卞興煒，劉元博

(淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠，安徽 淮南 232000)

發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)存在的問題及改進(jìn)

卞興煒，劉元博

(淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠，安徽 淮南 232000)

對(duì)西門子7UM62微機(jī)保護(hù)裝置發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)存在的拒動(dòng)和誤動(dòng)隱患進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。在原有7UM62微機(jī)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，采用精度高、動(dòng)作功率小的7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置與其共同搭建匝間保護(hù)硬件平臺(tái)，并對(duì)2臺(tái)裝置內(nèi)部保護(hù)邏輯進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其在各種工況下均能正確動(dòng)作，有效避免匝間保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)。

發(fā)電機(jī)；匝間保護(hù)；負(fù)序功率方向；靈敏角

0 引言

在正常運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)定子繞組由于受電暈腐蝕、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)以及機(jī)械磨損等因素的影響，匝間絕緣會(huì)逐漸老化，一旦遭受雷電侵襲或操作過電壓的沖擊，容易出現(xiàn)匝間短路故障。故障時(shí)，短路繞組內(nèi)將形成很大的短路環(huán)流，理論分析表明，其值甚至超過機(jī)端三相短路電流。因此，定子繞組匝間短路是發(fā)電機(jī)不容忽視的一種嚴(yán)重故障形式，必須裝設(shè)可靠的匝間短路保護(hù)設(shè)備。而部分電廠的匝間保護(hù)往往存在一些問題，需要加以改進(jìn)。

1 發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)概況

某電廠西門子7UM62微機(jī)保護(hù)裝置匝間保護(hù)接線如圖1所示。其發(fā)電機(jī)定子繞組匝間保護(hù)負(fù)序功率方向元件電流回路取自發(fā)電機(jī)機(jī)端TA，TA的極性端靠近發(fā)電機(jī)側(cè)，負(fù)序電壓取自機(jī)端匝間保護(hù)專用TV的二次側(cè)星型繞組。匝間保護(hù)縱向零序電壓取自機(jī)端匝間保護(hù)專用TV的二次側(cè)開口三角繞組，經(jīng)數(shù)字濾波后，采集到縱向零序電壓基波分量，送往匝間保護(hù)啟動(dòng)門檻的邏輯判斷回路。當(dāng)測(cè)量值超過啟動(dòng)定值，且負(fù)序功率方向元件判斷為發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障，同時(shí)無其他外部閉鎖條件時(shí)，匝間保護(hù)裝置就發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)并經(jīng)延時(shí)動(dòng)作于跳閘。

圖1 該電廠西門子7UM62微機(jī)保護(hù)裝置匝間保護(hù)接線

2 不同短路情況下負(fù)序功率方向的分析

2.1 發(fā)電機(jī)匝間短路的情況

圖2 發(fā)電機(jī)匝間短路示意

根據(jù)圖1中負(fù)序功率方向元件的電壓、電流回路的實(shí)際接線，得出圖2所示的負(fù)序電壓、負(fù)序電流的規(guī)定正方向：電壓正方向?yàn)槟妇€指向大地，電流正方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)指向系統(tǒng)?？梢钥闯?，當(dāng)發(fā)生匝間短路時(shí)，負(fù)序電壓超前負(fù)序電流約 75°，此時(shí)負(fù)序功率P2=U2I2cosφ,方向?yàn)檎较颉Ｘ?fù)序功率方向元件的最大靈敏角Φsen為75°。

2.2 系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱短路的情況

2.3 發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路的情況

圖3 系統(tǒng)不對(duì)稱短路示意

圖4 發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路示意

3 發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)存在的問題

由于定子繞組縱向零序電壓并非僅匝間故障時(shí)才會(huì)出現(xiàn);在區(qū)外發(fā)生不對(duì)稱故障、匝間專用TV高壓側(cè)熔絲異常，以及縱向零序電壓回路受到外部干擾時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)，所以必須利用負(fù)序功率方向元件來判別真實(shí)的匝間短路故障。

負(fù)序功率方向元件分為2種：

(1) 反方向元件。該元件動(dòng)作則表示發(fā)生的是區(qū)外不對(duì)稱故障，應(yīng)閉鎖縱向零序電壓匝間保護(hù)，故反方向元件宜作為閉鎖元件。按之前分析，負(fù)序功率方向元件的靈敏角應(yīng)設(shè)為-105°；

(2) 正方向元件。該元件動(dòng)作則表示發(fā)生的是發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障，應(yīng)開放縱向零序電壓匝間保護(hù)，故正方向元件宜作為啟動(dòng)元件。按之前分析，靈敏角應(yīng)設(shè)為75°。

上述靈敏角設(shè)置方式的前提是按圖1所示的TA，TV極性接線。

該電廠發(fā)電機(jī)采用7UM62微機(jī)保護(hù)裝置匝間保護(hù)，是利用外置的負(fù)序功率方向繼電器作為負(fù)序功率方向判別元件，并采用上述反方向閉鎖元件的方式。保護(hù)邏輯如圖5所示。

圖5 7UM62微機(jī)保護(hù)裝置匝間保護(hù)邏輯

反方向閉鎖元件的方式存在以下缺陷，即在下列情況下均可能造成匝間保護(hù)誤動(dòng)作:

(1) 當(dāng)區(qū)外發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，可能出現(xiàn)零序電壓元件動(dòng)作而負(fù)序功率元件來不及閉鎖的情況；

(2) 在外部故障切除時(shí)，負(fù)序功率元件比零序電壓元件返回較快的情況；

(3) 匝間專用TV一次側(cè)熔絲異常，而TV斷線未動(dòng)作的情況；

(4) 縱向零序電壓回路受到外部干擾產(chǎn)生干擾電壓大于整定值的情況。

同時(shí)，在保護(hù)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該負(fù)序功率方向繼電器的動(dòng)作功率較大，當(dāng)區(qū)外發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，繼電器可能不動(dòng)作，不能起到可靠閉鎖的作用，因此需要改進(jìn)。

改進(jìn)前的反方向閉鎖元件方式的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)前出現(xiàn)定子繞組匝間保護(hù)時(shí)，由于機(jī)端電流為0，輸出負(fù)序功率為0，匝間保護(hù)可以正確動(dòng)作。

4 改進(jìn)方法

為解決反方向閉鎖元件方式下存在問題，在原有的7UM62微機(jī)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上,新增西門子7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置，與其共同搭建發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)硬件平臺(tái)，并對(duì)2臺(tái)裝置內(nèi)部保護(hù)邏輯進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使之相互配合，實(shí)現(xiàn)新的匝間保護(hù)功能。新增的7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置有著采樣精度高、動(dòng)作功率小等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用時(shí)使用其內(nèi)部的負(fù)序功率方向元件作為正方向啟動(dòng)元件(根據(jù)之前分析可知負(fù)序功率方向元件最大靈敏角設(shè)置為75°)，來替代原先的負(fù)序功率方向繼電器，并且在7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)組建匝間保護(hù)的“允許信號(hào)”送至原先的7UM62裝置內(nèi),以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)前、后2種工況下，發(fā)電機(jī)定子繞組出現(xiàn)匝間短路時(shí)，保護(hù)均能夠正確動(dòng)作，避免匝間保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)。

4.1 改進(jìn)后的保護(hù)邏輯

新增加的7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置中負(fù)序功率方向的允許邏輯如圖6所示。

圖6 7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置負(fù)序功率方向允許邏輯

改進(jìn)后的7UM62微機(jī)保護(hù)裝置中匝間保護(hù)邏輯如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的7UM62微機(jī)保護(hù)裝置匝間保護(hù)邏輯

4.2 具體實(shí)施方式

4.2.1 7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置邏輯

(1) 取“發(fā)電機(jī)出口斷路器合閘位置”信號(hào)作為區(qū)分機(jī)組并網(wǎng)前、后狀態(tài)的判據(jù)，即“發(fā)電機(jī)出口斷路器合閘位置”信號(hào)為“0”時(shí)表示并網(wǎng)前，為“1”時(shí)表示并網(wǎng)后。

(2) 并網(wǎng)前發(fā)生匝間短路時(shí)，機(jī)端沒有電流，負(fù)序功率元件無法動(dòng)作，而“發(fā)電機(jī)出口斷路器合閘位置”信號(hào)為“0”，則“負(fù)序功率正方向允許”信號(hào)為“1”，此時(shí)匝間保護(hù)不經(jīng)負(fù)序功率元件判斷，保護(hù)邏輯簡(jiǎn)化為縱向零序過電壓保護(hù)。

(3) 并網(wǎng)后，匝間短路時(shí)會(huì)造成機(jī)端電流的變化，此時(shí)匝間保護(hù)必須經(jīng)負(fù)序功率方向元件判斷，“負(fù)序功率元件正方向動(dòng)作”后“負(fù)序功率正方向允許”信號(hào)才置“1”，此時(shí)才允許匝間保護(hù)動(dòng)作。

(4) 將7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置中形成的“負(fù)序功率正方向允許”信號(hào)送至7UM62微機(jī)保護(hù)裝置中，作為匝間保護(hù)動(dòng)作的必要條件,如圖6所示。

4.2.2 7UM62微機(jī)保護(hù)裝置邏輯

將負(fù)序功率方向元件在匝間保護(hù)中的作用由原先的“閉鎖”調(diào)整為“允許”，即匝間保護(hù)動(dòng)作必須同時(shí)滿足以下條件：“負(fù)序功率正方向允許”信號(hào)置“1”、匝間保護(hù)壓板投入、縱向零序電壓超過定值、匝間專用TV無斷線信號(hào)，如圖7所示。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，“負(fù)序功率正方向允許”信號(hào)為“0”，對(duì)匝間保護(hù)起閉鎖作用，即使因各種干擾因素出現(xiàn)了縱向零序電壓，匝間保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作出口。

5 結(jié)束語

國(guó)內(nèi)的發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)裝置均采用負(fù)序功率方向元件閉鎖功能，雖然有將負(fù)序功率方向元件作為閉鎖條件或允許條件的做法，但均未考慮機(jī)組并網(wǎng)前發(fā)生匝間短路時(shí)，負(fù)序功率方向元件無法動(dòng)作的問題。

通過新增的7SJ681微機(jī)保護(hù)裝置，利用其負(fù)序功率方向元件替代原先的負(fù)序功率方向繼電器，嚴(yán)格區(qū)分了區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，也以“允許”條件替代改進(jìn)前的“閉鎖”條件，消除了匝間保護(hù)在多種情況下可能誤動(dòng)的隱患，還解決了并網(wǎng)前匝間短路時(shí)保護(hù)拒動(dòng)的問題，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)的正確動(dòng)作。對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)邏輯進(jìn)行改造后發(fā)生的500 kV系統(tǒng)相間短路故障中，負(fù)序功率方向元件能夠正確閉鎖匝間保護(hù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本次改進(jìn)后保護(hù)功能的可靠性。

1 國(guó)家電力調(diào)度通信中心．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)問答[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2004.

2 郜秋凱．某電廠發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)誤動(dòng)作分析[J]．科技信息，2011，34(11)：316-317.

2017-01-10；

2017-05-26。

卞興煒(1983—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠繼電保護(hù)專業(yè)點(diǎn)檢工作，email：bxw1983@163.com。

劉元博(1988—)，男，助理工程師，主要從事發(fā)電廠繼電保護(hù)專業(yè)點(diǎn)檢工作。