大型水电机组保护配置及相关问题研究

大型水电机组继电保护配置及相关问题的研究,2,主要内容,百万千瓦级水电机组保护配置及相关问题研究百万千瓦级水电机组的特点及其对继电保护的影响百万千瓦级水电机组保护配置百万千瓦级水电机组保护关键技术大型抽水蓄能机组保护配置及相关问题研究大型抽水蓄能机组的特点及其对保护的要求大型抽水蓄能机组保护配置大型抽水蓄能机组保护关键技术结语,3,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(1),机组结构变化发电机参数变化励磁参数变化有效材料利用率提高绝缘监测要求提高,对保护的影响,4,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(2),机组结构变化特大型水轮发电机定子绕组分支数很多，且多为“波绕组”三峡右岸700MW水电，ALSTOM机组，半水冷，每相6分支；东电机组，半水冷，每相5分支；哈电机组，全空冷，每相8分支龙滩700MW水电，哈电机组，全空冷，每相8分支中性点引出方式灵活完全纵差或不完全纵差裂相横差或不完全裂相横差高灵敏单元件横差,5,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(3),径向尺寸很大，容易出现转子偏心，影响单元件横差保护的灵敏度,6,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(4),机组结构变化特大型主变压器受货物运输条件限制，特大型主变采用3单相变压器组形式每个绕组有2个引出端，可装设分侧差动，与励磁涌流无关相间短路几率小，接地短路几率增加为了提高接地故障灵敏度，宜配置零差保护。,7,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(5),发电机参数变化电抗参数(Xd,Xd,Xd)相对增大发电机的静稳储备减小，在系统受到扰动或者发电机发生失磁故障时很容易失去稳定。发电机平均异步转矩降低，失磁后异步运行的滑差大，从系统吸收感性无功多，允许异步运行的负载小、时间短。所以大型机组更需要性能完善的失磁保护。,8,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(6),发电机参数变化定子绕组电阻相对减小定子回路时间常数增大，非周期电流衰减变慢，严重恶化保护用TA的工作特性。需要选用不易饱和的TA或采取可靠的TA饱和识别判据。,9,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(7),励磁参数的变化均采用自并励静态励磁方式。转子电压通常大于400V，强励时会更高，引出电缆绝缘要求高。转子接地保护宜单独安装。,10,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(8),有效材料利用率的提高惯性时间常数较小时间常数小，机组易于发生振荡，失步保护需要投入跳闸。热容量较小，与铜损、铁损之比显著下降机组的热容量变小，定子过负荷保护、转子过负荷保护、转子表层负序过负荷保护需要投入反时限功能。,11,百万千瓦级水电机组的特点及其对发变组保护的影响(9),绝缘监测要求提高定子、转子电压高700MW级机组定子电压高达23kV定子、转子绝缘监测要求提高定子、转子绝缘要求提高，相应的绝缘监测要求提高。倾向于能在发电机未加励磁或静止的状态下检测定子、转子的绝缘情况。,12,百万千瓦级水电机组保护的配置(1),机组保护的双重化配置严格参照技术规程、反措要求“双主双后”、“主后一体化”配置发电机的主保护根据发电机中性点引出方式，灵活配置各种差动保护完全纵差、不完全纵差、完全裂相横差、不完全裂相横差、单元件横差,13,百万千瓦级水电机组保护的配置(2),主变压器的主保护装设分侧差动或零序差动发变组的其他保护定子接地保护：“基波零序电压+三次谐波电压”定子接地保护；注入式定子接地保护转子接地保护：乒乓式转子接地保护；注入式转子接地保护突加电压保护失磁保护失步保护后备保护,14,百万千瓦级水电机组保护的配置(3),参考：700MW水电机组主接线与保护配置,15,百万千瓦级水电机组保护的配置(4),A屏、B屏：完成发电机、励磁变的所有电量保护C屏、D屏：完成主变、厂变的所有电量保护E屏：完成所有非电量保护,16,百万千瓦级水电机组保护的配置(5),17,百万千瓦级水电机组保护的几个关键技术(1),高性能的内部故障保护抗CT饱和的措施定子、转子绕组绝缘监测与接地保护凸极发电机的失磁保护关键技术小结,18,百万千瓦级水电机组保护的几个关键技术(2),解决内部故障保护动作快速性和可靠性的措施采用工频变化量差动保护原理，提高了重负荷情况下内部轻微故障的灵敏度。采用具有专利技术的变斜率比例差动保护原理提高了稳态差动的灵敏度，并对CT暂态不一致有很好的制动作用。采用电流比率制动和浮动门槛相结合的横差保护，提高轻微匝间故障的灵敏度。,19,高性能的内部故障保护(1),灵敏的工频变化量差动保护动作方程,制动电流工频变化量,差电流工频变化量,20,高性能的内部故障保护(2),工频变化量比率差动的优点：只反映故障分量，不受发电机、变压器正常运行时负荷电流的影响过渡电阻影响很小提高了发电机、变压器内部轻微故障时保护的灵敏度。,21,高性能的内部故障保护(3),工频变化量比率差动保护动作实例满负荷运行时发电机内部A、B相2.5%经过渡电阻短路,22,高性能的内部故障保护(4),变斜率比例差动保护动作方程不设拐点，一开始就带有制动特性只需整定起始斜率Kbl1、最大斜率Kbl2和起动值Icdqd,23,高性能的内部故障保护(5),变斜率比例差动动作特性曲线,24,高性能的内部故障保护(6),变斜率比例差动的优点由于一开始就带制动，差动保护动作特性较好地与差流不平衡电流配合，因此差动起始定值可以安全地降低；提高了发电机、变压器内部轻微故障时保护的灵敏度，尤其是机组起停过程中（4555Hz）内部轻微故障差动保护的灵敏度；可以防止区外故障TA不一致造成的误动。,25,高性能的内部故障保护(7),变斜率比率差动保护动作实例主变内部C相1.5%匝间故障,26,高性能的内部故障保护(8),大型水电机组单元件横差保护高定值段匝间保护等同于传统单元件横差保护灵敏段匝间保护：相电流比率制动原理采用频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法等技术，保护只反应基波分量,27,高性能的内部故障保护(9),浮动门槛技术对其他工况下（不同负载、电压升高、失磁故障等），横差电流不平衡电流的增大，采用浮动门槛躲过不平衡电流电压。频率跟踪与数字滤波器结合，频率偏移时，三次谐波滤过比仍大于100由于采取了以上措施，横差电流定值只需按躲过正常运行时不平衡基波电流整定，区内故障灵敏动作，区外故障可靠制动。,28,高性能的内部故障保护(10),单元件横差保护动作实例1发电机变压器区外AB两相故障横差电流波形，横差电流增加，由于相电流也增加,因此能可靠制动,29,高性能的内部故障保护(11),单元件横差保护动作实例2发电机区内B1-B3匝间故障横差电流波形，横差电流增加,而相电流变化不大,横差保护灵敏动作,30,抗CT饱和的措施(1),CT饱和对保护的影响问题短路过程中非周期分量可能导致CT饱和，影响差动保护的动作性能解决措施：采用具有专利技术的异步法CT饱和判据，区内故障时即使CT严重饱和，差动保护仍快速动作；区外故障时，准确判出区外故障，可靠制动。,31,抗CT饱和的措施(2),全新的异步法CT饱和判据关键判据:根据制动电流和差动电流是否同步出现，准确判出区外故障，投入抗CT饱和算法。抗CT饱和算法:利用变压器、发电机差流中谐波含量和波形特征来识别电流互感器的饱和。,32,抗CT饱和的措施(3),区内故障时，制动电流和差电流工频变化量同步出现,33,抗CT饱和的措施(4),区外故障时，制动电流和差电流工频变化量先后异步出现,34,抗CT饱和的措施(5),“异步法”CT饱和判据的优点区内故障、区内故障CT饱和，差动保护快速动作区外故障，投入抗CT饱和判据，差动保护不会误动允许CT饱和最快时间：5ms,35,抗CT饱和的措施(6),发电机区外故障并伴随CT饱和，差动保护没有误动,36,抗CT饱和的措施(7),区内故障并伴随CT饱和，差动保护快速动作,37,抗CT饱和的措施(8),区外故障，CT饱和，差动电流与制动电流轨迹,t0:正常运行t1:判出区外t1-t05ms,38,抗CT饱和的措施(9),区外故障，CT饱和，差动电流与制动电流轨迹,t0:正常运行t1:判出区外t2:开始饱和t3:进入动作区t1-t05ms,39,定子、转子绕组接地保护(1),发电机定子接地保护大型水电机组定子绕组对地电容大大型水电机组定子绕组三次谐波匝电势分布复杂部分大型机组定子绕组三次谐波电势很小大型发电机需要在无励磁状态下检测定子绝缘外加电源（注入式）定子接地保护,40,定子、转子绕组接地保护(2),发电机转子接地保护大型发电机需要在无励磁状态下实现转子绝缘监测外加电源（注入式）转子接地保护,41,注入式定子接地保护(1),接线示意图,电源装置将低频电压加在负载电阻Rn上，并通过接地变压器，将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中。,保护装置检测注入的电压、电流信号，通过保护计算判断接地故障。,42,注入式定子接地保护(2),实现原理,正常情况下，注入电流主要是电容电流。,对地绝缘破坏，注入电流出现电阻性电流。,检测注入的低频电压、电流，可计算出接地电阻阻值，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。,43,注入式定子接地保护(3),保护逻辑接地电阻判据、零序电流判据、回路异常闭锁、频率闭锁,44,注入式定子接地保护(4),主要特点保护范围为100%，灵敏度不受接地位置影响；不受发电机运行工况的影响，在发电机静止、起停过程、空载运行、并网运行、甩负荷等各种工况下，均能可靠工作。采用一体化设计的电源，回路简洁、可靠性更高、维护更方便。采用多项关键技术(安全电流限制、精确回路补偿、辅助电源一体化设计)后的注入式定子接地保护接地电阻测量精度高、保护逻辑更加完善。,45,注入式转子接地保护(1),大型发电机组励磁电压很高，直接引入发变组保护装置比较危险，转子接地保护宜单独配置。针对特大型机组，为了在未加励磁电压的情况下，也能监测转子绝缘情况，迫切需要采用注入式转子接地保护。,46,注入式转子接地保护(2),方法和原理根据转子绕组引出方式，在转子绕组的正负两端或其中一端与大轴间注入方波电压，注入电压的频率可根据转子对地电容的大小进行调整。,47,注入式转子接地保护(3),保护原理在转子绕组的一端（或两端）与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的阻值，构成转子一点接地保护。,48,注入式转子接地保护(4),主要特点保护灵敏度与转子接地位置无关；可在未加励磁电压的情况下，也能监视转子绝缘情况；可选择单端注入或双端注入，双端注入原理可实时计算转子接地位置，进而通过接地位置的变化实现转子两点接地保护；方波电源的切换周期可根据实际的转子绕组对地电容大小进行整定，切换周期的调整范围宽，确保接地电阻的测量不受转子绕组对地电容的影响。,49,凸极发电机的失磁保护(1),大型水轮发电机电抗XdXq静稳极限的机端阻抗为滴状圆过去只能采用近似苹果圆接近滴状圆滴状曲线的技术直接整定Xd,Xq,Xd,Xs自动计算出滴状曲线,50,凸极发电机的失磁保护(2),失磁保护采用开放式保护方案，多个判据可灵活组合发电机阻抗判据发电机转子电压判据母线电压判据机端电压判据无功反向判据,51,关键技术小结,大型机组保护关键技术工频变化量差动保护变斜率比率差动保护异步法TA饱和判据电流制动与浮动门槛相结合的高灵敏横差保护注入式定子接地保护的方法注入式转子接地保护的方法发电机复合零序电压匝间保护的方法变压器反时限过激磁保护方法基于励磁阻抗变化的变压器励磁涌流判别方法凸极发电机失磁保护新原理采用上述关键技术后，大大提升了机组保护的性能,52,主要内容,百万千瓦级水电机组保护配置及相关问题研究百万千瓦级水电机组的特点及其对继电保护的影响百万千瓦级水电机组保护配置百万千瓦级水电机组保护关键技术大型抽水蓄能机组保护配置及相关问题研究大型抽水蓄能机组的特点及其对保护的要求大型抽水蓄能机组保护配置大型抽水蓄能机组保护关键技术结语,53,大型抽水蓄能机组的特点(1),抽水蓄能电站的优点：顶尖峰、填低谷、调频、调相、事故备用、黑启动、负荷跟踪速度快等，对改善电网的经济性和稳定性有很大的作用。广州抽水蓄能电站投产后，在电网中发挥了紧急事故备用作用。1994年5月至1996年年底期间，在核电机组跳机、火电机组甩负荷和西电解列等66次事故中，由于广蓄电站迅速投入，防止了事故的扩大。,54,大型抽水蓄能机组的特点(2),可逆式水泵水轮发电电动机组当机组向某一方向旋转时，表现为电动抽水，向另一方向旋转时则表现为水力发电。在电气上要求电源相序随发电工况和驱动工况而转换；同时电机本身的通风、冷却系统和轴承结构都能适应双向旋转工作。运行方式多、工况转换频繁担任填谷调峰、调频的作用，工况转换频繁，一般每天要启停数次，且抽水、发电两种工况下电压相序相反。对于水头变化较大的电站，为了适应抽水工况下较大扬程的变化，有的机组还通过变极实现两种转速的抽水运行工况，如安徽响洪甸抽水蓄能电站、河北岗南抽水蓄能电站等。,55,大型抽水蓄能机组的特点(3),需要专门启动设施可逆式电动发电机作电动机运行时，不能像组合式机组那样利用水轮机来启动，而必须采用专门的启动设备，如静止变频器、换向开关、启动母线等。从电网上启动，或采用背靠背方式各台机组间同步启动。水泵启动方式大容量的蓄能机组一般采用以静止变频（SFC）启动为主，背靠背启动（同步启动）为备用启动方式。,56,大型抽水蓄能机组对保护的要求水泵工况启动过程的特点及对保护的影响,水泵启动过程的特点无论是变频启动或同步启动，水泵工况的发电电动机组三相定子电流的频率和幅值随着转速升高而变化。低频过程对保护的影响启动初始阶段，转速很低，频率也低，电压和电流的幅值也小，可能造成机组保护装置的误动或拒动。抽水蓄能机组在水泵启动过程之始已加励磁，且持续时间较长（有时可能超过10min），需要将可能误动的保护功能闭锁，同时在启动过程中仍具有一定的可靠工作的保护功能。增设用于水泵启动过程的低频过流保护。,57,大型抽水蓄能机组对保护的要求换相操作对保护的影响,换相操作对保护的影响抽水蓄能机组是通过换相开关来改变相序（正序或负序），来达到正转或反转，换相开关一般是通过将A相和C相倒换来实现相序的改变。水泵工况时，一切与相序有关的保护，如纵差保护、正负序分量、各种阻抗元件和功率元件等均受其影响，应根据运行工况的判别，通过软件或连锁换相切换等手段完成A、C相转换，确保水泵工况下所有保护功能正常工作。,58,大型抽水蓄能机组对保护的要求水泵工况需要配置的特殊保护(1),抽水工况时的失电保护抽水工况时若电流突然消失，机组转速将下降，在此过程中，水头作用于轮叶的力与机组旋转方向相反，机组将产生剧烈的水力振动，有可能损坏轴承。转速过零后机组在水头作用下转为反向旋转，此时若不及时停机，机组将过速。这种工况的突然改变，对机组和输水管都很危险。（1）低功率保护：作为防止电动机工况下，输入功率过低造成抽水倒泄的保护，保护在抽水工况且导叶打开后才投入。（2）低频保护：分两段，I段是为防止机组失去电源时产生振动和过速，动作于停机；II段是为防止系统因故障而失去大电源时系统频率过度降低，动作于停机或向机组控制系统发出一个由抽水转发电的信号。该保护在机组并网后才投入，是低功率保护的后备。（3）低电压保护：作为抽水工况时电源电压下降或消失的保护，也在机组并网后才投入。,59,大型抽水蓄能机组对保护的要求水泵工况需要配置的特殊保护(2),低频过流保护鉴于差动保护在低频运行时可能误动而解除，需要增设低频过流保护，作为水泵启动过程中的保护，采用与频率无关的算法，启动完毕并网后以及发电工况时均退出运行。电压相序保护作为防止换相开关因故障或误合而造成发电电动机机端电压相序与旋转方向不一致的保护。保护延时动作于停变频器、停止启动。,60,大型抽水蓄能机组对保护的要求水泵工况需要配置的特殊保护(3),关于发电机定子接地保护传统原理一般采用基波零序电压三次谐波电压原理构成的100%定子接地保护。据了解，三次谐波电压原理在抽水蓄能机组上应用效果不好，原因是发电-电动机在发电和抽水两种不同工况下，三次谐波电压受工况影响而变化，可能出现在一种工况下整定的参数在另外一种工况下不适用。目前，现场一般是在发电工况投入三次谐波电压判据，在抽水工况闭锁该保护。抽水工况下没有100%定子接地保护！解决以上问题的途径是采用与三次谐波无关的保护原理，采用注入式100%定子接地保护原理，在发电和抽水工况下，均能可靠工作。,61,大型抽水蓄能机组对保护的要求机组运行工况判别,运行工况的判别为了正确识别各种不同工况，实现各种工况下保护的闭锁和投入条件，保护装置中引入以下辅助开关接点：断路器、灭磁开关、电制动开关、换相开关（发电工况）、换相开关（抽水工况）、启动回路拖动机隔离刀闸、启动回路被拖动机隔离刀闸等，通过不同开关的组合来判断机组不同的运行工况。为了确保工况转换状态判别的准确性，保护装置至少应根据两个以上独立信号（如工况转换命令、换相开关位置等）来进行工况判别，防止工况判断错误导致保护误动或误闭锁。,62,大型抽水蓄能机组保护典型配置(1),发电-电动机保护（1）纵差保护电气制动及抽水启动过程中闭锁。（2）定子匝间保护：单元件横差保护，在抽水启动过程中闭锁。（3）定子接地保护基波零序电压95%定子接地保护+注入式100%定子接地保护，在抽水工况启动过程中闭锁。（4）带电流记忆的复压闭锁过流保护（5）失磁保护：抽水启动过程中闭锁（6）失步保护：抽水启动过程中闭锁（7）定子过电压保护（8）定子过负荷保护（9）负序过负荷保护：抽水启动过程中闭锁。（10）发电机过励磁保护,63,大型抽水蓄能机组保护典型配置(2),（11）低功率保护