由开关误合闸引发的对发电机误上电保护的思考

1、由开关误合闸引发的对发电机误上电保护的思考曹孝国 徐金 王翔 杨福奎 高守义 （南京南瑞继保电气有限公司，江苏省 南京市 211100）（Nanjing NARI-RELAYS Electric CO.,LTD, Nanjing 211100, Jiangsu Province, China ）摘要：误上电保护，作为发电机的辅助保护，一直以来未受到足够的重视。随着近些年来，由于设计上的不合理，自动同期装置的工作异常或人为误操作等原因，造成出口断路器误合闸，导致机组严重受损的现象时有发生。本文结合实例，详细分析误上电保护的工作机理，强调装设误上电保护的必要性。关键词：发电机；误合闸；误上电保护0

2、 引言资料一：2005年，广东某电厂一台300MW新建机组，在主变高压侧断路器的上、下隔刀处于热备用状态下，测试同期装置的相关参数时，造成开关连续两次误合，导致发电机转子过压而受损，返厂修复，损失巨大。检查发现：该机组没有配置专门的误上电保护，误合后由后备保护经延时将机组从电网切除。资料二：2007年，四川某水电厂，装机容量为4*200MW,二号机组在做同期的试验过程中，因同期装置误发合闸指令，造成机端开关误合，该水轮机组剧烈振动。检查发现：该机组有配有专门的误上电保护，但该保护的投退压板处于退出状态。当突加电压后，因无快速切除故障的措施，必然会导致机组受损。1 原因阐述近些年来，开关误合事故

3、时有发生，究其原因，主要表现在以下二个方面：（1） 对误合闸对机组造成的危害性认识不足：盘车过程，发电机突加电压后，带来的危害有二：1）定子绕组中流过电流很大，甚至能达到34倍额定电流；2）当发电机转速很低时出现工频定子电流，定子旋转磁场将切割转子绕组，造成转子过热损伤； （2） 认为没有必要装设误上电保护，理由：发生误合闸后，可由后备保护切除。 在突加电压时，发电机异步启动，从系统中吸收有功功率，所以在阻抗平面上的工作点应落在第三象限。如图1中A区域所示。在这种工况下：逆功率保护1将动作；失磁保护（包括静稳阻抗园2、异步阻抗园3）也动作； 后备保护阻抗继电器,如果装在主变高压侧，动作区如4，

4、不会动作；装在机端侧的全阻抗继电器，动作区如5，会动作；但都有延时，不能快速将机组从电网切除。 图1：异步启动时机组在阻抗平面上的工作点2 误合闸的判据构成2.1误合闸保护需要考虑的因素：（1） 发电机在盘车或升速过程中，未加励磁，突然并入电网，造成发电机的异步启动；（2） 发电机起停过程中，已加励磁，但频率低于定值，断路器误合；（3） 发电机起停过程中，已加励磁，但频率大于定值，断路器误合或非同期合闸；(4) 发电机在同期待并的过程中，当高压侧断路器两侧电压方向为180度时，断口会出现一相或两相闪络。闪络的危害同发电机误合。2.2 传统判据的不足 传统的误上电保护由过流保护加延时返回的低频元

5、件构成，已不能满足各种条件下的误合闸的需求，特别是在已加励磁电压，电压频率为50HZ的情况下非同期合闸，冲击电流很大，甚至可能达到机端三相短路的短路电流的水平，此时传统的误上电已无能为力，只能靠其他保护，经延时才能跳闸切机，不利机组的安全。2.3 改进后的方案：方案一：采用电流判据为主，辅以低频、低压，位置接点为闭锁判据，具体实现的方法：针对条件（1），采取的措施：采用机端两组PT均低电压（延时投入动作，电压恢复延时退出）、低频元件动作，同时定子过电流；针对条件（2），采取的措施：当发电机频率低于设定频率时，由低频元件动作、机端低压元件不动、同时定子过电流；针对条件（3），采取的措施：当发电机

6、的频率高于设定频率时，采用断路器位置接点加定子过流来判别；针对条件（4），采取的措施：断路器处于断开位置，且高压侧出现负序电流来判别。方案二： 采用阻抗判据为主，辅以电流、位置接点为闭锁判据，具体实现的方法：针对条件（1），采取的措施：灭磁开关在分位，同时定子过流元件动作来判别；针对条件（2）、（3），采取的措施： 采用低阻抗判据，电流、电压取自主变高压侧，为确保在非同期合闸后的振荡过程中阻抗判据能可靠动作，反向整定阻抗和正向整定阻抗可按下式整定： 式中 变压器阻抗（二次值）。 发电机暂态电抗（二次值）。 可靠系数，取1.21.3针对条件（4），采取的措施：同方案一。说明：1）误上电保护在发电

7、机并网后自动退出运行，并往前、解列后自动投入运行；2）对于机端设有断路器，并列的过程中断路器两侧最大承受电压较小，发生闪络的几率甚小，一般建议不装。3）方案二中，针对条件（1）的判据，需要结合现场实际情况，在灭磁开关辅助接点不够或无法引出时，该判据将无法实现。3 实例分析 3.1 实例一：非同期合闸3.1.1 故障概述： 2006年，某电厂#1机组（其主接线如图2所示）在大修期间将原保护装置更换为 RCS985微机保护（误上电保护采用上述方案一），在完成短路空载试验后，准备并网期间，发生了误合闸。RCS985误上电保护动作，出口继电器动作于解列灭磁，停机，同时装置录下完整的动作过程和相关故障波

8、形。图2 300MW-220KV机组主接线图3.3.2 保护装置动作报文 #1机组保护跳闸后，RCS985保护装置显示报文从报文中知：误上电在保护起动后116MS就发出了跳闸命令，为故障的快速切除提供了条件3.3.3 结合录波波形，进行故障分析 图3 主变高压侧电流电压波形从波形上知：主变高压侧三相电压明显下降，三相电流有所增大，具有三相短路的特征。图4 主变高、低压侧电压波形从波形上知：故障前，低压侧（发电机机端）的电压波形超前主变高压侧电压210度，表明断路器断口处两侧电压相差180度。主变高压侧三相电压下降的同时，机组侧三相电压也明显降低。图5 发变组差动波形 图6 变压器高压侧、中性点

9、侧电流波形从波形上知：变压器高压侧与中性点的校正电流方向反向，且由于两侧CT特性的差异，造成发变组差动出现了差流，区外故障的特征明显。 图7 机组有功、无功、转子电压波形从波形上知：有功功率为正，无功功率为负，该机组具有异步起动的特征。 综上所述：这是一次典型的非同期误合闸事故。事故原因：由于同期装置工作异常，误发合闸脉冲所致。3.2 实例二：盘车状态下的误合闸3.2.1 故障概述： 2009年，某电厂#1机组（其主接线如图2所示）在小修期间，主变带厂变运行，机端开关处于跳位。机端开关被误合（当时误上电保护未投）后，装置录下启动波形。 图8 400MW-220KV机组主接线图3.2.2 保护装

10、置动作报文 结合录波波形，进行故障分析：图9 母线侧、机端侧电压波形从波形上知：故障前，母线电压正常，机组未加励磁电压，故机端为0V；故障时，母线三相电压下降，发电机机端建立起电压，但远小于额定电压。图10 发电机差流波形图11 发电机机端、中性点波形结合图10、11知：发电机机端和中性点电流幅值达到额定电流的3倍左右，相位同向，且三相差流为0，表明故障电流呈穿越性。事故原因：人为误操作，使机端开关合闸线圈励磁，造成事故的发生。注：此次故障由临时装设的辅助保护快速切除，否则，机组将承受较大故障电流的冲击，造成设备的损坏。3.3 实例三：断路器断口闪络3.3.1 故障概述： 湖南某电厂3#机组，

11、完成电气试验后，机组侧升压至额定，准备并网时，主变高压侧B相开关发生闪络，误上电保护动作切机。3.3.2 保护装置动作报文3.3.3 结合录波波形，进行故障分析：图12 主变高压侧电流、电压波形从波形上知：主变高压侧B 相电压明显下降，A、C两相电压几乎没有变化；B 相电流显著增大，A、C相电流为0A。 图13 主变差流波形图14 主变高、低压侧校正电流波形 结合图13、14知：主变高、低压侧校正电流大小相等，方向相差180度，最大相差流值<0.09，表明此故障电流对主变差动而言，呈穿越性，故障位置在变压器之外。图15 主变高、低压侧电压波形从波形上知：电压变化前，低压侧（发电机机端）的

12、电压波形超前主变高压侧电压210度，表明断路器断口处两侧电压相差180度；B相电压下降的同时，低压侧三相电压都有下降，且以A、B相变化较大，这与变压器低压侧三相短路的特征不符。同时考虑到主变高压侧的断路器处于分闸位置，若发生单相接地，高压侧不会出现故障电流，这显然与波形不吻合。分析结果：断路器断口发生闪络的可能性较大。这与检查断路器本体B相断口有明显电弧灼伤痕迹的结果一致。4 结束语上述实例表明：机组开关无论在哪种条件下误合，都会产生很大的冲击电流及转矩。如果不装设专门的误上电保护，快速地将机组从电网中切除，可能会损坏发电机甚至会引起系统振荡。为了消除设备损坏和事故范围扩大的隐患，确保机组设备的安全，建议大型机组应装设误上电保护。参考文献：1 电力主设备继电保护原理与应用 北京：中国电力出版社 2001. 2 南瑞继保RCS985发电机变压器成套保护技术说明书 ZL_YJBH2001.0509.3 江苏电网主设备保护整定计算标准的研究 江苏电力调度交易中心 20054 李忠,陆于平. 自适应式大型发电机误上电保护的研究J电力自动化设