發(fā)電機(jī)出口開關(guān)(GCB)非全相保護(hù)優(yōu)化研究

吳禮貴，魏 揚(yáng)

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

發(fā)電機(jī)出口斷路器操作機(jī)構(gòu)及隔離開關(guān)一般采用三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu),普遍認(rèn)為三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生非全相合閘狀況，但隨著操作次數(shù)的增多、機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損甚至設(shè)計(jì)上的缺陷，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)或隔離開關(guān)都可能發(fā)生非全相合閘現(xiàn)象，現(xiàn)在GCB 非全相故障案例越來越多。

因三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)不存在分相輔助接點(diǎn)，無法通過斷路器輔助接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)非全相保護(hù)。目前已投入的GCB 非全相保護(hù)，一般利用GCB 斷線故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端基波零序電壓與主變低壓側(cè)基波零序電壓量的故障特征，或者兩側(cè)相電壓差的故障特征，采用斷口兩側(cè)電壓相量差構(gòu)成GCB 非全相保護(hù)原理，保護(hù)判據(jù)不依賴電流量，可檢測(cè)機(jī)組并網(wǎng)初期和解列時(shí)的GCB 非全相故障。因保護(hù)原理只判斷電壓量,其可靠性及定值整定都存在困難,所以目前大部分電站并未將GCB 非全相保護(hù)投跳閘,不能起到快速隔離故障開關(guān)的效果。

本文對(duì)GCB 非全相合閘后的故障特征和電氣量等進(jìn)行綜合理論分析,并結(jié)合一些故障案例，提出了一種新型的GCB 非全相保護(hù)原理,有完善的防誤動(dòng)措施,具有較高的靈敏度和可靠性,實(shí)現(xiàn)了GCB 開關(guān)的非全相保護(hù)。

1 目前GCB 非全相保護(hù)原理及其缺點(diǎn)

目前的GCB 非全相保護(hù)主要采用基于端口兩側(cè)電壓差的原理,當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器發(fā)生單相或兩相斷相故障時(shí)，故障相斷口兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生電壓相量差值，該相量差值與發(fā)電機(jī)側(cè)電動(dòng)勢(shì)、系統(tǒng)側(cè)電動(dòng)勢(shì)和序網(wǎng)阻抗大小有關(guān)，且當(dāng)序網(wǎng)阻抗大小不變時(shí)，故障相電壓相量差值會(huì)隨著斷口兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)相量差增大而逐漸增大，即隨著負(fù)荷電流增大而增大，而非故障相電壓相量差值為零。

結(jié)合GCB 非全相故障過程，分析其動(dòng)作邏輯，目前的GCB 非全相保護(hù)有如下缺點(diǎn):

（1）保護(hù)投退采用GCB 輔助接點(diǎn)變位作為條件，存在輔助接點(diǎn)不可靠的問題。若運(yùn)行過程出現(xiàn)輔助接點(diǎn)抖動(dòng)，則該保護(hù)會(huì)誤投入，且能展寬長(zhǎng)達(dá)300 s。

（2）為防止PT 斷線，非全相保護(hù)增加了主變低壓側(cè)電壓和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓均要大于90%的條件，如某電廠實(shí)際發(fā)生非全相合閘時(shí)的波形，在發(fā)生非全相合閘后，由于對(duì)地參考電壓和頻率差的原因，此時(shí)出現(xiàn)了主變低壓側(cè)B 相不滿足小于90%的條件。假如，非全相后，主變高壓側(cè)PT 出現(xiàn)諧振，依然會(huì)影響保護(hù)對(duì)電壓的判斷。同時(shí)如果是停機(jī)過程,分閘后,由于發(fā)電機(jī)要滅磁,很快機(jī)端電壓就無法滿足判據(jù),所以理論上講,目前的GCB 非全相保護(hù)只對(duì)合閘過程起作用,對(duì)分閘過程無作用,不能給出提示信息。

（3）整個(gè)邏輯都與保護(hù)采樣電壓有關(guān)系，除零序電壓外，都涉及PT 斷線問題，從保護(hù)原理上講，單純的電壓判據(jù)，且沒有電流條件，其可靠性需進(jìn)一步驗(yàn)證，所以目前大部分廠站，只投入了告警功能，并未投入跳閘。

（4）需要采集主變低壓側(cè)電壓作為判據(jù)，發(fā)電機(jī)保護(hù)除非全相保護(hù)外無其他保護(hù)需要用到此電壓的保護(hù)，為實(shí)現(xiàn)此保護(hù)必須增加保護(hù)采樣通道，現(xiàn)有保護(hù)裝置無法通過程序升級(jí)實(shí)現(xiàn)此原理的非全相保護(hù)。

針對(duì)以上缺陷，本文提出了一種全新、可靠的發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（GCB）非全相保護(hù)。

2 高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)研究

（1）高可靠性非全相保護(hù)投入邏輯設(shè)計(jì)研究

從以上GCB 非全相保護(hù)可知，以上斷路器非全相保護(hù)采用斷路器輔助接點(diǎn)變位作為投入條件，當(dāng)接點(diǎn)抖動(dòng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致非全相保護(hù)誤投入，當(dāng)誤投入時(shí)，因系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會(huì)造成GCB 非全相保護(hù)誤動(dòng)作，從保護(hù)邏輯上講不合理.

GCB 分合閘過程中都考慮非全相保護(hù)投入，可考慮如下邏輯，采用斷路器接點(diǎn)變位展寬作為非全相保護(hù)投入的條件，引入負(fù)荷電流作為退出條件，確保并網(wǎng)成功后，GCB 非全相保護(hù)可靠退出。

圖1 非全相分、合閘保護(hù)投退邏輯圖

通過以上邏輯實(shí)現(xiàn)了一種高可靠性的GCB 非全相保護(hù)投入邏輯,確保正常運(yùn)行過程中,GCB 非全相保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

（2）斷路器兩相斷線判據(jù)研究(只合上一相)

斷路器只合上一相電氣回路，如圖2 所示,因發(fā)變組20 kV 側(cè)，屬于不接地系統(tǒng)，主變低壓側(cè)為三角形接線，整個(gè)序網(wǎng)無法連通，此時(shí)無法在回路中形成電流，所以無故障電流，實(shí)際運(yùn)行中只有很小的電容電流，觀察斷線后的電氣回路，可發(fā)現(xiàn)此時(shí)發(fā)電機(jī)的三相對(duì)地電容并不平衡，不平衡的電容會(huì)造成零序電壓的不平衡，以某機(jī)組的參數(shù)為例（表1），對(duì)兩相斷線情況下電容電流進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

表1 機(jī)端斷路器兩側(cè)對(duì)地電容及接地變電阻參數(shù)

圖2 只合上C 相電氣連接圖

例1 為某臺(tái)機(jī)組發(fā)生非全相合閘后的波形分析，斷線后的電壓變化與理論分析一致，在合閘后的1 s 內(nèi)，機(jī)端零序電壓由0 V 增加到5 V，且在0.5 s時(shí)電壓已增加到3 V。

例2 為分析某臺(tái)機(jī)組停機(jī)過程中的零序電壓變化情況，在分閘后的1.5 s 左右，機(jī)端零序電壓由0 V增加到5 V，且此過程還伴隨著滅磁過程。

通過以上理論計(jì)算和實(shí)際波形可知，由于GCB兩側(cè)電容的存在，當(dāng)GCB 合閘或分閘發(fā)生非全相時(shí)，因電氣回路電容的不平衡，會(huì)產(chǎn)生固有的零序電壓，此零序電壓可用于在GCB 合閘過程中的GCB 非全相判據(jù)，由于此時(shí)是開機(jī)并網(wǎng)過程，此定值可比用于定子接地保護(hù)的零序電壓整得更低，且運(yùn)用此原理的保護(hù)不需要采集主變低壓側(cè)電壓。

（3）斷路器單相斷線判據(jù)研究 (只合上兩相)

圖3 合上B、C 相電氣連接圖

圖4 為斷路器非全相情況下，動(dòng)模試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)有功功率的變化過程。由于正序電流和負(fù)序電流幅值相等，有功功率的增加過程也是負(fù)序電流增加的過程。

圖4 動(dòng)模試驗(yàn)中斷路器非全相合閘功率增加過程

基于電壓差的非全相保護(hù)，隨著機(jī)組功率增大，電壓差增大。如若以負(fù)序電流為判據(jù)，其也是隨著功率增大，負(fù)序電流增大，且電流判據(jù)比電壓判據(jù)可靠，小的負(fù)序電流對(duì)發(fā)電機(jī)并無太大傷害，此時(shí)可整定出一個(gè)比負(fù)序反時(shí)限更加靈敏的負(fù)序過流保護(hù)，可更快的動(dòng)作，跳開GCB，保護(hù)發(fā)電機(jī)。

不考慮無功影響，某電站700 MW 機(jī)組非全相時(shí)負(fù)序電流與功率及功角對(duì)應(yīng)的關(guān)系表2 所示。

表2 負(fù)序電流與功率對(duì)應(yīng)關(guān)系

可根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)定負(fù)序過流定值，通過靈敏度高、可靠性高的負(fù)序過流保護(hù)，替代基于端口兩側(cè)電壓差的非全相保護(hù)，且其可以投入跳閘。

（4）高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)邏輯

通過上面的研究，高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)邏輯如圖5 所示。

圖5 高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)邏輯圖

以上邏輯由3 部分構(gòu)成：①非全相保護(hù)投入的條件，通過三相電流確保并網(wǎng)后，非全相保護(hù)不會(huì)誤投入。通過輔助接點(diǎn)的變位展寬，確保非全相保護(hù)只在合閘和分閘時(shí)刻投入。②用負(fù)序過流保護(hù)來保護(hù)兩相合閘或單相分閘。③通過零序電壓保護(hù)來保護(hù)單相合閘或者兩相分閘。同時(shí)，具備電制動(dòng)閉鎖功能。

也可通過給報(bào)警和跳閘分別設(shè)定不同的定值，給運(yùn)維人員進(jìn)行提示，應(yīng)用該原理與邏輯的非全相保護(hù)已在三峽右岸電站22FB 發(fā)變組保護(hù)進(jìn)行了應(yīng)用，目前運(yùn)行良好。

3 結(jié)論

本文以目前應(yīng)用較為廣泛的GCB 非全相保護(hù)為研究對(duì)象，分析了現(xiàn)有非全相保護(hù)存在的問題，通過對(duì)GCB 單相合閘和兩相合閘的電氣特性進(jìn)行深入研究，提出了一種高可靠性的發(fā)電機(jī)出口開關(guān)非全相保護(hù)。

（1）提出一種可靠的非全相保護(hù)投退邏輯，確保機(jī)組并網(wǎng)后非全相保護(hù)不會(huì)投入，降低誤動(dòng)可能性。

（2）根據(jù)發(fā)電機(jī)GCB 單相合閘的電氣特性，分析出零序電壓的特征，提出了用機(jī)端零序電壓判斷單相合閘的保護(hù)邏輯。

（3）根據(jù)發(fā)電機(jī)GCB 兩相合閘的電氣特性，分析了開機(jī)過程負(fù)序電流的特征，提出了用負(fù)序電流判斷兩相合閘的保護(hù)邏輯。

（4）提出了高可靠性發(fā)電機(jī)出口開關(guān)保護(hù)的邏輯設(shè)計(jì)，具有很高的靈敏度和可靠性。