电机出口开关非全相保护研究

（1）高可靠性非全相保护投入逻辑设计研究

从以上GCB 非全相保护可知，以上断路器非全相保护采用断路器辅助接点变位作为投入条件，当接点抖动时,会导致非全相保护误投入，当误投入时，因系统发生故障，可能会造成GCB 非全相保护误动作，从保护逻辑上讲不合理.

GCB 分合闸过程中都考虑非全相保护投入，可考虑如下逻辑，采用断路器接点变位展宽作为非全相保护投入的条件，引入负荷电流作为退出条件，确保并网成功后，GCB 非全相保护可靠退出。

图1 非全相分、合闸保护投退逻辑图

通过以上逻辑实现了一种高可靠性的GCB 非全相保护投入逻辑,确保正常运行过程中,GCB 非全相保护不会误动。

（2）断路器两相断线判据研究(只合上一相)

断路器只合上一相电气回路，如图2 所示,因发变组20 kV 侧，属于不接地系统，主变低压侧为三角形接线，整个序网无法连通，此时无法在回路中形成电流，所以无故障电流，实际运行中只有很小的电容电流，观察断线后的电气回路，可发现此时发电机的三相对地电容并不平衡，不平衡的电容会造成零序电压的不平衡，以某机组的参数为例（表1），对两相断线情况下电容电流进行理论计算，计算结果如下：

表1 机端断路器两侧对地电容及接地变电阻参数

图2 只合上C 相电气连接图

例1 为某台机组发生非全相合闸后的波形分析，断线后的电压变化与理论分析一致，在合闸后的1 s 内，机端零序电压由0 V 增加到5 V，且在0.5 s时电压已增加到3 V。

例2 为分析某台机组停机过程中的零序电压变化情况，在分闸后的1.5 s 左右，机端零序电压由0 V增加到5 V，且此过程还伴随着灭磁过程。

通过以上理论计算和实际波形可知，由于GCB两侧电容的存在，当GCB 合闸或分闸发生非全相时，因电气回路电容的不平衡，会产生固有的零序电压，此零序电压可用于在GCB 合闸过程中的GCB 非全相判据，由于此时是开机并网过程，此定值可比用于定子接地保护的零序电压整得更低，且运用此原理的保护不需要采集主变低压侧电压。

（3）断路器单相断线判据研究 (只合上两相)

图3 合上B、C 相电气连接图

图4 为断路器非全相情况下，动模试验中发电机有功功率的变化过程。由于正序电流和负序电流幅值相等，有功功率的增加过程也是负序电流增加的过程。

图4 动模试验中断路器非全相合闸功率增加过程

基于电压差的非全相保护，随着机组功率增大，电压差增大。如若以负序电流为判据，其也是随着功率增大，负序电流增大，且电流判据比电压判据可靠，小的负序电流对发电机并无太大伤害，此时可整定出一个比负序反时限更加灵敏的负序过流保护，可更快的动作，跳开GCB，保护发电机。

不考虑无功影响，某电站700 MW 机组非全相时负序电流与功率及功角对应的关系表2 所示。

表2 负序电流与功率对应关系

可根据对应关系，设定负序过流定值，通过灵敏度高、可靠性高的负序过流保护，替代基于端口两侧电压差的非全相保护，且其可以投入跳闸。

（4）高可靠性发电机出口开关非全相保护逻辑

通过上面的研究，高可靠性发电机出口开关非全相保护逻辑如图5 所示。

图5 高可靠性发电机出口开关非全相保护逻辑图

以上逻辑由3 部分构成：①非全相保护投入的条件，通过三相电流确保并网后，非全相保护不会误投入。通过辅助接点的变位展宽，确保非全相保护只在合闸和分闸时刻投入。②用负序过流保护来保护两相合闸或单相分闸。③通过零序电压保护来保护单相合闸或者两相分闸。同时，具备电制动闭锁功能。

也可通过给报警和跳闸分别设定不同的定值，给运维人员进行提示，应用该原理与逻辑的非全相保护已在三峡右岸电站22FB 发变组保护进行了应用，目前运行良好。

3 结论

本文以目前应用较为广泛的GCB 非全相保护为研究对象，分析了现有非全相保护存在的问题，通过对GCB 单相合闸和两相合闸的电气特性进行深入研究，提出了一种高可靠性的发电机出口开关非全相保护。

（1）提出一种可靠的非全相保护投退逻辑，确保机组并网后非全相保护不会投入，降低误动可能性。

（2）根据发电机GCB 单相合闸的电气特性，分析出零序电压的特征，提出了用机端零序电压判断单相合闸的保护逻辑。

（3）根据发电机GCB 两相合闸的电气特性，分析了开机过程负序电流的特征，提出了用负序电流判断两相合闸的保护逻辑。

（4）提出了高可靠性发电机出口开关保护的逻辑设计，具有很高的灵敏度和可靠性。