基于斷口兩側(cè)電壓相量差的發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器非全相保護(hù)

陳 俊, 李華忠, 徐青山, 桂 林, 王 光, 鐘守平

(1. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院， 江蘇省南京市 210096； 2. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102; 3. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系, 北京市 100084)

0 引言

抽水蓄能機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)組具有啟停頻繁、斷路器分合操作次數(shù)多的特點(diǎn),因此發(fā)生斷路器非全相故障的概率大大增加。2012年1月31日,某蓄能水電廠A廠的3號發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí),由于發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器(GCB)連桿斷裂導(dǎo)致A相未合上,在機(jī)組并網(wǎng)20 s后,3號主變壓器低壓側(cè)零序過壓保護(hù)動作,跳開了系統(tǒng)500 kV側(cè)開關(guān)、3號與4號主變壓器及3號發(fā)電機(jī),擴(kuò)大了事故范圍。

傳統(tǒng)斷路器非全相保護(hù)[1-4]通過斷路器三相不一致接點(diǎn)位置、零序電流或負(fù)序電流來判斷斷路器的非全相運(yùn)行狀態(tài)。對于三相聯(lián)動結(jié)構(gòu)的機(jī)端斷路器,由于無法提供三相不一致接點(diǎn)位置[5-6],并且并網(wǎng)初期負(fù)序電流和零序電流較小,因此傳統(tǒng)保護(hù)功能無法快速檢測出該故障。在較低的負(fù)序電流水平下,負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)要較長時(shí)間才能動作[7-9],但是由于負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場造成的發(fā)電機(jī)劇烈震動和轉(zhuǎn)子表層發(fā)熱,可能危及發(fā)電機(jī)的安全[10-11]。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于機(jī)端零序電壓和定子繞組負(fù)序電流的非全相運(yùn)行保護(hù)方案,同樣需要提供斷路器三相不一致接點(diǎn),無法適用于機(jī)端斷路器。文獻(xiàn)[13]提出采用斷口兩側(cè)基波零序電壓相角差識別機(jī)端斷路器非全相故障,該方法相比以往傳統(tǒng)保護(hù)有明顯優(yōu)勢,但是由于機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及運(yùn)行工況等影響因素,機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)往往存在一定的基波零序電壓分量,因此定值整定時(shí)需考慮躲過該不平衡基波零序電壓,以提高保護(hù)判據(jù)的可靠性。這樣做必然會降低機(jī)組在空載和輕載工況下故障判別的快速性及靈敏度。

本文采用對稱分量法[14-15]分析單機(jī)無窮大系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器非全相運(yùn)行時(shí)斷口兩側(cè)電壓量的故障特征,提出了基于斷口兩側(cè)電壓相量差的機(jī)端斷路器非全相保護(hù)新原理,提升了機(jī)組在空載和輕載工況下故障判別的快速性及靈敏度,并通過動模實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 機(jī)端斷路器非全相故障電氣量特征

圖1 A相斷相電氣量計(jì)算電路圖Fig.1 Circuit diagrams of electric parameter calculation for phase-A break

假設(shè)發(fā)電機(jī)機(jī)端A相m和n處發(fā)生斷相故障,如圖1(a)所示。采用疊加原理,在圖1(a)中m和n點(diǎn)處疊加一組縱向電壓,即非全相狀態(tài)由正常運(yùn)行和附加縱向電壓單獨(dú)作用的兩組全相狀態(tài)疊加構(gòu)成。以A相為基準(zhǔn),采用對稱分量法表示各相附加縱向電壓,如圖1(b)所示。列出邊界條件方程,即A相電流為零,B相和C相附加縱向電壓為零,如式(1)所示。

(1)

根據(jù)式(1)可推導(dǎo)得如下關(guān)系式:

(2)

依據(jù)式(2)畫出序網(wǎng)分布圖,如圖1(c)所示。根據(jù)式(1)、式(2)和圖1(c),計(jì)算A相附加縱向電壓,如式(3)所示。

(3)

式中:Z1,Σ=Z1,G+Z1,S;Z2,Σ=Z2,G+Z2,S;Z0,Σ=Z0,G+Z0,S。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：上標(biāo)“(1.1)”表示發(fā)生兩相斷相故障。

(9)

(10)

(11)

(12)

綜上分析,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)會產(chǎn)生電壓相量差值,該相量差值與發(fā)電機(jī)側(cè)電動勢、系統(tǒng)側(cè)電動勢和序網(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隨著斷口兩側(cè)電動勢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。此外,斷口兩側(cè)均出現(xiàn)負(fù)序和零序電壓分量,且數(shù)值也隨著負(fù)荷電流增大而增大。

2 機(jī)端斷路器非全相保護(hù)新原理

2.1 判據(jù)構(gòu)成

基于上述理論分析,以式(3)—式(12)為依據(jù),提出基于斷口兩側(cè)電壓相量差值的機(jī)端斷路器非全相保護(hù)新原理,其電壓相量差值計(jì)算公式如下:

(13)

式中:φ=A,B,C;kφ，1和kφ，2分別為電壓互感器(TV)測量回路補(bǔ)償校正系數(shù),使得正常運(yùn)行時(shí)電壓相量差值接近于0。

基于斷口兩側(cè)電壓相量差的機(jī)端斷路器非全相保護(hù)邏輯框圖如圖2所示。圖中:ΔUA,ΔUB,ΔUC為斷口兩側(cè)電壓相量差的有效值,ΔUset為電壓相量差定值,按躲過機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡電壓相量差值整定;Uφ,M和Uφ,N分別為斷口處M側(cè)和N側(cè)各相電壓有效值;Uph,N為額定相電壓;U0,M和U0,N分別為斷口處M側(cè)和N側(cè)零序電壓有效值;U0,set為零序電壓定值,按躲過機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)兩側(cè)中最大不平衡零序電壓整定;U2，M和U2，N分別為斷口處M側(cè)和N側(cè)負(fù)序電壓有效值;U2,set為負(fù)序電壓定值,按躲過機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)兩側(cè)TV的最大不平衡負(fù)序電壓值整定，一般取1～2 V;max表示取兩個(gè)數(shù)值的最大值,min表示取兩個(gè)數(shù)值的最小值。

當(dāng)滿足圖2中判據(jù)時(shí),判為斷路器非全相,延時(shí)動作于報(bào)警或跳閘。其中,圖2中條件2用于防止機(jī)組正常啟機(jī)并網(wǎng)和正常解列時(shí)保護(hù)誤動作。

2.2 TV斷線對判據(jù)的影響分析

考慮機(jī)組空載和輕載工況下某一側(cè)TV發(fā)生斷線時(shí),該側(cè)會出現(xiàn)負(fù)序電壓分量,而空載和輕載工況下發(fā)生斷相故障時(shí)兩側(cè)負(fù)序電壓較低,以此為依據(jù)形成空載和輕載工況下的輔助判據(jù),即當(dāng)兩側(cè)負(fù)序電壓的最大值小于門檻定值時(shí),圖2中條件4滿足,且一旦條件滿足則展寬10 s返回。此外,考慮機(jī)組帶載運(yùn)行工況下某一側(cè)TV發(fā)生斷線時(shí),該側(cè)會出現(xiàn)零序電壓分量,另一側(cè)不會出現(xiàn)較大的零序電壓分量,而帶載運(yùn)行工況下發(fā)生斷相故障時(shí)兩側(cè)均會出現(xiàn)較大的零序電壓,以此為依據(jù)形成帶載工況下的輔助判據(jù),即當(dāng)兩側(cè)零序電壓的最小值大于門檻定值時(shí),圖2中條件5滿足。

圖2 基于斷口兩側(cè)電壓相量差的機(jī)端斷路器非全相保護(hù)邏輯圖Fig.2 Logic diagram of open-phase protection for generator circuit breaker based on the voltage phasor difference between two sides of the breaking point

綜上分析,當(dāng)任一側(cè)TV發(fā)生完全斷線故障時(shí),判據(jù)中條件3不滿足,保護(hù)判據(jù)不會發(fā)生誤動;當(dāng)任一側(cè)TV發(fā)生非完全斷線故障時(shí),判據(jù)中條件4或5不滿足,保護(hù)判據(jù)也不會發(fā)生誤動?？梢?該原理不受TV斷線的影響,具有較高的可靠性。

3 動模實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證理論分析的正確性,研制了基于電壓相量差值原理的斷路器非全相保護(hù)裝置,并在動模機(jī)組上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。動模機(jī)組接線圖如圖3所示。

圖3 動模機(jī)組接線圖Fig.3 Wiring diagram of dynamic simulation unit

設(shè)置保護(hù)裝置定值,將ΔUset定值整定為1.5 V,U0,set整定為1.5 V,U2,set整定為1.5 V,保護(hù)延時(shí)整定為0.5 s,保護(hù)動作于報(bào)警。

1)模擬發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)機(jī)端斷路器發(fā)生單相或兩相斷相故障,記錄實(shí)驗(yàn)波形。

①模擬發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后空載運(yùn)行工況下發(fā)生A相斷相故障,記錄斷口兩側(cè)電壓相量差值波形,如圖4(a)所示。t=0.3 s時(shí)刻發(fā)生A相斷相故障,此時(shí)故障相A相電壓相量差值為2 V,大于保護(hù)定值1.5 V,B,C相電壓相量差值接近0,滿足圖2中條件1和2。計(jì)算斷口兩側(cè)零序和負(fù)序電壓分量數(shù)值,如圖4(b)所示,其值均低于1.5 V,尤其是發(fā)電機(jī)機(jī)端側(cè)更低,滿足圖2中條件4。因此,發(fā)生斷相故障0.5 s后,保護(hù)判據(jù)可滿足動作條件,保護(hù)正確動作。

圖4 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)空載運(yùn)行工況下機(jī)端斷路器A相斷相時(shí)斷口兩側(cè)電壓相量差值及序分量波形Fig.4 Waveforms of voltage phasor differences and sequence components during phase-A break of generator circuit breaker in the no-load operation condition of grid-connected generator

若依據(jù)文獻(xiàn)[13]中的零序電壓相角差識別方法,考慮躲過正常運(yùn)行時(shí)兩側(cè)不平衡零序電壓分量,假設(shè)定值取1.5 V,可知在空載工況下發(fā)生斷相故障該方法無法判別。

②模擬發(fā)電機(jī)并網(wǎng)0.3 s后發(fā)生B相單相斷相故障,然后繼續(xù)增大發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流,記錄斷路器兩側(cè)電壓波形。如圖5(a)所示,在t=0.3 s左右時(shí),B相電壓相量差值大于2 V,A,C相差值接近0，滿足圖2中保護(hù)判據(jù),保護(hù)能可靠動作。

圖5 發(fā)電機(jī)動態(tài)增加負(fù)荷電流輸出工況下機(jī)端斷路器B相斷相時(shí)斷口兩側(cè)電壓相量差值及序分量波形Fig.5 Waveforms of voltage phasor differences and sequence components during phase-B break of generator circuit breaker when generator current output increases dynamically

根據(jù)圖5(b)所示,在斷相故障初期,兩側(cè)負(fù)序電壓分量低,滿足圖2中保護(hù)判據(jù)4的條件,雖然隨著兩側(cè)負(fù)荷電流增大,兩側(cè)負(fù)序電壓分量也會增大,但由于該判據(jù)具有展寬10 s返回的功能,所以該判據(jù)并不會立刻返回。當(dāng)t=5 s時(shí),兩側(cè)零序電壓分量均大于1.5 V門檻,可滿足圖2中判據(jù)5的條件,保護(hù)也不再返回。因此,這兩種輔助判據(jù)能起到較好的互補(bǔ)作用。

③模擬發(fā)電機(jī)并網(wǎng)空載運(yùn)行時(shí)發(fā)生A,B斷相故障,記錄斷口兩側(cè)電壓相量差值波形。如附錄A圖A1所示,t=0.3 s發(fā)生斷相故障,故障相A,B相電壓相量差值為2 V,大于保護(hù)定值1.5 V,非故障相電壓相量差值接近0,滿足圖2中保護(hù)判據(jù),保護(hù)能正確動作。

2)模擬三相正常分合閘操作,驗(yàn)證保護(hù)是否會誤動作,記錄斷路器兩側(cè)電壓波形,如附錄A圖A2所示。機(jī)端斷路器正常分合閘操作時(shí),由于斷口兩側(cè)三相電壓均會同時(shí)出現(xiàn)相量差值,不滿足圖2判據(jù)中條件2,所以保護(hù)不會誤動作。

此外,對于其他情況,如發(fā)電機(jī)或變壓器內(nèi)短路故障,或TV斷線異常等,由于無法滿足圖2中的保護(hù)判據(jù),所以保護(hù)不會誤動作。

由動模實(shí)驗(yàn)波形可見,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合,當(dāng)發(fā)電機(jī)在空載或輕載工況下發(fā)生機(jī)端斷路器單相或兩相斷相故障時(shí),故障相斷口兩側(cè)會產(chǎn)生電壓相量差,而非故障相斷口兩側(cè)電壓相量差值接近于0,保護(hù)能靈敏檢測非全相故障,且不受TV斷線影響。相比文獻(xiàn)[13]能更快、更靈敏地識別機(jī)端斷路器非全相故障。

4 結(jié)語

本文采用對稱分量法分析單機(jī)無窮大系統(tǒng)中機(jī)端斷路器發(fā)生單相和兩相斷相故障時(shí)斷口兩側(cè)電壓量的故障特征,提出了基于斷口兩側(cè)電壓相量差的斷路器非全相保護(hù)新原理,并在動模機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該原理不依賴電流量大小和三相不一致接點(diǎn),且不受TV斷線影響。相比文獻(xiàn)[13],該方案能在發(fā)電機(jī)空載和輕載工況時(shí)更快速、更靈敏地識別斷相故障,能在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)初期和解列時(shí)快速識別斷路器非全相故障,避免劇烈震動威脅發(fā)電機(jī)組的安全。2015年5月起,該原理已在廣州抽水蓄能電站4臺300 MW機(jī)組上先后投入使用,至今運(yùn)行情況良好。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。