300MW发电机变压器组保护改造.pdf

6 8 第 2 4卷第 5期 2 0 0 8年 7月 电力科学与工程 el e c t r i c p o we r s c i e n c e a n d en g i n e e r i n g vo 1 2 4 no 5 j u 1 ，2 0 0 8 3 0 0 mw 发 电机变压器组保护改造 张 平 ( 大唐湘潭发 电有限责任公司，湖南 湘潭 4 1 1 1 0 2 ) 摘要：根据 ( “ 防止电力生产重大事故的二十五项重点要求”继电保护实施细则 ，制定了湘潭发电有限责 任公 司 1 号、2号机 组发 电及 变压器组保 护双重化改造 方案。每 台机组 a，b柜为双重化的保护柜，c柜 为非电量保护、非全相保护。每套保护均含有完整的主保护、后备保护和异常运行保护，均能反映被保护 设备的各种故障及异常状态，并能动作于跳闸或给出信号。电流回路、工作电源、出口回路互相独立。对 发 电机转子接 地保护 、发电机 失磁保护、发 电机定子接地保护在实际运行中存在的影响机组安全稳 定运行 问题进行了分析，并提出相应的改进措施。实践运行表明，双重化改造后的机组是安全可靠的。 关键词：发 电机变压器组保 护；双重化 配置；转子接地；失磁保护；定子接地保护 中图分类号：t m7 7 2 文献标识码：a 0 引 言 某发电公司 1号、2号机组为 3 0 0 mw 火力 发电机组，采用三机旋转励磁系统，发电机出口无 断路器。机组采_r 】 发电机一变压器一线路组接线 ， 每 台机组设置 2台高h 厂用工作变压器， 每 台机组 设置两段 6 k v工作母线。 发变组保护采用j c f b 一 3 3 8 型集成电路保护 。由于其运行时间长， 元器件逐渐 老化，抗干扰能力弱、缺陷较多、可靠性较差，并 且集成 电路保护不具备 自检功能， 要确认保护的完 好性必须经过全面的检查试验 。由于该保护元件 多，所以检验工序复杂，需要耗费大量的时间，这 与当前将机组逐步实现状态检修不适应。 两台机组 分别在 2 0 0 4年、2 0 0 7年机组大修时，根据 “ 防 止电力生产重大事故的二十五项重点要求” 继 电保 护实施细则( 以下简称 细则 )的要求，在充分 论证的基础上对发电机变压器组保护进行了改造 。 1 机组保护配置方案 1 1 保护双重化配置方案 依据 细则的明确要求：“ 1 0 0 mw 及以上 容量的发 电机变压器组微机保护应按双重化配置 ( t b 电气量保护除外) 保护” 。 保护双重化配置要求 每套保护均应含有完整的主保护、 后备保护和异常 运行保护， 能反映被保护设备的各种故障及异常状 态 ， 并能动作于跳闸或给出信号。 这种配置既可以 防止装置拒动而导致故障扩大， 又可减少因保护装 置异常、 检修等原因造成一次设备被迫停运现象的 发生。按照 细则要求，a，b屏均配置发变组 差动、主变差动、发电机差动、高厂变差动、发变 组差动差至高厂变低压侧。采用主后一体化方案， 这样 t a，t v 只接入一次，不需串接或并接，大 大减少了 t a断线 、t v断线的可能性 。保护装置 信息共享。 任何故障装置可录下一个发变组单元的 全部波形量 。 每套保护都有完整的主保护和后备保 护，两套保护相互间独立并保持完整。 按照主保护 双重化的要求 以及非 电量保护独立的原则， 全套保 护共分 a，b，c柜 。a，b柜为双重化的保护柜， 非电量保护及非全相保护置于 c柜 。a，b保护柜 的工作电源取 自两组不同的 1 1 0 v直流母线。 1 2 互感器回路改造方案 交流 电流输入回路较容易满足双重化配置独立 性的要求，但高厂变 高压侧只有一组大变比 t a。 该电流用于变压器差动保护，解决的方法有 3种， 收 稿 日期 ：2 0 0 8 0 4 1 5 作者简介：张平 ( 1 9 7 4一) ，男，大唐湘潭发电有 限责任公司工程师 维普资讯 第 5期 张平3 0 0 mw 发 电机变压器组保护 改造 6 9 方法一为采用高厂变高压侧小变 比 t a，但是，小 t a 的伏安特性低，可能造成区外故障，该 t ia饱 和则可造成保护误。方法二为采用高厂变低压侧 t a，则可能造成主变差动保护区内故障不能启动， 但该保护与高厂变差动保护范围重叠。 方法三为在 高厂变高压侧加装一组大变比 t a，但 由于高厂变 高压侧套管升高座高度不够， 无法安装一组大变 比 t a 。 新保护内部采用软件计算， 进行相位补偿与幅 值补偿 。保护装置要求 t a二次采用星形接线 ，因 此将原三角形接线的全部变更为星形接线 。 原来只考虑配置一套主变零序保护， 为实现双 重化，在主变中性点与接地点之间装设一 1 1 0 k v 电压等级的 t a。 由于微机保护易于实现数据共享， 故将多余的 电流互感器如 3 l h 在发电机 ct端子箱处的二次 回路短接并接地、1 5 l h在线路 c t端子箱处的二 次回路短接并接地 。 发电机 出口t v、高厂变低压侧 t v、2 2 0 k v 线路 t v只有一组二次绕组，电压回路难满足双重 化配置的独立性 的要求 。解决的方法 为：将线路 t v ( 2 2 0 k v 系 统 电压)电压 回路 ，发 电机 t v ( 1 yh)电压回路，高厂变 t v 电压 ( 需要电压回 路 6个)从 c柜接到屏顶小母线上 ，发 电机大轴 线从 a 柜接到屏项小母线上。小母线尽可能使用 整根铜条 ， 避免因为中间接头接触不 良导致电压偏 差。小母线与接线座接触处均匀镀上一层薄锡，这 样形成小母线与接线座软接触，使接触 良好 。 各屏 的电压输入量再从小母线分别引至 a，b柜。 1 3 其他回路改造 非电气量输入接点如遇线路保护动作切机 、 高 周切机则相互独立 ， 互不影响；各套保护装置开出 的跳闸输出回路也都相互独立 ，互不影响 。 开关量与其它装置的接 口等尽可能保持不变， 例如启动故障录波，事故顺序记录，中央信号 。实 现 电气量保护双重化后，将有相同的两套信号。将 该 a，b柜的 3种信号分别并联，再分别送到机组 录波 、中央信号、热工 s oe设备。 根据湘电调生 【 1 9 9 6 5 8号文件关于反措的 要求 ， 对变压器保护所接录波量进行设计 ：所有开 关量统一接保护装置的出口接点， 保护装置启动线 路录 波 的点全部 改为 由出 口继 电器触 点起 动 。 原至高厂变端子箱的非电量保护回路 电缆和通 风起动回路共用一根 电缆，经查证为交直流共用， 不符合反措要求 。原主变冷却器全停电缆与主变通 风启动共用 电缆，属于交直流共用，变更为现有至 两台高厂变端子箱两根 电缆单纯作为非电量保护使 用 。另外在两高厂变变压器本体处敷设电缆至主变 端子箱， 将原主变冷却器控制箱至集控室 c柜启动 通风 电缆移至主变端子箱，用于高厂变通风启动、 主变通风启动 。 从主变端子箱敷设短电缆至主变冷 控箱 ， 用于 l + ， r x6 0 4( 主变冷却器全停 ， 直流) 。 主变端子箱至主变冷控箱之 间启动主变通风回路使 用现有温度高启动通风电缆的备用芯 ( 交流) 。 2 几个应用 问题探讨 2 1 发电机转子接地保护 发电机的励磁绕组高速旋转极易发生一点接地 故障。发生一点接地后，无电流流过故障点，不形 成 电流通路 。由于无电流流过故障点，励磁电流仍 保持正常，对发电机并无直接危害， 但转子绕组对 地 已产生电压。当系统发生各种扰动时，电压可能 出现较大值 ， 极易造成另外一点接地，从而形成两 点接地短路 ，一部分励磁绕组被短接 ，其后果是： ( 1 )转子磁场发生畸变 ，力矩不平衡，引起机体震 动，无功出力降低。( 2 )故障点流过很大的短路 电 流，接地 电弧将烧坏励磁绕组和转子本体。接地 电 流可能使轴系和汽缸磁化。( 3 )转子本体局部通过 转子 电流 ，引起局部发热 ，使转子发生缓慢变形， 进而形成偏心，加剧机体震动。 转子一点接地保护原理可分为非注入式和注入 式两大类 ： 非注入式原理是依靠励磁绕组本身的电 气量构成保护判据 ； 注入式原理则需要外加辅助电 源，将辅助 电源注入转子绕组，采集相关电气量构 成保护判据。目前的励磁回路一点接地保护方式主 要有：电桥式、叠加直流 电压式、叠加交流电压式 和乒乓式等。 1号机组转子接地保护采用切换采样原理 ( 乒 乓式) ：其直流输入采用高性能的隔离放大器，通 过切换两个不同的 电子开关， 求解 4个不同的接地 回路方程，实时计算转子绕组电压 、 转子接地电阻 和接地位置。 若转子一点接地后仅发报警信号， 而 不跳闸，则转子两点接地保护延时 自动投入运行， 并在转子发生两点接地时动作于跳闸。 2号机组采用的是叠加直流式。叠加直流电源 维普资讯 7 0 电力科学与工程 2 0 0 8 芷 的电压有 5 0 v左右，由保护装置 内部 自产，电源 的内阻大于 5 0 k o。 保护的输入端与发电机转子大 轴及转子绕组的负极相连接。 当保护测量的转子绕 组回路的对地电阻小于保护动作电阻整定值时， 保 护动作。 两点接地保护 的原理是： 发电机转子两点接地 时，在定子绕组中将产生二次谐波负序分量电势， 转子两点接地保护除了以定子电压中二次谐波负序 分量为条件外，为提高可靠性 ， 还加入有二次谐波 正序分量闭锁条件。 两台机组都将转子 电压引接到保护屏。 该电压 既用于转子接地保护也用于失磁保户。 大型机组发 电机转子 电压很高， 被改造的机组正常发电机空载 励磁电压为 1 3 8 v， 正常运行时发电机转子电压为 3 0 0多 v。 灭磁时电压更高 ， 灭磁过 电压可达 1 3 0 0 多 v。如此高的电压对人员、设备来说都是一个极 大 的危险源。目前，国外的典型处理方案为，将转 子接地保护装设在励磁柜上， 由转子接地保护装置 判别转子低电压， 继电器开出接点送至发变组保护 柜作为失磁保护转子低电压保护用 。 这样失磁保护 的转子 电压判据是一固定值 ， 如果按空载额定励磁 电压整定，在发电机有功负荷重的情况下，即使发 电机机端阻抗元件满足判据 ， 如果转子电压不低于 此定值，保护也不会动作。显然在这种情况下，失 磁保护形同虚设。 国内现在有专用的转子接地保护 装置，如 rc s 一 9 8 5 re装置。该类装置可装设在励 磁柜上，与发变组保护装置配合，可实现失磁保护 变励磁判据 。 2 2 发电机失磁保护 发电机发生失磁后， 对发电机和系统都会产生 不利的影响。 继 电保护和安全 自动装置技术规程 中规定：“ 对汽轮发电机，失磁保护宜瞬时或短延 时动作于信号，有条件的机组可进行励磁切换 。失 磁后母线 电压低于系统允许值 时， 带时限动作于解 列。 当发电机母线 电压低于保证厂用电稳定运行要 求 的电压 时，带时限动作于解列 ，并切换厂用 电 源 。有条件 的机组失磁保护也可动作于 自动减 出 力 。当减出力至发 电机失磁允许负荷以下，其运行 时间接近失磁允许运行时，可动作于程序跳闸。 ” 失磁保护常用以下几种判据： 失磁保护系统侧 主判据 即三相同时低 电压判据， 异步边界阻抗动作 判据，静稳极限阻抗动作判据，静稳极限励磁电压 动作判据。 三相 同时低 电压判据可采用系统低电压 或机端低 电压。 励磁低电压判据可采用定励磁判据 或变励磁判据 。 1 号机组失磁保护三相同时低电压判据采用发 电机机端电压。 失磁保护 i 段，采用定子判据加上 转子电压判据 ，延时 0 5 s 动作于切换厂用 电源。 失磁 i i段，采用低电压判据加上定子判据再加上 转子 电压判据， 延时 0 5 s 动作于停机。失磁 i i i 段 采用定子判据加上转子电压判据，延时 3 s 动作于 停机 。 静稳极限励磁电压动作判据采用定励磁判据 与变励磁判据或门出 口。 2号机组失磁保护三相同时低 电压判据既考虑 发电机机端 电压也考虑用系统低电压 。 当发电机失 磁导致机端低电压时，经延时 0 5 s 发信并动作于 切换厂用 电源 。当发 电机失磁导致系统低 电压时， 经延时 2 s 发信并动作于停机。当发电机失磁阻抗 元件满足，或同时转子低电压也满足时，经延时发 信并动作于停机 。 静稳极限励磁 电压动作判据采用 如下方式：当转子电压低于定励磁判据时，按所给 定的延时出口。 当转子电压高于定励磁判据而低于 变励磁判据时，在所给定的延时基础上增加 0 5 s 出口。当转子 电压高于变励磁判据 时，在所给定的 延时基础上增加 1 5 s出口。 两台机组均采用异步边界动作判据。 异步边界 动作判据的阻抗特性圆肯定比静稳极限动作判据的 阻抗特性圆小， 特别是异步边界阻抗圆完全落在第 三、四象限，没有第一、二象限的动作区，有利于 减少非失磁故障时的误动几率 。 另外一个优点：系 统振荡状况下， 若两侧 电动势相等，则此动作判据 的失磁保护不可能误动。 为防止由于发电机发生失磁故障引起系统无功 储备不足而造成系统电压崩溃， 失磁保护装置中设 置了三相同时低 电压判据。 该电压一般取 自升压变 高压母线 t v三相线电压。由于失磁故障使发 电机 机端 电压很低，危及厂用电系统的安全，处于负荷 中心区域的大型汽轮发电机的三相同时低 电压判据 的电压取 自发 电机机端。 随着 电力工业的飞速发展，发电机、变压器单 机容量不断增大，系统容量不断增大，电力系统网 架结构不断扩大。若单台发电机失磁 障，升压变 高压侧母线电压不会下降很多， 这时高压侧母线三 相 同时低 电压判据就 已无实际意义。 2 3 发电机定子接地保护 基波零序电压保护条件为发电机 8 5 - 9 5 的 维普资讯 第 5 期 张平3 0 0 mw 发电机变压器组保护改造 7 1 定子绕组单相接地。 基波零序 电压保护 以发电机零 序 电压大小为动作依据 。由于保护采用 了频率跟 踪、 数字滤波及全周傅氏算法，使得零序电压对三 次谐波的滤除比达 1 0 0以上， 保护只反应基波分量。 两台机组均采用双频式定子接地保护 ， 即基波 零序过电压定子接地保护加上三次谐波 电压定子接 地保护。1号机组基波零序电压保护灵敏段取中性 点零序电压，整定值为 2 v ，动作于发信；基波零 序 电压高定值段取中性点零序 电压， 整定值为 5 v， 延时 2 s 动作于停机 。2号机组基波零序电压取 中 性点零序电压，整定值为 8 v，延时 2 s 动作于停 机。经实际运行情况验证 ，以上定值可靠 。由于运 行经验不足， 三次谐波 电压型定子接地保护 目前只 投信号，待时机成熟可考虑投跳闸。 发电机定子绕组对地 ( 铁心)绝缘的损坏将导 致接地故障 ，这是定子绕组最常见的 电气 故障。 1 9 9 5 年我国统计资料表明，全国1 0 0 mw 及以上 发电机共发生本体故障 7 1次，其中定子绕组接地 故障有 2 0次，约为本体故障的 2 8 1 7 。该类故 障发生时， 故障处电弧时断时续， 将产生间歇弧光 过电压 ，引发多点绝缘损坏，轻微的单相接地故障 可能扩展为灾难性的相 间或匝间短路， 因此完善定 子绕组接地保护非常重要。 近年国内保护装置厂家研制开发出外加 电源方 式 的定子绕组单相接地保护装置 r cs 一 9 8 5 u 定子 接地辅助电源装置提供 2 0 hz 的外加低频电源注入 到发 电机定子绕组侧，与 rcs 一 9 8 5发电机变压器 成套保护装配合， 可构成完整的外加低频电源定子 接地保护。 发电机定子绕组接地保护可以有两套不 同的方式，一套为传统的双频方式，另一套为外加 电源方式， 这大大提高了发电机定子接地保护的可 靠性 。 3 结论 1号、2号发变组保护改造后，实现了 “ 当一 套保护因异常需要退出或需要检修时， 应不影响另 一 套保护正常运行 ， 从而可 以不停机组的运行”的 要求。 因为单套保护装置的可靠性满足长期独立运 行 的要求，当双套保护装置并列运行时，可靠性非 常高，可最大限度地满足 “ 双重化保护实现后可 以 防止保护装置拒动而导致系统事故”的要求 。 新保 护装置具有完善的自检及互检功能， 信号出口指示 直观明确 ，保护压板和出口压板独立设置，状态指 示 明确 。新保护装置 的人机界面友好 ，装置透 明 化，投运 以来一直运行 良好。 co n v e r s i o n o f ge n e r a t o r - t r a n s f o r me r pr o t e c ti o n i n 3 0 0 m w un i t z h a n g p i n g ( d a t a n g xi a n g t a n ge n e r a t i o nc o ，l t d ，xi a n g t a n4 1 1 1 0 2 ，c h i n a ) ab s t r a c t ：i t p r e s e n t e d c o n v e r s i o n m e t h o d o f r e d u n d a n t p r