220 kV主變開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)設(shè)計(jì)探討

2019-11-03 10:02:32

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供稿：網(wǎng)友

湯勇1，常勝2，趙志華3，賀春3

1．廣東珠海發(fā)電廠，廣東珠海519050

2．廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510600

3．許繼日立電氣公司，河南許昌461000

　　摘要：介紹了大型發(fā)電機(jī)變壓器組裝設(shè)開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)的必要性，并通過對珠海發(fā)電廠220 kV主變開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)的分析，闡述了斷口閃絡(luò)與三相不一致兩種故障現(xiàn)象的異同點(diǎn)及開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)原理、動作邏輯的完善。

　　關(guān)鍵詞：開關(guān)；閃絡(luò)保護(hù)；設(shè)計(jì)

　　1　引言　　

　　在大型發(fā)變組并網(wǎng)過程中，斷路器斷口電壓隨待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)等效發(fā)電機(jī)電動勢之間角度差δ的改變而不斷變化，當(dāng)δ＝180°時其值最大，有兩倍運(yùn)行電壓作用于斷口上，形成斷口閃絡(luò)事故隱患，在發(fā)電機(jī)剛退出運(yùn)行時也可能發(fā)生此類事故。斷口閃絡(luò)不僅給斷路器本身造成損壞，并且還可能引起開關(guān)滅弧室絕緣水平降低而誘發(fā)接地故障，引起事故擴(kuò)大，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，斷口閃絡(luò)一般是在一相或兩相上發(fā)生，這不僅會對發(fā)電機(jī)產(chǎn)生有危害的沖擊轉(zhuǎn)矩，還會產(chǎn)生負(fù)序電流，在轉(zhuǎn)子上引起附加損耗，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。為迅速排除斷口閃絡(luò)故障，在大機(jī)組上裝設(shè)斷口閃絡(luò)保護(hù)(BREAK－ERFlashOVERPROTECTION)就變得十分迫切和必要。　　

　　開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)作為大型發(fā)變組后備保護(hù)越來越受到人們的重視，但限于各方面的原因，目前實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步探討和總結(jié)。我們根據(jù)珠海發(fā)電廠220 kV主變壓器開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)思路、使用經(jīng)驗(yàn)去分析其保護(hù)原理、動作邏輯等方面存在的不足，并提出具體的改造方案，供同行借鑒。

　　2　220 kV主變壓器開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)設(shè)計(jì)概述　　　　

　　珠海發(fā)電廠裝機(jī)容量為2×700 MW，整個工程由日本三菱公司總承包，電氣部分是由美國雷神(RAYTHEON)公司設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)變壓器組為單元接線，主變高壓側(cè)裝設(shè)有220 kVSF6開關(guān)，無發(fā)電機(jī)出口斷路器(GCB)。在主變高壓側(cè)裝設(shè)有220 kV開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)。

　　2．1　保護(hù)原理　　

　　斷口閃絡(luò)保護(hù)采用三個型號為KCGG122(OVERCURRENTRELAY)的電流繼電器組成，每相一個，每個繼電器都具有高值元件和低值元件。其中繼電器的低值元件用于判斷該相開關(guān)的分合閘狀態(tài)，高值元件用于判斷該相開關(guān)是否有電流流過。正常運(yùn)行時，繼電器的各相高值元件通過三個繼電器低值元件接點(diǎn)串聯(lián)閉鎖。當(dāng)一相或兩相滿足低值元件動作條件而另外一相滿足高值元件動作條件時保護(hù)動作。即開關(guān)在分閘位置時，繼電器的低值元件開放閉鎖，如此時有任一相繼電器的高值元件動作，那么閃絡(luò)保護(hù)將經(jīng)延時動作。

　　2．2　定值整定　　

　　已知參數(shù)：主變壓器由3×270 MVA單相變壓器組成，額定最大容量Snmax810 MVA；高壓側(cè)額定最大電壓Unmax242 kV；高壓側(cè)CT變比K＝3000/1，二次額定電流IN為1 A；　　

　　a．高值元件I0＞、動作時間曲線(CURVE)和延時時間to＞/DT的整定

　　I0＞＝(Snmax×1000×10％)/(1．732×Unmax×K)＝(810×1000×10％)/(1．732×242×3000)＝0．064A，設(shè)定I0>為0．060IN；選擇定時限(DT)曲線CURVE0：延時時間應(yīng)能夠可靠躲過開關(guān)操作過程中的三相不同期，以免發(fā)生誤動，所以設(shè)定to＞/DT為0．20 s。

　　b．低值元件I0＜和tAux2的設(shè)定　　

　　設(shè)定I0＜為繼電器最小整定值，即為0．005IN；延時時間整定為tAux2＝0．00 s。

　　2．3　動作邏輯　　

　　由圖1原理圖及圖2邏輯圖可知閃絡(luò)保護(hù)動作情況如下：

　　a．啟動失靈保護(hù)出口繼電器86BF、94BF并跳本臺主變開關(guān)所在母線上的所有開關(guān)。　　

　　b．啟動61X重動繼電器并利用61X繼電器接點(diǎn)啟動52ST1、52ST2，跳本臺主變開關(guān)的110 V直流操作電源。這也是雷神公司在設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)，可以保證在開關(guān)失靈或斷口閃絡(luò)保護(hù)動作后禁止再對開關(guān)進(jìn)行任何電氣操作，以免對開關(guān)造成損壞。

　　2．4　設(shè)計(jì)商榷

　　從上面的介紹中我們了解了雷神(RAYTHEON)公司設(shè)計(jì)的開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)原理及動作邏輯，從保護(hù)裝置實(shí)用性的角度出發(fā)，應(yīng)該說這套裝置在開關(guān)發(fā)生閃絡(luò)時還是能夠起到基本保護(hù)作用的，但在保護(hù)應(yīng)具備的選擇性和可靠性方面，僅僅簡單地依靠電流元件來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能是值得商榷的。

　　2．4．1　保護(hù)原理方面的欠缺　　

　　從保護(hù)原理上分析，閃絡(luò)保護(hù)無法判斷開關(guān)真實(shí)狀態(tài)，即不能區(qū)分開關(guān)是發(fā)生斷口閃絡(luò)還是三相不一致。如果由于開關(guān)某相偷跳或拒動發(fā)生三相不一致時，則至少一相繼電器低值元件的輸出接點(diǎn)返回，這就使所有繼電器的高值元件解除閉鎖，那么當(dāng)一相或兩相繼電器高值元件動作時，保護(hù)也將經(jīng)過0．20 s延時動作。　　

　　但是，開關(guān)斷口閃絡(luò)保護(hù)和三相不一致保護(hù)是兩種截然不同的故障狀態(tài)，其區(qū)別為：　　

　　a．當(dāng)開關(guān)發(fā)生斷口閃絡(luò)時不僅對開關(guān)本身造成損壞，而且說明該相開關(guān)SF6滅弧室絕緣水平可能下降，有可能誘發(fā)成為單相或兩相接地故障，導(dǎo)致事故擴(kuò)大。并且斷口閃絡(luò)是發(fā)生在開關(guān)要合或剛分時，仍屬于分閘狀態(tài)。在此種情況下，一方面產(chǎn)生沖擊轉(zhuǎn)矩及負(fù)序電流作用于發(fā)電機(jī)上，另一方面由于無發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，發(fā)電機(jī)仍會提供故障能量，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。　　

　　b．當(dāng)開關(guān)發(fā)生三相不一致時會產(chǎn)生非全相負(fù)序電流，負(fù)序電流在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出的倍頻電流會引起發(fā)電機(jī)振動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致負(fù)序電流燒機(jī)。通常發(fā)電機(jī)承受負(fù)序電流能力主要是取決于負(fù)序電流熱效應(yīng)(I22t)，這也是發(fā)電機(jī)的一個重要基本參數(shù)。　　

　　由上可知，開關(guān)斷口閃絡(luò)與三相不一致是有區(qū)別的，一是產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度不同，比較來講斷口　　閃絡(luò)的后果危害更大。二是兩種類型故障發(fā)生時，從各相電流上比較二者有相同之處，但實(shí)際開關(guān)各相分合閘位置狀態(tài)是不同的，斷口閃絡(luò)發(fā)生時開關(guān)三相是在分閘位置，而三相不一致發(fā)生時開關(guān)三相合、分閘位置不同，因此在我們在保護(hù)設(shè)計(jì)上應(yīng)區(qū)別對待。

　　2．4．2　動作邏輯方面的疏漏

　　從動作邏輯上分析主要有以下兩點(diǎn)不足之處：　　

　　a．由于發(fā)電機(jī)變壓器組采用的是單元接線，發(fā)電機(jī)出口無開關(guān)，發(fā)電機(jī)在斷口閃絡(luò)時仍將對故障點(diǎn)提供能量，加劇了故障程度，因此閃絡(luò)保護(hù)動作后發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)立即滅磁降低斷口電壓。　　

　　b．開關(guān)失靈保護(hù)是作用于跳開母線上的所有開關(guān)，為防止保護(hù)誤動，在保護(hù)設(shè)計(jì)上需經(jīng)電流檢測元件50BF閉鎖，而閃絡(luò)保護(hù)未經(jīng)任何其他判斷條件直接出口是不合理的，如果在機(jī)組正常運(yùn)行中由于保護(hù)繼電器本身故障或接線松動等原因?qū)е卤Ｗo(hù)動作，將會造成誤跳母線上所有開關(guān)的重大事故。

　　2．5　設(shè)計(jì)完善　　

　　根據(jù)對原有閃絡(luò)保護(hù)設(shè)計(jì)原理及動作邏輯的分析提出如下兩種改造方法：

　　2．5．1　方案一　　

　　如圖3所示，61(A、B或C)繼電器經(jīng)0．20 s延時動作后，利用開關(guān)輔助接點(diǎn)判斷是斷口閃絡(luò)還是三相不一致，如是斷口閃絡(luò)則發(fā)電機(jī)滅磁并啟動失靈保護(hù)。如是三相不一致則根據(jù)《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》繼電保護(hù)實(shí)施細(xì)則中6．9條要求，在發(fā)電機(jī)變壓器組的斷路器出現(xiàn)非全相運(yùn)行時，首先應(yīng)采取發(fā)電機(jī)降出力措施，然后經(jīng)由快速返回的“負(fù)序或零序電流元件”閉鎖的“斷路器非全相判別元件”，以獨(dú)立的時間元件以第一時限，啟動獨(dú)立的跳閘回路重跳本斷路器一次，并發(fā)出“斷路器三相不一致”的動作信號。若此時斷路器的故障仍然存在，可采用以下措施：

　　1)以“零序或負(fù)序電流”任何一個元件動作、“斷路器三相不一致”和“保護(hù)動作”三個條件組成的“與邏輯”，通過獨(dú)立的時間元件以第二時限去解除斷路器失靈保護(hù)的復(fù)合電壓閉鎖，并發(fā)出告警信號。　　

　　2)同時經(jīng)“零序或負(fù)序電流”元件任何一個元件動作以及三個相電流元件任何一個元件的“或邏輯”，與“斷路器三相位置不一致”，“保護(hù)動作”三個條件組成的“與邏輯”動作后，經(jīng)由獨(dú)立的時間元件以第三時限去啟動斷路器失靈保護(hù)并發(fā)出“斷路器失靈保護(hù)起動的信號”。　　

　　因?yàn)殚W絡(luò)保護(hù)及三相不一致保護(hù)均采用了啟動失靈保護(hù)的邏輯，則需分析失靈保護(hù)定值、動作邏輯對切除這兩種故障的影響。

　　2．5．1．1　主變開關(guān)失靈保護(hù)的定值(CT變比：3000/1)

　　電流繼電器50BF：0．4 A；時間繼電器62BF：0．25 s；

　　2．5．1．2　主變開關(guān)失靈保護(hù)的動作邏輯　　

　　當(dāng)其他保護(hù)跳閘接點(diǎn)啟動50BF時，如50BF滿足條件動作后利用50BF－RT瞬時重跳本開關(guān)并啟動62BF，62BF經(jīng)0．25 s延時啟動失靈保護(hù)出口繼電器86BF、94BF并跳所在母線上的所有開關(guān)。　　

　　因此斷口閃絡(luò)保護(hù)及三相不一致保護(hù)必須要在失靈保護(hù)電流檢測繼電器50BF及時間繼電器62BF的定值達(dá)到時才能出口，這樣雖然保證了動作的可靠性，但大大降低了保護(hù)靈敏度并且增加了切除故障時間。

　　2．5．2　方案二　　

　　如圖4所示，61(A、B或C)繼電器經(jīng)0．20 s延時動作后，利用開關(guān)輔助接點(diǎn)判斷是斷口閃絡(luò)還是三相不一致，如是斷口閃絡(luò)則啟動失靈保護(hù)出口繼電器86BF、94BF并跳所在母線上的所有開關(guān)。同時發(fā)電機(jī)滅磁，降低斷口電壓，使之停止閃絡(luò)。如為三相不一致則啟動失靈保護(hù)。這種方法雖然降低了保護(hù)的可靠性，但在機(jī)組正常運(yùn)行時，開關(guān)輔助位置接點(diǎn)可起到閉鎖保護(hù)出口的作用，保證了保護(hù)高靈敏度和快速切除故障的時間。

　　3　小結(jié)　　

　　綜上所述，兩種改造方案各有優(yōu)、缺點(diǎn)，方案一按照國內(nèi)的有關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)，可靠性高，但靈敏度低且切除故障時間長。尤其是實(shí)現(xiàn)三相不一致保護(hù)不僅要增加判別及時間元件，而且二次接線、定值整定也要進(jìn)行較大改動，改造比較復(fù)雜，不易于實(shí)施。方案二更能體現(xiàn)雷神公司整體設(shè)計(jì)思想，動作邏輯比原設(shè)計(jì)更為嚴(yán)謹(jǐn)、合理，與方案一相比雖然可靠性略有不及，但靈敏度高，切除故障時間短。從側(cè)重保證發(fā)電設(shè)備安全及易于實(shí)施改造等方面考慮，方案二對完善保護(hù)功能更為適用。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］王維儉．電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用［M］．北京：中國電力出版社，1996．

　　［2］國電調(diào)［2002］138號文件．防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求繼電保護(hù)實(shí)施細(xì)則［Z］．2001．

　　
摘自　北極星網(wǎng)

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