07 邯峰电厂660MW机组保护特点及其改进.doc

全国火电大机组（600MW级）竞赛第11届年会论文集电气邯峰电厂660MW机组发变组保护特点及改进赵尤理李彦学（华能邯峰发电厂）摘要：华能邯峰发电厂2660MW机组，采用德国西门子公司新型数字式发电机变压器组继电保护,其发变组保护为西门子公司新一代数字式产品，与国产装置相比在保护原理、功能配置以及软硬件构成上都存在较大的差异，有许多值得借鉴的特点，本文结合现场的试验和运行情况，对装置的主要保护原理、保护定值、和实际运行中发现的问题进行了讨论与分析，并提出了解决方法。关键词：西门子；发变组；继电保护；技术特点华能邯峰发电厂两台660MW燃煤发电机组，主设备引进德国西门子公司设备，发变组保护采用西门子公司7UM51、7UT51、7SJ51、7UW50、7SW67等系列数字式继电器成套装置，是90年代开发研制的新一代数字产品，采用16位微处理器，从测量值采集处理到发出跳闸命令，全部实现数字化运算与控制，具有完善的自检功能，并且适应于VDEW（德国应用联合会）和ZVEI（德国电力及电子设备生产厂商联合会）所提出的标准化通讯规约。西门子的数字式保护系统，与国产装置相比无论在保护原理和功能配置上，还是在装置的软硬件构成上都有着较大的不同，其模块化的设计思想、新颖的保护原理和友好的人机界面很值得借鉴。同时也应该注意到，由于制造业技术水平的差异，国内外对大型发电机组继电保护配置的要求不尽相同。1 继电器简介（1）7UT51继电器2：主要为电流差动继电器，7UT512应用于双绕组变压器或电动机，7UT513为三绕组变压器、三分支保护，并可以实现限制接地保护。（2）7UM51继电器：主要为综合保护继电器，可分别为7UM5113、7UM5154、7UM5165，互相组合即可实现发变组的基本保护功能（阻抗、失步、频率、逆功率、负序、电压、定子、转子接地保护）等功能。（3）7SJ51系列：高厂变过流、热过载、零序保护（4）7UW50：一种硬件出口矩阵，可以有28路跳闸输入，10路跳闸输出，并有红色和黑色的插头，代替传统的保护压板，方便的投退保护。（5）7SW67：由10个快速中间继电器构成，对保护装置外部开入量（如瓦斯等）进行隔离，保护装置跳闸令也经该继电器直接驱动跳闸。2发变组保护配置邯峰660MW发电机，发电机-变压器组（发电机、主变和高厂变）保护被合理地分配在两个保护屏10CHA11、10CHA12内，见表1。两个保护屏相互独立，都具有对发变组主设备的保护功能，基本上实现了主保护双重化的设计要求。对于非电量保护如：变压器瓦斯保护、压力释放跳闸、温度高跳闸等，通过专门的开入量继电器7SW67引入保护屏，直接经跳闸回路驱动出口。从保护配置中可以发现，并没有国内常用的匝间保护功能。表1发变组保护配置及动作表1发变组差动保护F2423主变油温高跳闸A512发电机差动保护F1024主变绕组温度高跳闸A513发电机阻抗保护F2125主变高压侧中性点零序过流保护F154逆功率保护-1F1126#1高厂变差动保护F17/18逆功率保护-2F2127#1高厂变过流保护F255不对称保护F2128#1高厂变A、B分支零序电流保护F25/26690%定子接地保护F2129#1高厂变A、B分支限制接地保护F17/187100%定子接地保护F1230#1高厂变瓦斯保护A548转子接地保护F1231#1高厂变无载调压保护A549过激磁保护F1232#1高厂变压力释放器动作A5410低励磁保护F1133#1高厂变油温高跳闸A5411频率保护-1F1134#1高厂变绕组温度高跳闸A54频率保护-2F1235#2高厂变差动保护F27/2812发电机失步保护F2136#2高厂变过流保护F1513零序电压保护F1237#2高厂变A、B分支零序电流保护F15/1614发电机过电压保护F1138#2高厂变A、B分支限制接地保护F27/2815发电机过负荷保护F1139#2高厂变瓦斯保护A5216突然加电压保护F1940#2高厂变无载调压保护A5217励磁变压器过流保护F1341#2高厂变压力释放器动作A5218发电机中性点零序电流保护F1342#2高厂变油温高跳闸A5219主变差动保护F1443#2高厂变绕组温度高跳闸A52注：主变为单相式，所有开关量保护为三个。44励磁单元-1A5220主变瓦斯保护A53励磁单元-2A5421主变无载调压保护A5345外部保护跳闸-1A5222主变压力释放器动作A51外部保护跳闸-2A543部分保护原理简介3.17UT513差动继电器采用了多折线式比率制动特性，见下图。图中a-b-c-d构成了继电器的制动特性曲线，其上方为差动动作区，下方为不动作区。a段是差动继电器灵敏门槛值，定值一般整定为0.25I/IN，它必须躲过稳态不平衡电流。为防止变压器因抽头位置变化和主CT、继电器辅助CT变比误差引起的不平衡电流造成的继电器误动，b段斜率略微增大一些，一般整定为0.10.25 ,直线a 和折线b的拐点为INTR（变压器的额定电流）；由于变压器区外故障产生的巨大穿越电流将使两侧CT饱和度不一样，并产生很大的差流，为避免差动继电器发生误跳闸，一方面进一步增大c段的斜率来提高其制动能力，另一方面采用了由曲线e形成的增加稳定区（e的斜率为b段的一半）来监视CT饱和。通常CT饱和是在故障1/4周波后发生的，因此在区外故障发生的1/4周波内，Idiff很小，而Istab很大。该继电器在大电流发生的10ms内检测继电器的工作点，如果进入了“增加稳定区”，则判断CT饱和，闭锁差动继电器出口18个周波。d段为大电流时的差动速断段。对于差速断保护定值的整定，SIEMENS提供的整定方法为变压器短路阻抗的倒数(1/Uk)，根据大型发电机变压器继电保护整定计算导则6，对220500KV变压器，差电流速断是变压器纵差保护的一个辅助保护，当内部故障电流很大时，防止由于CT饱和引起的差动保护延迟动作。变压器差电流速断的整定值应按躲过变压器初始励磁涌流或外部短路的最大不平衡电流整定。按正常运行方式保护安装处两相短路校核灵敏度，即变压器高压侧短路时灵敏系数大于1.2。根据继电器的二次电流匹配方程，用单相法在变压器Y侧试验时，继电器的动作值应为整定值的1.5倍；在变压器侧试验时，继电器的动作值应为整定值的 3倍；而使用三相法进行动作值试验时，动作值应与整定值相同。当用单相法在变压器侧进行继电器动作值试验时，超前相的差动继电器应动作，且动作值应与试验相的动作值相等。由于数字式差动继电器采用内部矩阵算法进行电流幅值与相角的补偿，故应模拟正常运行时三相额定负荷电流，以校验继电器内部极性以及电流幅值和相位是否得到补偿。由于中性点电流在正常运行时相量无法测量，因此对中性点CT要进行电流极性试验，并保证其接线正确。3.2低励保护根据发电机定子电压和电流计算导纳，保护特性完全模拟发电机静稳运行曲线，并取发电机励磁电压作为其失磁判据。其定值1=0.45 ,1=80; 2=0.49 ；2=90;3=1.1 ；3=100，励磁电压定值UFD为空载额定电压的50%，动作特性如下，表2邯峰电厂低励保护动作表特性时间无功值（MVAR）方式1曲线1+曲线210S-376/-409方式2曲线1+曲线2；UF小于UFD1.5S同上方式3曲线31S-920对照华北局200MW以上容量配置的频率异常等保护运行监督管理规定7，失磁保护定值整定必须保证发电机失磁时可靠跳闸，当引入三相同时低电压判据时，500KV系统一次值不宜低于490KV；220KV系统不宜低于209KV；采用机端电压时不低于85%额定机端电压。由阻抗元件和低电压元件构成的，低电压信号应采用机端电压。动作时限2段一般不大于1.0S，1段一般不大于0.5S。邯峰电厂低励保护采用导纳原理的，由阻抗元件和低电压元件构成，但低电压信号采用发电机额定空载时励磁电压的50%，I段和II段在没有低电压判据时动作时间为10S，在有低电压判据时动作时间为1.5S，III段保护动作时间为1S。对于低励的低电压判别元件采用了励磁电压的判据，而未采用机端电压，曲线III动作时间定值为1S，此项定值不做修改，因为低励保护保护三段没有低电压闭锁（系统电压、发电机出口电压、转子电压），在外部短路及定子回路故障时，通过检测定子电压（U25V）闭锁此保护。另外，在机组调试时要注意低励保护和励磁低励限制定值配合，防止定值交叉。3.3阻抗保护发变组阻抗保护为发电机出口相间短路的后备保护，在发电机采用封闭母线的今天，发电机出口短路可能性几乎没有。但对于自并励机组，在短路电流快速衰减时，此保护就很重要了。为防止PT二次断线引起阻抗保护误动，其三相电流大于1.28I/IN为该保护动作的必要条件，该阻抗继电器动作特性曲线为正方形，阻抗I段定值整定为0.7XT（XT为变压器短路电抗），动作时间0.3S，阻抗保护还设有电流段，即电流大于1.28I/IN，延时4S出口；同时，还采用低电压自保持的过电流保护，即电流大于1.28I/IN后，机端电压低于70%，即使电流消失后，仍靠低电压保持一段时间，直至保护出口。这是发生短路时，自并励发电机后备保护延时与衰减电流发生矛盾时，采用此方案。阻抗保护为了防止在系统振荡时误动，检测负序电流小于0.1IN。3.4限制性接地保护对于非直接接地系统，为提高接地故障时保护的灵敏度，SIEMENS数字式保护设置了高灵敏的零差保护，即：限制性接地保护。限制性接地保护是通过比较变压器引出电流的零序分量与变压器中性点的零序电流的相位关系构成的，变压器引出电流的零序分量由星形连接的CT回路自产获得，图5为限制性接地保护原理示意。这种采用相位比较原理的零差保护，对接地故障具有良好的选择性和极高的灵敏度。图5限制性接地保护原理示意邯峰电厂在一次区外接地故障时，其限制接地保护误动，通过故障发现电流互感器一次、二次不对应，实际检查发现一次、二次接反，且极性错误。查阅7UT513继电器说明书，该继电器在没有完成一次零序试验时，限制接地保护不能投入，检查机组投运时发电机保护一次试验调试报告，未做此项试验，因此将高厂变限制接地保护暂时退出运行；并对所有高压厂用变压器的中性点零序CT进行检查发现，起备变、四台高厂变均存在同样问题。在机组停机检修时通过用电焊机外加电流源的方法对高厂变限制接地保护进行了一次通流实验，通过一次通流试验，验证了这几台高厂变限制接地保护的接线正确性，现限制接地保护已投入正常运行。4存在的问题及改进4.17UT513继电器的零序处理 I0-CORRECTION为采用主变中性点的零序电流在发生接地时进行补偿，提高保护的灵敏度；I0-ELIMINATION是采用软件的矩阵变换可进行相位补偿并消除零序电流分量，所以不会在区外接地故障时造成差动保护误动；WITHOUT是不对变压器零序分量做任何处理。邯峰#2主变差动继电器曾发生过在外部接地时，发生误动，后来检查定值，其控制字为I0-CORRECTION，但在一次检查零序CT极性时发现二次接反，如果应用I0-ELIMINATION，可不考虑零序电流补偿，但保护灵敏度降低1/3。但如果在未用单相接地试验验证其极性时，用该控制字也是一种不错的办法。4.2电压回路断线闭锁功能的改进邯峰电厂发电机发变组保护90%定子接地保护曾因PT一次保险熔断发生误动，90%定子接地保护（定值10V，延时0.3S跳闸），零序电压取发电机出口电压互感器T6的开口三角电压，因此在PT高压保险熔断后会引起保护动作，直接造成发电机停机，因此，采用电压平衡继电器的接点给继电器加闭锁条件，使该保护在T6 PT高压保险熔断后不动作。发电机出口共有T5、T6两组PT，平衡继电器取两组PT的二次电压，当任一相保险熔断后，该继电器动作，并闭所用于断线PT的保护。阻抗保护做为机组短路故障的后备，对发电机阻抗保护，西门子只设计用PT二次小开关的辅助接点经开关量输入闭锁阻抗保护，事实上这种方法并不可靠。现场对此回路进行了改进，采用发电机二次PT柜内的电压平衡继电器的动作接点，当T5的PT高压保险熔断后，或者由于PT二次小开关断开后，平衡继电器均会动作，上述两种异常情况都能可靠地闭锁阻抗保护。而T6的PT回路有异常时，由于阻抗保护电压取自T5，也不会引起阻抗保护误动。 4.3部分保护的出口动作方式4.3.1对于660MW的大型发电机组，运行时突然与系统解列，要想维持机组“孤岛”运行，由于汽轮机调速系统限制，不仅很难，而且根本没有可能。所以，发变组保护动作于解列或解列灭磁，应用于大机组，应给以改进，因此，原动作于解列或解列灭磁的过/低频I段；过负荷；220KV零序过压；阻抗T3段、失步；不平衡；远方切机；紧急跳主开关均改为跳主开关、灭磁、厂用电切换、启失灵方式。4.3.2变压器压力释放器动作于跳闸电力变压器运行规程8（DL/572-95）5.4 变压器的压力释放器接点宜作用于信号。近年来，许多大型变压器用压力释放器取代安全气道作为释压保护装置。压力释放器带有一对电触点，当其动作时接通，它能反映内部压力的突变。但是，由于该装置不同于压力继电器，在结构和可靠性上还有一些问题，曾发生接跳闸后的误动，因此，本条规定为宜作用于信号。国内曾发生过由于回路绝缘破坏发生短路，造成误动切机的事故。邯峰厂启动备用变压器也曾发生过雨水沿电缆流入接线盒，造成回路短路，压力释放跳闸的事故。邯峰#1机组曾因#1主变C相压力释放电缆进水造成停机一次。因此，#1、#2主变，高厂变，起备变压力释放宜改投信号，防止误动。 4.3.3主变压器无载调压保护无载调压保护是用变压器无载调压分接头的辅助接点的闭合与开断状态，来反应调压分接头是否到位，调到位时保护接点断开，不到位时接点闭合。我厂变压器分接开关基本没有操作，但以前因分接开关进水造成保护动作。实际检查发现，#1主变无载调压开关在圆形罩内，用于操作的孔被圆形铁片覆盖并用螺丝固定，运行中排除有误操作现象。#2主变无载调压开关，已加装明锁，四台厂变无载调压开关也有专用的机械锁。电力变压器运行规程8规定：“在变换分接时，应作多次转动，以便消除触头上的氧化膜和油污。在确认变换分接正确并锁紧后，测量绕组的直流电阻。所以无载调压保护应投信号，并在分接开关上加装机械锁，以防止运行中误动分接开关。如果变压器停电后操作分接开关位置不到位，通过报警信号以便及时采取措施。调压分接头是否到位应通过测量绕组的直流电阻来检查。4.3.4减出力方式：该方式是指将汽轮机出力减到给定值。邯峰电厂的低励保护（失磁）、失步保护均作用于跳闸，无此方式。因为失磁保护动作于减出力时，无法给出各种运行工况需要减负荷的数值，热工系统无法实现。4.3.5#1主变冷却器全停保护：#1主变冷却器全停保护由跳闸改发信， DL/T572-1995电力变压器运行规程8规定，3.1.7项 无人值班的变电站内安装的强油循环冷却的变压器，应有保证在冷却器系统失去电源时，变压器温度不超过规定值的可靠措施，并列入现场规程。4.4.3项 强油循环风冷和强油循环水冷变压器，当冷却器系统故障切除全部冷却器时，允许带额定负荷运行20min.如20min后顶层油温尚未达到75度，则允许上升到75度，但在这种状态下运行的最长时间不得超过1小时。由于主变压器每值有人巡视，并且当主变冷却器全停时，在主控制室内很快发电源故障等告警信号，运行人员很快就可以到达主变压器现场，同时通知检修人员到达现场进行处理，即使是冷却器全停同时变压器油温达到75度，20分钟内检修人员也能到达现场进行处理，实在处理不了，手动跳掉发电机也来的及。因此此建议将主变冷却器全停保护由延时跳闸改为发信号，发信时间调至继电器最短时间，并对运行规程作相应的修改。4.3.6升压站零序电压保护：邯峰电厂发电机保护中“升压站500KV和220KV零序电压保护U0”定值为：#1机U零序40V，时间T4S，#2机U零序40V，时间T5.5S，且不经任何闭锁，如果发生母线PT的单相放电事故（不在母差动作范围），产生零序过电压，如大于定值，则延时后动作跳开发电机开关，但实际并没有切除故障；而且如果PT故障或二次回路故障，导致3U0回路任一相电压丢失，也可能导致保护误动。目前暂可认为此保护为母线（或线路）侧接地的后备保护，但对于500KV线路在单相接地时更有多种保护可以动作出口，因此，我们认为设置此保护没有意义；对于220V母线，即使动作也不能切除故障点，且主变零序电流保护作为母线接地故障的后备保护。邯峰电厂#1、#2主变为分级绝缘且中性点不装放电间隙的变压器，由于#2主变中性点绝缘较低，需要直接接地运行，#1主变中性点绝缘较高，可直接接地或不接地运行，但目前#1主变一直为直接接地；根据整定导则，对于220KV系统变压器，部分中性点接地，部分不接地，如果发生接地故障，动作时应跳开有关中性点不接地变压器，然后跳开接地变压器，目的是防止中性点不接地系统运行时，故障点的间隙弧光过电压可能危及设备安全。综上所述，对于邯峰电厂主变在中性点接地运行发生接地故