水輪發(fā)電機差動保護整定案例及誤動原因分析

劉婧芳

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

發(fā)電機縱聯(lián)差動保護作為發(fā)電機主保護，能反應發(fā)電機定子繞組及其引出線的相間短路，其動作后果往往體現(xiàn)為跳出口斷路器、停機、滅磁、閉鎖電氣制動等，保護的正確整定和可靠動作對發(fā)電機安全穩(wěn)定運行具有重大意義。

在整定計算和校驗準確的基礎(chǔ)上，發(fā)電機中性點及機端CT作為縱聯(lián)差動保護用的主要元件，要求能夠正確傳遞一次側(cè)電流，其型式和參數(shù)選擇、兩側(cè)特性匹配直接決定了差動保護動作可靠性。近年來電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，在部分設(shè)備改造后，在同一套保護中可能存在不同特性電流互感器混用的情況，給實際應用增加了不確定因素。

2 發(fā)電機差動保護整定計算

2.1 工程背景

某電廠共3臺水輪發(fā)電機組，1號機組與1號主變組成單元接線接入110 kV母線，2號、3號機組與2號主變組成擴大單元接線接入110 kV母線，110 kV母線采用單母線分段形式，通過兩條出線與系統(tǒng)相連，其中A線路經(jīng)過甲、乙、丙3個變電站，B線路直接接入甲變電站，其接線簡圖如圖1所示。

圖1 電廠接線簡圖

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

2.2.1 系統(tǒng)阻抗

在實際運行過程中，最大方式為：3臺機組全開，X1=0.329 7X0=0.318 9；最小方式為：1臺機組運行，X1=0.158 4X0=0.774 7。

2.2.2 發(fā)電機額定參數(shù)

以2號機組為例的發(fā)電機額定參數(shù)見表1所示。

表1 2號發(fā)電機額定參數(shù)

2.2.3 變壓器額定參數(shù)（見表2）

表2 變壓器額定參數(shù)

2.2.4 發(fā)電機縱差保護用CT參數(shù)（見表3）

表3 發(fā)電機縱差保護用CT參數(shù)

2.2.5 標幺值計算

2號發(fā)電機（1號、3號發(fā)電機相同）：

1號主變壓器

2號主變壓器：

2號勵磁變壓器（1號、3號勵磁變相同）：

根據(jù)一次設(shè)備阻抗標么值繪制電廠機組綜合阻抗圖如圖2所示。

圖2 電廠綜合阻抗圖

2.3 縱聯(lián)差動保護參數(shù)計算

該電廠機組采用的縱差保護特性如圖3所示，為變斜率比率差動保護，其需整定的典型參數(shù)有：啟動電流Icdqd、速斷電流Isd、差流報警、起始斜率Kbl1、最大斜率Kbl2。

圖3 變斜率比率差動保護制動特性

計算過程中所采用基準數(shù)值如表4所示。

表4 整定計算基準數(shù)值

2.3.1 啟動電流Icdqd整定

發(fā)電機二次額定電流：

式中：Ief：發(fā)電機一次側(cè)額定電流；

n：發(fā)電機縱差保護用電流互感器變比。

依據(jù)《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》，啟動電流Icdqd整定，應躲過發(fā)電機正常額定負載運行時的最大不平衡電流，即

式中：Ie：發(fā)電機二次側(cè)額定電流；

Krel：可靠系數(shù)，對于10P型電流互感器取1.5。

理論上差流Id＞0.09Ie即可啟動，所以取差流報警0.1Ie。

為確保發(fā)電機在正常負荷運行時，保護不因不平衡電流而產(chǎn)生誤動作，在實際運用中必須適當提高啟動電流。發(fā)電機內(nèi)部短路時，機端或中性點的三相短路電流可能不大，為確保內(nèi)部短路的靈敏度，啟動電流也不能無根據(jù)地增大?？紤]保護裝置通道調(diào)整誤差，同一母線上其他機組投運沖擊以及區(qū)外故障切除后制動電流減小，兩側(cè)CT特性差異等原因，依整定計算導則及廠家推薦值，實際可取(0.2～0.3)Ie，則取Icdqd=0.2Ie=0.893 6 A。

經(jīng)發(fā)電機投運帶額定負荷實測縱差保護中的不平衡電流較小，滿足Icdqd＞Krel×2×0.03Ie，無需再對定值進行修正。

2.3.2 比率制動斜率Ks整定

（1）變斜率比率差動起始斜率Kbl1

式中：Krel：發(fā)電機可靠系數(shù)，取1.5；

Kcc：互感器同型系數(shù)，取0.5；

Ker：電流互感器在額定一次電流和額定二次負荷條件下的比誤差系數(shù)，實際選取通常以電流互感器的10%誤差曲線為依據(jù)，取0.1；

Kbl1起始比率差動斜率定值范圍0～0.1，?。篕bl1=0.1。

（2）變斜率比率差動最大斜率Kbl2

最大不平衡電流Iunb.max計算：

式中：I(3)K.max：發(fā)電機最大外部三相短路電流周期分量二次值，小于4倍額定電流時取4倍額定電流值；

Kap：非周期分量系數(shù)，一般取不小于2.0；

Ker：互感器比誤差系數(shù)，取0.1。

由上述計算可知，在外部最大短路電流下，發(fā)電機的最大不平衡電流較小，在斜率為0.2就可以制動，為保證可靠性，根據(jù)廠家說明書推薦整定為Kbl2=0.5。

靈敏系數(shù)校驗:按上述原則整定的比率制動特性，當發(fā)電機機端兩相金屬性短路時，差動保護的靈敏系數(shù)一定滿足Ksen≥2。

2.3.3 速斷電流Isd整定

按躲過機組非同期合閘產(chǎn)生的最大不平衡電流整定，最大不平衡電流Iunb.max為：

當設(shè)備內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時，會產(chǎn)生很大的短路電流，需要采用速斷保護加速出口跳閘。數(shù)字式保護裝置的差動速斷電流通常整定為額定電流一定倍數(shù),根據(jù)廠家說明書推薦整定為Isd=4Ie。

靈敏系數(shù)校驗：按發(fā)電機正常運行機端兩相金屬性短路進行校驗。

靈敏系數(shù)不滿足要求，故取Isd=3Ie。

靈敏系數(shù)校驗：按發(fā)電機正常運行機端兩相金屬性短路進行校驗。

靈敏系數(shù)滿足要求。

至此，2號機組縱聯(lián)差動保護關(guān)鍵參數(shù)可確定為：啟動電流Icdqd=0.2Ie、速斷電流Isd=3Ie、差流報警=0.1Ie、起始斜率Kbl1=0.1、最大斜率Kbl2=0.5。

3 發(fā)電機差動保護誤動原因分析

3.1 事件經(jīng)過

事件發(fā)生前，電廠主設(shè)備運行方式為：1號機組備用、2號機組運行、3號機組檢修，1號、2號主變運行，110 kV母線聯(lián)絡運行，110 kV兩條出線A線熱備用、B線運行，廠用10.5 kV、廠用400 V分段運行正常。各類保護、監(jiān)控、自動裝置等二次設(shè)備運行正常。

與發(fā)電廠110 kV送出線路B線相聯(lián)絡的甲變電站，某條10 kV送電線路電流Ⅰ段保護動作，重合不成功跳三相，發(fā)電廠2號機組差動保護動作，導致一般事故停機，各類輔機出現(xiàn)電源消失動作信號、隨后復歸，事后查明故障根本原因為該10 kV線路002號桿C相跳線燒斷。

調(diào)取故障錄波信息查看發(fā)現(xiàn)，在2號發(fā)電機差動保護動作前，系統(tǒng)電壓由116 kV突降至76 kV，機組勵磁系統(tǒng)檢測到電壓降低后，啟動強勵，系統(tǒng)電壓突降，因此機組輔機系統(tǒng)報電源消失。

10 kV線路一般采用電流速斷、過電流及三相一次重合閘構(gòu)成，單相斷線時，沒有對應的保護可以直接動作出口將線路切除。本次故障在機組停機解列前可分為兩個階段：①系統(tǒng)側(cè)某10 kV線路C相單相斷線故障；②該線路電流I段保護動作，重合不成功，引起三相跳閘。由此兩階段可能對應產(chǎn)生的異常信號有：①C相單相斷線故障，引起C相相電壓一相升高，其他兩相電壓降低，C相電流降為零，產(chǎn)生負序電流，啟動過電流保護；②110 kV甲變電站某10 kV線路斷開，10 kV側(cè)阻抗增加，導致110 kV系統(tǒng)電壓降低。因此，發(fā)電廠2號機組不應該由于外部故障差動保護動作出口停機。

3.2 機組差動保護動作原因分析

3.2.1 排查經(jīng)過

2號機組差動保護動作停機后，現(xiàn)場初步檢查機組停機正常，無明顯故障點，燈泡頭內(nèi)無燒焦異味等異?，F(xiàn)象。專業(yè)人員確認2號機組差動保護動作電流為1.33Ie，大于保護動作定值，排除監(jiān)控、通信方面信號異常的可能。完成機組差動保護補充檢驗、二次控制回路試驗，完成發(fā)電機定子耐壓、直阻測量試驗，完成勵磁變耐壓、直阻測量試驗，數(shù)據(jù)均無異常。

繼電保護專業(yè)人員開始進行2號發(fā)電機差動保護用兩組CT伏安特性試驗，見表5、表6所示，對比歷史數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

表5 發(fā)電機機端CT勵磁特性數(shù)據(jù)

表6 發(fā)電機中性點CT勵磁特性數(shù)據(jù)

3.2.2 差動保護動作原因分析

咨詢調(diào)度得知，與電廠110 kV系統(tǒng)直接聯(lián)絡的甲變電站某10 kV線路C相斷線。由于系統(tǒng)沖擊，發(fā)電廠110 kV母線電壓發(fā)生波動。

由圖4可以看出，發(fā)電機差動保護裝置啟動時，穿越故障電流較正常運行電流大，雖然故障錄波信息不能直接反應出直流分量變化，但從發(fā)電機差流波形可以合理推測，外部故障的暫態(tài)過程中一次側(cè)電流中含有非周期分量及諧波等暫態(tài)分量。差動保護區(qū)外故障引起發(fā)電機電流的直流分量迅速增加且較慢衰減，從表5、表6可以看出，發(fā)電廠2號機組中性點側(cè)CT受故障電流直流分量影響，導致 CT發(fā)生暫態(tài)飽和，測值與機端CT測值產(chǎn)生差流，保護兩側(cè)CT特性不一致增大了不平衡電流，兩側(cè)飽和程度不同步，導致差動電流逐漸增加，制動電流逐漸減少，在56.666 ms后達到保護動作定值出口，差動保護動作停機，從而造成外部故障時差動保護誤動的情況。盡管該機組采用比率制動差動保護，能夠在一定程度上消除不平衡電流的影響，但主要是用來應對穩(wěn)態(tài)不平衡電流，對于暫態(tài)飽和引起的不平衡電流制動能力相對較弱。

圖4 2號發(fā)電機差動保護啟動時故障錄波信息

4 結(jié)語

進行發(fā)電機變斜率比率差動保護的定值整定，一方面要結(jié)合繼電保護、電流互感器相關(guān)規(guī)程，參照廠家建議及設(shè)備裝置說明書，另一方面也應考慮實際系統(tǒng)運行中，正常情況下可能出現(xiàn)的最大不平衡電流，按照保護整定計算導則，準確考慮問題分析計算，對關(guān)鍵參數(shù)科學整定、合理校驗，才能明確動作區(qū)、速斷動作區(qū)、制動區(qū)的劃分。

隨著用電負荷增加與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，對于早期投產(chǎn)的機組來說，其所在網(wǎng)絡系統(tǒng)阻抗可能發(fā)生變化，最大不平衡電流也隨之改變。所以在設(shè)備改造項目中，除了對差動保護關(guān)鍵參數(shù)進行修訂，其重要元件電流互感器也應慎重選擇。

保護用電流互感器應采用具有適當特征和參數(shù)的互感器，對于差動保護應考慮選用相同型號和相同參數(shù)的，使發(fā)電機兩側(cè)差動保護用電流互感器勵磁特性匹配。在實際應用時，影響電流互感器飽和的因素很多，包括一次系統(tǒng)短路容量、運行工況和二次回路阻抗等，不同類型的電流互感器也因材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計等差異表現(xiàn)出不同的飽和特性。對于電流互感器飽和造成的差動誤動問題，目前主要有兩種解決思路：一是改進電流互感器暫態(tài)性能或合理選擇其類型，二是改進算法識別二次電流的飽和特征，并采取相應措施。進而確保實現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)部相間故障時，縱差保護能可靠動作；而保護區(qū)外部故障時，差動保護不會誤動作。