魏 丹,余洪斌
(三峽水力發(fā)電廠電氣維修部,湖北 宜昌 443133)
某電站單機(jī)容量777.8MVA,最大出力840MVA。發(fā)電機(jī)、變壓器為發(fā)—變單元接線,每2個發(fā)—變單元在主變壓器高壓側(cè)并聯(lián)后接入500 kV系統(tǒng)。圖1為發(fā)—變單元接線圖。圖中左側(cè)的發(fā)變組為帶廠變的機(jī)組,右側(cè)為不帶廠變的機(jī)組。在建廠之初采用的是發(fā)變組保護(hù)部分雙重化配置,與其相連接的配套設(shè)備、外回路等均是根據(jù)當(dāng)時部分雙重化配置的要求設(shè)計安裝的,這就存在著不能滿足雙重化配置要求的問題。因此,除了需要對保護(hù)配置進(jìn)行研究外,還需要對與保護(hù)裝置相關(guān)聯(lián)的配套設(shè)備、外回路等進(jìn)行分析和研究,進(jìn)行合理的優(yōu)化改進(jìn),以滿足雙重化配置的要求。
圖1 發(fā)—變單元接線圖
對發(fā)電機(jī)變壓器組可能發(fā)生的故障和異常類型進(jìn)行分析后,將故障和異常類型總結(jié)為以下幾種:定子繞組相間、匝間和接地短路,定子繞組過電壓,定子繞組過負(fù)荷,定子鐵心過勵磁,轉(zhuǎn)子表面過負(fù)荷,勵磁繞組過負(fù)荷,勵磁回路接地,勵磁回路失壓,發(fā)電機(jī)逆功率,發(fā)電機(jī)頻率異常,主變、廠變、勵磁變各繞組的相間、匝間和接地短路,主變、廠變、勵磁過負(fù)荷,主變鐵心過勵磁,各引出線的相間和接地短路,發(fā)變組系統(tǒng)失步,斷路器閃絡(luò)、誤上電、非全相和失靈、發(fā)變組啟停機(jī)短路故障,發(fā)變組系統(tǒng)低電壓,其他故障和異常運(yùn)行。
(1)發(fā)電機(jī)定子短路保護(hù)配置
完全縱差動保護(hù)對相間短路有明顯的優(yōu)勢,而裂相橫差保護(hù)和單元件橫差保護(hù)在各種匝間短路情況下均有較高的靈敏度,不完全縱差則是對相間、匝間短路及分支開焊均起作用。將這4種類型的保護(hù)進(jìn)行配合,能對發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部一切故障(相間短路、匝間短路、分支開焊)起到很好地保護(hù)作用。
另外,還應(yīng)設(shè)置以檢測發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、發(fā)電機(jī)機(jī)端電流、中性點(diǎn)分支電流的發(fā)電機(jī)過負(fù)荷保護(hù)、復(fù)壓過流保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)和發(fā)電機(jī)相間低阻抗保護(hù)作為后備保護(hù)。
(2)發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)配置
目前定子接地保護(hù)有3種類型:90%基波零序定子接地保護(hù)、三次諧波電壓型定子接地保護(hù)、外加電源型定子繞組單相接地保護(hù)。基波零序電壓型保護(hù)方案具有原理簡單,簡便易行等特點(diǎn),但其在中性點(diǎn)附近存在5%~10%的保護(hù)死區(qū),并且隨著定子繞組對地電容的增大和不對稱度的增加,保護(hù)的靈敏度降低,死區(qū)擴(kuò)大。二者結(jié)合起來可構(gòu)成100%定子接地保護(hù)。而外加交流電源式定子接地保護(hù)能單獨(dú)完成定子繞組的100%保護(hù),并能在發(fā)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)及啟、停狀態(tài)下提供保護(hù)。將3種原理的保護(hù)配合起來使用,能達(dá)到較好的效果。
(3)發(fā)電機(jī)勵磁回路接地保護(hù)配置
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)有兩種:乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)通過求解兩個不同的接地回路方程,實(shí)時計算轉(zhuǎn)子接地電阻值和接地位置。注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在保護(hù)裝置內(nèi)裝有外加注入式電源,通過測量該頻率的電壓和電流,計算出轉(zhuǎn)子的對地電阻。采用一套注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置和一套乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置進(jìn)行不同原理的雙重化配置較為合適。
在實(shí)際運(yùn)行中,由于乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的測算原理,會因?yàn)椴煌幕芈樊a(chǎn)生不同的阻值,從而對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。故機(jī)組正常運(yùn)行時應(yīng)只投入一套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)正常運(yùn)行,另外一套退出運(yùn)行。
(4)發(fā)電機(jī)異常運(yùn)行保護(hù)配置
為了對發(fā)電機(jī)處于各種異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的保護(hù),應(yīng)配置發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、發(fā)電機(jī)失步保護(hù)、發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)、發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)、發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)(定、反時限)、發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)、發(fā)電機(jī)低電壓保護(hù)、發(fā)電機(jī)對稱過負(fù)荷保護(hù)(定、反時限)、發(fā)電機(jī)不對稱過負(fù)荷保護(hù)(定、反時限)、發(fā)電機(jī)勵磁回路過負(fù)荷保護(hù)(定、反時限)、發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)、發(fā)電機(jī)啟停機(jī)保護(hù)、發(fā)電機(jī)軸電流保護(hù)、發(fā)電機(jī)TA、TV斷線判別。
(5)主變壓器保護(hù)配置
變壓器的差動保護(hù)是通過對發(fā)電機(jī)機(jī)端電流及主變高壓側(cè)電流計算比較進(jìn)行保護(hù)的。它主要用來保護(hù)雙繞組或三繞組變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障,同時也可以用來保護(hù)變壓器單相匝間短路故障,可作為主變壓器的主保護(hù)配置。
為了對主變壓器處于各種異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的保護(hù),應(yīng)配置主變隔離開關(guān)缺相保護(hù)、主變非全相保護(hù)、斷路器閃絡(luò)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、主變壓器TA、TV斷線判別。
另外,為了對變壓器內(nèi)部發(fā)生的各種故障進(jìn)行有效的保護(hù),還應(yīng)配置多種非電量保護(hù):主變瓦斯保護(hù)、主變壓力釋放保護(hù)、主變繞組過溫保護(hù)、主變油溫高保護(hù)、主變繞組溫高保護(hù)、主變油位異常保護(hù)、中性點(diǎn)壓力釋放保護(hù)、中性點(diǎn)小電抗瓦斯保護(hù)、中性點(diǎn)電抗器油位低保護(hù)、中性點(diǎn)小電抗溫升高保護(hù)、廠變溫升保護(hù)。
(6)廠變保護(hù)配置
廠變差動保護(hù)是通過對廠用變壓器高低壓側(cè)電流計算比較進(jìn)行保護(hù)的。它主要用來保護(hù)變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障,同時也可以用來保護(hù)變壓器單相匝間短路故障,可作為廠用變壓器的主保護(hù)配置。
(7)勵磁變保護(hù)配置
同廠變保護(hù)相同,勵磁變壓器保護(hù)同樣采用的是差動保護(hù)作為主保護(hù)配置。同時,還應(yīng)配置以測量轉(zhuǎn)子側(cè)電流提供保護(hù)的勵磁變過流和勵磁變過負(fù)荷作為后備保護(hù)。另外,還應(yīng)配置勵磁變溫升和勵磁系統(tǒng)故障兩種非電量保護(hù)。
隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的進(jìn)步,主、后備一體化保護(hù)裝置應(yīng)用廣泛。這種一體化裝置雖然二次回路簡單,但是可能存在其硬件冗余度不夠的問題。容錯式設(shè)計就是增加硬件冗余度的一種設(shè)計方式,它能有效地避免因?yàn)橛布l(fā)生故障而造成的裝置誤動。下面以南瑞公司設(shè)計制造的RCS-985裝置為例,介紹雙CPU容錯式配置的設(shè)計思路。圖2為RCS-985裝置硬件系統(tǒng)的雙CPU容錯式配置。
圖2 雙CPU容錯式配置設(shè)計
圖2中,CPU1和CPU2彼此完全相同,且具有完整的相互獨(dú)立的低通、AD采樣、保護(hù)計算、邏輯輸出系統(tǒng)。CPU1系統(tǒng)作用于跳閘矩陣,CPU2系統(tǒng)作用于啟動繼電器。這兩個CPU啟動元件完全相同,具備啟動一致性。任一CPU啟動,保護(hù)不會出口。只有當(dāng)CPU1和CPU2的啟動元件同時啟動,保護(hù)才出口。任一CPU故障,裝置會立刻閉鎖并報警。
雙重化保護(hù)配置的目的在于防止保護(hù)裝置拒動而導(dǎo)致系統(tǒng)事故,同時又可大大減少由于保護(hù)裝置異常、檢修等原因造成一次設(shè)備停運(yùn)[13]。在對發(fā)變組各種故障進(jìn)行分析后,通過對各保護(hù)原理的分析比較及故障仿真,可以得出最適合的保護(hù)功能配置。一般這種最合適的保護(hù)功能配置方案只會有一種。結(jié)合現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)裝置保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方式是各種保護(hù)功能通過軟件編程在一個裝置中實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),發(fā)變組保護(hù)雙重化配置的兩套保護(hù)選型應(yīng)一致,每套保護(hù)都獨(dú)立且完整,都能反映所有的故障和異常。若采用不同廠家不同原理配置,存在因?yàn)椴煌瑥S家的裝置盤柜布局、端子排接線、裝置操作、定值整定等方面的不同,而易發(fā)生運(yùn)行維護(hù)人員因人為原因造成的裝置誤動的問題。采用完全相同的兩套保護(hù)裝置,由于其原理、配置、接線一致,便于維護(hù)檢修,從而能有效減少此類事故的發(fā)生。
與兩套保護(hù)裝置分別相連的電源回路、電流電壓回路、信號回路、出口回路等均應(yīng)相互獨(dú)立,這樣在故障發(fā)生時,兩套保護(hù)裝置才能獨(dú)立判斷并作出反應(yīng),從而提高了保護(hù)的橫向靈敏度,有效避免拒動的發(fā)生。
非電量保護(hù)的配置是非常有必要的,它在電量保護(hù)不能準(zhǔn)確反應(yīng)或靈敏度不夠時可以準(zhǔn)確判斷油箱內(nèi)部的故障。但是由于非電量保護(hù)的正確動作率不高,并且由于其設(shè)備在戶外,容易因環(huán)境因素發(fā)生誤動,因此應(yīng)配置單套。
雙重化保護(hù)配置為了保證兩套保護(hù)的完全獨(dú)立,要求這兩套保護(hù)裝置的交流電壓分別取自電壓互感器互相獨(dú)立的兩個繞組,交流電流分別取自電流互感器互相獨(dú)立的兩個繞組。根據(jù)改造后保護(hù)的配置情況,基于原有CT的選型,對CT、PT的數(shù)量及用途做了重新的統(tǒng)計分析,在CT方面:
原保護(hù)1盤與保護(hù)2盤的交流電流分別取自不同的繞組,已經(jīng)完全分開,沒有交集。但是兩個盤的交流電流采集在種類和數(shù)量上存在差異。
(1)原來對發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器的變比選擇為500/1,改造后發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器的變比設(shè)計要求為1500/1。
(2)原來對勵磁變低壓側(cè)電流互感器的變比選擇為6000/1,改造后勵磁變低壓側(cè)電流互感器的變比設(shè)計要求為5000/1。
(3)與改造后的保護(hù)配置相比,原PR1盤因?yàn)闆]有配置發(fā)電子中性點(diǎn)不平衡保護(hù),所以缺少對發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流的采集。
(4)與改造后的保護(hù)配置相比,原PR1盤因?yàn)闆]有配置勵磁變差動保護(hù),所以缺少對勵磁變低壓側(cè)電流的采集。
(5)與改造后的保護(hù)配置相比,帶廠變的機(jī)組原PR1盤因?yàn)闆]有配置廠變差動保護(hù),所以缺少對廠變低壓側(cè)電流的采集。
(6)原PR1盤、PR2盤勵磁變高壓側(cè)電流的采集均取自于一個電流互感器。
根據(jù)以上情況,對原有發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器、勵磁變低壓側(cè)電流互感器、廠變低壓側(cè)電流互感器的配置情況進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)存在以下問題:
(1)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器只有1個,并且為單繞組電流互感器,不能滿足雙重化保護(hù)配置的需求。其變比為500/1,不滿足發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連線電流互感器變比為1500/1的要求。
(2)勵磁變低壓側(cè)電流互感器只有1個,有2個繞組,精度為0.5/5P。其中精度為5P的繞組已經(jīng)被保護(hù)所用;另一個精度為0.5的為備用繞組,由于它是測量繞組,不能為保護(hù)所用,所以勵磁變低壓側(cè)電流互感器不能滿足雙重化保護(hù)配置的需求。其變比為6000/1,不滿足勵磁變低壓側(cè)電流互感器比為5000/1的要求。
(3)廠變低壓側(cè)電流互感器只有1個,有2個繞組,精度為0.5/5P。其中精度為5P的繞組已經(jīng)被保護(hù)所用;另一個精度為0.5的為備用繞組,由于它是測量繞組,不能為保護(hù)所用,所以廠變低壓側(cè)電流互感器不能滿足雙重化保護(hù)配置的需求。
(4)勵磁變高壓側(cè)CT只有1個,有2個繞組,精度為5P/5P,可以滿足雙重化保護(hù)配置的需求,但是沒有可供測量所用的繞組,所以依然存在問題。
在PT方面:原有發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器有3個,一個為Y/Y/△形接線,型號為0.2/3P,一個為Y/Y/△形接線,型號為3P/3P,一個為Y/Y/Y形接線,型號為3P/3P,可以滿足兩套保護(hù)對發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的采集要求。
針對只有1個繞組可供交流電流采集的問題,無論如何對交流電流回路進(jìn)行設(shè)計都不可能設(shè)計出兩套完全獨(dú)立的交流電流回路。因此決定,對現(xiàn)有的電流互感器進(jìn)行更換:
(1)將原有5P 500/1單繞組中性點(diǎn)連線電流互感器更換為5P/5P1500/1的雙繞組電流互感器。由于中性點(diǎn)連線電流互感器沒有測量要求,不需要額外的測量繞組,所以,保護(hù)用的雙繞組可以滿足需求。
(2)將原雙繞組勵磁變高壓側(cè)電流互感器直接更換為三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P,分別為兩套保護(hù)裝置所用,另外一個繞組0.2級為測量用。
(3)將原6000/1雙繞組勵磁變低壓側(cè)電流互感器直接更換為5000/1三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P,分別為兩套保護(hù)裝置所用,另外一個繞組0.2級為測量用。
(4)將原雙繞組廠變低壓側(cè)電流互感器直接更換為三繞組的電流互感器。該三繞組電流互感器中有兩個繞組為5P,分別為兩套保護(hù)裝置所用,另外一個繞組0.2級為測量用。
原發(fā)變組保護(hù)信號回路分為監(jiān)控信號回路和錄波信號回路。根據(jù)統(tǒng)計,原發(fā)變組保護(hù)1盤和保護(hù)2盤的錄波信號均送至U*+PF盤,其中,保護(hù)1盤送至錄波的信號有35個,保護(hù)2盤送至錄波的信號27個,兩盤一共送62個。原發(fā)變組保護(hù)監(jiān)控信號由發(fā)變組保護(hù)1盤和保護(hù)2盤分別送至監(jiān)控系統(tǒng)的LCU*+PC1柜、LCU*+PC2柜。其中送至LCU*+PC1柜的監(jiān)控信號有37個,送至LCU*+PC2柜的監(jiān)控信號有33個,一共70個。
由于監(jiān)控裝置的信號通道是一定的,且不能滿足保護(hù)雙重化后的監(jiān)控信號數(shù)量要求,又沒有隨發(fā)變組保護(hù)改造一起進(jìn)行更新的計劃。那么只能對發(fā)變組保護(hù)裝置送出的監(jiān)控信號進(jìn)行優(yōu)化整合,找到合理的方案。
現(xiàn)在的微機(jī)保護(hù)裝置存儲容量大,可以存儲模擬量波形和多次的保護(hù)動作信息。因此,維護(hù)人員在監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出信號時,能在保護(hù)裝置上查看到全部的事件信息。該電廠維護(hù)人員為了滿足對電廠24 h無間斷的維護(hù),以確保隨時有問題隨時處理,采用的是8 h工作時間外輪流在電廠值班的方式。因此,在接運(yùn)行人員電話后,維護(hù)人員能第一時間到現(xiàn)場查看。結(jié)合以上情況,對發(fā)變組保護(hù)發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)的信號采取以下方式設(shè)計優(yōu)化:
(1)使用備用的信號點(diǎn)名做為補(bǔ)充。
(2)發(fā)電機(jī)保護(hù)配置中,發(fā)電機(jī)完全縱差、不完全縱差1、不完全縱差2、裂相橫差、橫差都是主保護(hù),保護(hù)原理相似,保護(hù)對象有交集,動作時間皆為瞬時動作,所以將這些差動保護(hù)跳閘信號接點(diǎn)并接后使用一對接點(diǎn)送出,命名發(fā)電機(jī)差動保護(hù)跳閘。
(3)將保護(hù)原理相似保護(hù)對象有交集的后備保護(hù)跳閘信號接點(diǎn)并接后用一對接點(diǎn)送出,并將信號名稱定義全面。如定子過負(fù)荷、負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)跳閘。
(4)將對異常運(yùn)行狀態(tài)的保護(hù)跳閘信號接點(diǎn)并接后使用一對接點(diǎn)送出,并將點(diǎn)名定義全面。例如發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、發(fā)電機(jī)失步保護(hù)跳閘。
(5)因?yàn)門A斷線、TV斷線不跳閘,且與保護(hù)裝置異常一樣同屬于設(shè)備問題,所以與裝置報警信號接點(diǎn)并接后使用一對接點(diǎn)送出,命名為裝置告警。
(6)保護(hù)報警信號眾多,無法一一分配通道接入監(jiān)控系統(tǒng),并且保護(hù)報警并沒有像保護(hù)跳閘那樣造成嚴(yán)重的后果,所以將一臺裝置的保護(hù)功能告警信號整合后分別定義為保護(hù)告警I和保護(hù)告警II。但是因?yàn)榘l(fā)生報警時往往是發(fā)生事故的前兆,如果能提前將問題解決,或許就能避免一場事故,因此,要求維護(hù)人員在接到報警信號后,立即到現(xiàn)場查明具體的報警信息和報警原因,并給出恰當(dāng)?shù)奶幚磙k法。
(1)通過對水力發(fā)電廠發(fā)變組可能發(fā)生的故障和異常狀況進(jìn)行分析,選擇出能夠?qū)Ω鞣N故障或異常狀況進(jìn)行有效保護(hù)的保護(hù)配置組合,通過研究雙重化保護(hù)配置應(yīng)遵循的原則,最終確定了適合大型水力發(fā)電廠的雙重化保護(hù)配置方案。
(2)通過對交流回路、信號回路改造前情況的分析,及改造后設(shè)計要求的研究,論證并設(shè)計出合適的改造方案使原回路通過修改及優(yōu)化后滿足改造要求。