#3发变组保护改造中问题研究及解决方案--论文

1、.#3发变组保护改造中问题研究及解决方案摘要 某电厂#3发变组保护装置原为BBC公司的机电型继电器所组成，1985年12月份投运，随着该套保护运行周期的增长，出现了部分继电器特性变差、整定困难、无备品等问题，最严重的问题是其出口继电器动作电压高，威胁着发电机组的安全运行，经过对发变组保护改造的可行性研究和对国产新型大型机组保护在实际中应用的调研，按照防止电力生产重大事故的二十五项重点要求，制订改造技术措施，于2003年机组大修期间，对#3发变组保护实施了改造。关键词 保护、CT特性、配置1引言#3发电机变压器组为单元接线方式，发电机、主变、高厂变为封闭母线联接，主变高压侧接入500kV变电站，

2、500kV变电站采用3/2（1个半开关）接线方式。发电机为比利时ACEC公司生产的全氢冷、无刷励磁的300MW汽轮发电机组，升压变压器为比利时ACEC公司提供的有载调压变压器。#3发变组保护装置为BBC公司70年代早期产品，该保护装置是由机电型继电器组成，截止2003年该保护已随发电设备运行18年。姚郑线姚白线#3发变组一次系统接线图如下：531512#4机联变500kV南母521522532533523513500kV北母 #3主变 #3发电机 #3高厂变615616 6kV6段6kV5段 2改造前发变组保护中存在的主要问题Ø 保护所使用的多数继电器特性变差，继电器整定值调整不到要

3、求值；Ø 保护出口继电器额定工作电压为直流110V，实际测试的继电器动作值已达到100V以上，严重超过规程要求值，容易造成保护拒动，危及机组及系统安全；Ø 该发变组保护厂家随机仅提供了极少的游丝，触点等备品，这些备品早已经被用尽了，这些装置已停止生产多年，因此，该保护装置的继电器无备品来源。Ø 高厂变后备保护配置存在不足，在高厂变低压侧或6kV母线上发生短路故障时，如果分支过流保护出现拒动，将会造成保护灵敏度不能满足而拒动使设备损坏事故，另外高厂变无后备保护。Ø 发电机定子过负荷和负序过负荷保护、转子过负荷保护为定时限特性，不能满足保护的灵敏度和可靠性的

4、要求，不符合大机组对保护特性的要求。Ø 定子接地保护的动作范围只有95%，存在死区。Ø 逆功率保护是机组保护中动作最频繁的保护，但原保护的功率元件继电器是一个靠逻辑实现长延时和短延时（程序跳闸），经常因一个环节不可靠而造成保护拒动，影响机组的安全停运。Ø 不满足25项反措中要求，主保护配置未实现快速双重化。Ø #3发变组保护为1985年12月投运，现保护运行约18年，不符合国家对大机组保护使用寿命不超过十二年的规定。 3改造方案的构思#3发变组保护改造通过设备招标，选择了许继电气股份公司生产的GWFB-800微机型发变组成套保护，该保护装置设计为三面机柜

5、，A、B柜为发变组保护的电气量保护，C柜为发变组非电气量保护。发变组保护的A、B柜中配置了三个机箱分别是801型、802型、803型机箱，每个机箱中均配置了三个CPU，其中一个CPU负责通讯管理，另两个CPU为保护所用：CPU1负责跳闸出口，CPU2负责发信号和启动，两个CPU硬件配置完全相同，具有独立的采样、A/D转换、逻辑计算功能，CPU2启动后，开放CPU1跳闸出口的+24V电源，即两个CPU保护动作后“与门”出口，以此提高了保护动作的可靠性，防止保护误动作。C柜中的804型机箱中有二个CPU，其中一个CPU负责通讯管理，另一个CPU为保护所用。根据GWFB-800保护的特点，对保护配置

6、和CT绕组分配提出了如下要求：（1） 801型机箱需用CT数量：发电机中性点CT接入二组，发电机端部CT接入一组，其中发电机中性点的一组CT专用于发电机逆功率保护。该机箱将实现发电机的全部保护。（2） 802型机箱需用CT数量：发电机端部CT一组，发电机中性点CT一组，主变高压侧CT一组，高厂变高压侧一组，主变中性点CT一组。该机箱将实现主变全部保护和发变组差动保护。（3） 803型机箱需用CT数量：高厂变高压侧CT一组、高厂变低压分支1、分支2各用CT一组。该机箱将实现高厂变的全部保护。（4） 804型机箱接入的是非电量保护信号，如主变瓦斯、高厂变瓦斯、灭磁开关联跳、主变风机故障、压力释放阀

7、动作、失灵保护跳闸、组合跳闸等。4保护配置中出现的主要难题#3发变组保护装置的配置方案，根据GWFB-800保护的特点，结合落实“防止电力生产重大事故二十五项重点要求”继电保护实施细则和火力发电厂安全性评价专家组所提出的意见，#3发变组保护将按双主双后备的保护双重化配置方案实施，但因改造发变组保护受现场实际条件和产品型号的限制，发变组保护与原有设备的接口问题、CT配置是否满足成为本次改造的难点。（1） 实现保护双重化。首先是保护的CT配置问题，经统计#3发变组一次CT只有二组，二次用于保护的中间CT有三组，CT数量远远不能满足两套保护的需求。 #3发电机出线由于采用了封闭母线结构，CT的安装空

8、间和改造余度非常小，因此原设计方案是将#3发电机组一次CT的二次绕组数量靠中间CT进行扩展。本次发变组保护改造，CT数量增加已不可能从一次配置上解决，参照原设计拟采用增加中间CT的方式，满足保护双重化配置的需求，但该中间CT必须与一次CT稳态、暂态特性相匹配，伏安特性要求很高。（2）落实大机组保护配置原则，新增保护的出口方式待分析解决。改造后的动作出口的跳闸矩阵如何组合和保护原理、逻辑如何选择、实施问题。（3） 由于许继保护需用CT的配置有其特点，对一次CT和中间CT的一次、二次极性有要求，因此，要了解清楚CT极性问题。（4） 改造后因CT回路重新分配，CT的二次负担是否超过10%误差曲线问题

9、。（5） 发电机转子一点接地保护因发电机转子电压对外未引出，生产厂家暂时无法实现该保护，因此将原发电机转子一点继电器暂时使用原BBC继电器。（6）因保护装置不带操作箱，保护出口继电器接点容量是否满足跳闸回路要求，采取何种措施加以满足问题。5改造工程中所采取的技术措施：（1）CT配置方案：由于#3机组接于500kV系统，又属于3/2接线方式，当外部短路时，一次电流倍数一般为10-30倍，因此对所配置的电流互感器的特性有严格的稳态和暂态特性要求。根据#3机组有关原配CT技术资料查阅可知，发电机和高厂变高压侧参与差动保护用的CT，原设计者考虑到此问题，所配置的一次CT及中间CT的铁芯均带有气隙，其中

10、一次CT铁芯带六个3.3mm气隙，中间CT铁芯带四个0.9mm气隙，该CT的伏安特性与500kV变电站CT特性相匹配。在进行该CT的伏安特性测试时，电流升到30mA时，电压就已超过700V，因试验设备所限制，无法得到完整的伏安特性。若需补充新的中间CT，将以500kV变电站CT交接试验所提供的试验特性为参考，以满足差动保护对两侧CT特性的要求，避免引起差动保护误动。500kV变电站CT与国内CT产品特性对比：l 500kV变电站CT特性如下：用于差动保护的准确级：TPY20电流（A）0.030.050.070.080.100.15电压（V）5509501350180022002980l 天津纽

11、泰克厂家所提供最接近的CT（铁芯不带气隙）伏安特性（上海互感器厂也只能提供类似特性的CT产品）：准确级：5P20 15VA电流（A）0.0199130.0259740.0340550.048100.0601250.072150.091390.12025电压（V）159.5733199.4667239.36279.2533299.200309.1733319.1467329.12l 铁芯带气隙和铁芯闭路的CT的特性曲线对比：注：电流1、电压1为带铁芯气隙的特性，电流2、电压2为铁芯闭路的特性。从以上两种电流互感器的特性对比，两者特性相差甚远。一般TPY型电流互感器磁路气隙之和不超过1mm，这种互

12、感器的饱和磁场强度很高（当气隙1mm时，磁场强度大于2000A/m）。根据王维俭老师在论证差动保护用的CT如何在暂态过程中满足保护所提出的技术要求时，详细分析了电流互感器的铁芯带气隙和铁芯闭路在不同情况下的表现，指出一套差动保护中兼用带气隙和不带气隙铁芯的电流互感器，其差动保护差回路中的不平衡电流：（1）与CT的剩磁有关。铁芯带气隙的电流互感器，不仅剩磁系数降低为闭路铁芯的1/21/3，而且非周期磁密系数也显著下降，从而使得暂态饱和倍数大大减小。（2）与两侧CT的时间常数有关。带气隙的TPY型电流互感器时间常数变化范围较大（从几百毫秒到12秒），而普通的闭路铁芯CT，时间常数很大，两者时间常数

13、可相差倍数可达百倍。因此外部短路的不平衡电流将非常大，差动保护可能误动作。根据向国内CT生产厂家了解，我国目前还没有该型式CT（带气隙）的生产和技术标准，因此，发电机侧的CT配置问题将寄托于我国今后电流互感器制造业的发展情况，另外我们还想通过原供货商渠道，寻求互感器的配型。基于上述情况，为了寻找到一种满足现状的、更为合理的、安全的配置方案，解决CT特性问题的另一种途径是通过新保护原理进行弥补。我们选择的变压器差动保护是比率制动式，该差动保护在原理设计上确实有所改进，可进一步避免CT特性不一致引起的保护误动作，其原理如下：变压器差动保护原理采用了自适应提高定值的方式，防止外部故障时，由于CT饱和

14、引起的差动保护误动作（保护特性如下附图所示），当差流中的三次谐波与基波的比值大于某一定值时，自动提高比率制动差动的定值，改变比率制动系数的最小制动电流，从防止保护误动。TA饱和的判别是利用每相电流中三次谐波分量作为TA饱和闭锁判据的。差动保护判断是区内故障时，保护进行谐波分量计算来决定是否提高动作值的，保护动作的出口时间在2倍的整定值下不大于30ms。差动电流 Iop注：阴影部分只要经过励磁涌流判别即可出口。空白部分则需要经过涌流判别、CT饱和判别、CT断线判别后才可出口。 1.2In Iop.0 0 Ires.o 1.1Ires.o 制动电流 Ires图1：差动保护的动作特性按照以上原理，C

15、T特性不一致所带来的影响从理论上讲是可以弥补的，但在进行深入探讨时，认为CT二次电流由于CT特性不一致引起的误差，给保护带来一定影响，虽然从定值整定时充分考虑，适当整定动作电流和比率制动斜率，牺牲一定的保护灵敏度，而使差动保护应能可靠运行，但是该理论还要在正式投运后详细观察，才能保证机组正常可靠运行。因此这一方案要承担一定的风险，还要经过试运行后才能得到一个答案，在运行机组上进行这样的试验是不现实也不安全的，此方案不被采用。WFB-830C（804）CT配置问题经过多次讨论和斟酌后，最终确定了CT分配按照保证差动保护的CT特性一致性原则，将A、B柜两套保护的CT回路进行串联方式的联接。但主变高

16、压侧CT保留原来用于发变组大差的一组，另外将#3机组短线保护的CT与B柜的802机箱公用。为了今后实现CT独立配置目标，考虑了CT增加后的接线过渡方案。WFB830C（804）保护配置方案如下：500kV南母高厂变绕组温度高厂变压力释放阀高厂变风机故障高厂变冷却器故障高厂变油位封母补压装置异常机端PT跳闸机端PT断线告警主变抽头重瓦斯主变烃含量高调压开关过调极限512、513开关失灵保护灭磁开关联跳高厂变重瓦斯高厂变轻瓦斯高厂变油温 500kV北母 #3主变发变组差动主变差动主变零序发变组差动主变差动主变零序12000/25CT05-0712000/25CT02-04测量、AVR用HU 保护用

17、HU WFB-830B（802）WFB-830A（802）主变重瓦斯主变轻瓦斯主变绕组温度主变油温主变压力释放阀主变、分接头油位主变风机故障主变油流故障网控短线保护53351351225/1测量AVR25/161625/1测量备用WFB-830BWFB-830A（803）高厂变差动高压侧复压过流高压侧过负荷低压分支过流高厂变差动高压侧复压过流高压侧过负荷低压分支过流6kV6段6kV5段12000/25CT11-1325/125/132120/3kV/100V#3高厂变2000/12000/161512000/25CT08-10WFB-830A（801）WFB-830B（801）发电机差动发电机

18、失步发电机失磁对称过负荷负序过负荷过励磁程跳逆功率逆功率发电机过电压定子100%接地启停机保护低频/高频全阻抗转子一点接地发电机匝间发电机差动发电机失步发电机失磁对称过负荷负序过负荷过励磁程跳逆功率逆功率发电机过电压定子100%接地启停机保护低频/高频全阻抗发电机匝间 #3发电机 图2：保护配置方案（2）保护出口方案：因汽机、锅炉设备的控制逻辑未变动和主设备未改造，参考原保护出口设计方案，保留原保护设计的四种出口方式：I型脱扣：机组全停；II型脱扣：电气与系统解列，跳汽机，维持炉循环；III型脱扣：电气与系统解列，维持汽轮机空转；IV型脱扣：电气与系统解列，机组带厂用电运行。对于新增加保护和保

19、护原理有变更的保护，根据保护原理、保护定值整定方案、分析保护的作用等因素，将保护的出口进行了合理划分。保护屏中操作箱问题：因发变组保护与厂用电的接口是通过继电器室中的结合柜中的继电器转接出口，至500kV侧开关的操作回路是在变电站网控室通过结合柜中继电器转接出口，故#3发变组保护取消开关的操作箱，仅保留各保护屏的出口继电器。保护的跳闸继电器接点容量选择：#3机继电器室的#3发变组保护出口至变电站的网控室结合柜距离较远（300米），因此考虑保护出口中间继电器的接点容量满足不小于直流220V 0.3A；另一方面考虑控制线路长，电缆电容对继电器接点开断电流的影响。跳闸回路落实反措要求：对网控结合柜中

20、跳闸继电器除了按照主、副跳闸回路设计外，还对继电器的型式进行了改进，保证了继电器具有较高的线圈阻值和动作电压；另外还可以测量该回路在继电器动作后返回时的回路断开电流，核算发变组保护出口继电器的接点容量，以确保出口继电器不被损坏和动作可靠性。将非电量保护的出口按照反措要求，在保护动作后将不再启动断路器的失灵保护，而直接启动开关的跳闸回路。500kV变电站的断路器本身已配置了开关三相不一致保护和失灵保护，安装在500kV网控室的开关结合柜内，因此#3发变组保护中不再考虑设置非全相保护和断路器的失灵保护。新旧保护跳闸逻辑对比如下表所示：*; #3发变组保护新旧跳闸逻辑对比 跳闸型式保护名称脱扣类型跳

21、512主/副跳513主/副跳615跳616跳LMK关主汽门 1停炉（锅炉慢跳闸，跳磨煤机）关主汽门 2炉循环（锅炉快跳闸）炉负荷极限IV型至给水控制启动6kV5段快切启动6kV6段快切闭锁6kV5段快切闭锁6kV6段快切IV型脱扣至C柜组合出口继电器编号新17/1819/20121121122413163567828旧K29/K30/31/32K29/K30/31/32/K29/K30/K31汽机置位1chK29汽机置位2chK30/K32K31/K32K32K29/K30/31K29/K30/31/K311发电机差动I发变组差动I*主变差动I高厂变差动I*发电机失磁t1 发信t2IIIt3I

22、*发电机失步t1区内It2 发信*发电机对称过负荷t1 发信t2 IV*发电机负序过负荷t1 发信t2 III*发电机定子接地基波t1 发信基波t2 I三次谐波发信*发电机匝间I*过励磁III*启停机保护*逆功率II*程跳逆功率III*过电压I段发信II段t2III电压指令*全阻抗低值（I）I高值（II）IV*低频保护t 发信t，t4I高频保护发信转子一点接地发信*主变零序t1 IIIt2I*高厂变复压过流III高厂变复合电压*高厂变过负荷发信*6kV5段分支低压过流*6kV6段分支低压过流主变重瓦斯I主变抽头瓦斯I高厂变重瓦斯I*稳定措施切机IV*512、513开关失灵保护IIIPT柜跳机I

23、*灭磁开关联跳III*组合跳闸经0.5秒延时III注释：上表中“”表示保护出口选中，空白表格表示不被选中。1“*”表示保护原理有改进的保护；2“*”表示新增保护1（3）定子接地保护和其它几种保护的工程考虑：许继公司生产的GWFB-800型微机发变组保护，根据实际情况，对以下保护在原理和功能的实现上进行了特殊考虑：发电机匝间保护、发电机100%定子接地保护、发电机失磁保护、组合跳闸保护、低频/高频保护等。 发电机定子100%接地保护的考虑：由于发电机定子绕组匝间保护采用纵向零序过电压及故障分量负序方向型匝间保护，为取得发电机纵向零序电压，将保PT的一次中性点与发电机中性点使用电缆直接连接方式。而发电机定子100%接地保护，其原理中采