謝勇,馬晶晶

(華能玉環(huán)電廠,浙江玉環(huán) 317604)

0 引言

發(fā)電機定子繞組匝間保護作為主設(shè)備發(fā)電機故障的主保護之一,其重要性是不言而喻的。一般來說,定子繞組匝間絕緣較對地絕緣強度高,但往往會因為線棒變形、振動造成長期受熱和絕緣老化而引起匝間短路。匝間短路時,就會出現(xiàn)縱向零序電壓和縱向負序電壓。另外,匝間短路時短路處的電流非常大,可能會超過機端三相短路電流。因而,大中型發(fā)電機組裝設(shè)匝間短路保護顯得尤為重要。匝間保護目前主要包括橫差保護和縱向零序電壓匝間保護。對于雙星形接線中性點引出6個端子的發(fā)電機組,通常裝設(shè)單元件式橫差保護;而對于中性點只引出3個出線端子的發(fā)電機組,則只能裝設(shè)縱向零序電壓保護。國內(nèi)的大中型發(fā)電機由于定子繞組的接線原因大部分仍采用縱向零序電壓匝間保護,此外,在現(xiàn)代的微機保護中還采用工頻變化量匝間保護。

1 縱向零序電壓匝間保護構(gòu)成原理及定值整定

1.1 保護構(gòu)成及基本原理

縱向零序電壓原理構(gòu)成的匝間短路保護可應(yīng)用于各種發(fā)電機組,尤其是中性點沒有引出三相六端子的發(fā)電機。當(dāng)前的保護方式大都為由負序功率方向閉鎖的縱向零序電壓匝間短路保護。其原理接線圖如圖1所示。在圖1中,TV0是專用的全絕緣電壓互感器,TV1是普通的電壓互感器。TV0的一次繞組中性點與發(fā)電機中性點通過高壓電纜連接起來而不接地。所以,TV0的二次繞組不能用來測量相對地電壓,其開口三角繞組接具有三次諧波濾過器的高靈敏零序過電壓繼電器。在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生匝間短路或中性點不對稱的各種相間短路時,會產(chǎn)生對中性點的縱向零序電壓,當(dāng)開口三角繞組輸出電壓達到整定值時,保護動作出口。

圖1 縱向零序電壓保護原理結(jié)構(gòu)圖

1.2 保護定值整定

縱向零序電壓匝間保護的定值在現(xiàn)場整定中一般包括3個部分,即縱向零序電壓定值,專用TV0斷線閉鎖元件的定值,負序功率方向元件的定值。縱向零序電壓定值實際的整定中,國產(chǎn)的125MW汽輪發(fā)電機組,可取5～10V,國產(chǎn)的200MW及300 MW的汽輪發(fā)電機,可取2.5～3V。三次諧波濾過器濾過比要大于80。專用TV0斷線閉鎖元件的定值主要指專用TV0與普通TV同名相之間的二次電壓差值ΔUAB,ΔUBC,通常整定為:壓差ΔUAB=ΔUBC=10V;負序電壓(相電壓)U2=8～10V。負序功率方向元件的定值一般指動作行為是允許式或禁止式,外部系統(tǒng)不對稱短路時負序功率由系統(tǒng)流入發(fā)電機(反向功率),內(nèi)部和匝間短路負序功率由發(fā)電機流向系統(tǒng)。對于單星性接線的中小型機組,由于匝間短路時產(chǎn)生的負序功率較大,動作方式為允許式。對于雙星性連接的大型機組,匝間短路時產(chǎn)生的負序功率較小,動作方式為禁止式。國內(nèi)微機型的縱向零序電壓匝間保護,由于動作靈敏度高,負序功率方向元件一般采用允許式,可防止任何原因(如TV0三次回路出現(xiàn)問題)造成保護誤動。GE公司的發(fā)變組保護中負序功率方向元件為閉鎖元件,采用“負序方向過流1反向”閉鎖縱向零序電壓元件動作,由于在切除外部不對稱短路時,機端負序功率的突變會引起負序方向元件誤動,為安全起見,增設(shè)0.1s延時元件。

2 縱向零序電壓匝間保護誤動原因及預(yù)防

2.1 縱向零序電壓匝間保護二起誤動事故簡析

(1)某電廠1臺125MW的機組,其縱向零序電壓匝間保護包括零序電壓元件LLY-3型繼電器,電壓斷線閉鎖元件LB-5繼電器。沒增設(shè)負序功率方向元件。

該電廠當(dāng)日機組帶負荷115MW,匝間保護在機組正常運行時突然動作跳閘,發(fā)電機負荷降為零。相關(guān)人員對發(fā)電機本體及相應(yīng)的一次設(shè)備進行檢查后,沒有發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象。由于該廠沒有將TV0的電壓回路接至發(fā)變組故障錄波器,無法查看故障時的波形。但繼電保護人員在測量TV0一次側(cè)的熔絲時,發(fā)現(xiàn)A相的熔絲已熔斷。熔絲熔斷后,斷線閉鎖元件應(yīng)該動作閉鎖保護出口,那么,是不是斷線閉鎖繼電器存在什么問題呢?繼電保護人員對LB-5繼電器檢驗后,各項數(shù)據(jù)均合格,LLY-3繼電器及其動作回路也正確。到底是什么原因造成保護誤動的呢?后來,某廠保護人員與浙江省電力試驗研究院有關(guān)人員砸開熔斷器,終于找出了問題的癥結(jié)所在,該熔斷器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 熔斷器結(jié)構(gòu)圖

圖2 中圓圈處為熔斷器熔斷點,經(jīng)過分析,認定問題就在熔斷器里,當(dāng)熔斷器熔絲熔斷時,由于熔絲無彈性,熔斷點兩端之間的距離很近,故發(fā)電機的一相電壓可從熔斷點的一端經(jīng)石英沙棒的介質(zhì)電阻串至另一端,呈現(xiàn)的結(jié)果不是TV一次斷線,而是TV一次的一相回路中串入1個較大的電阻,該相的電壓并不能降為零,只是使電壓降低。從而導(dǎo)致三相電壓發(fā)生不平衡,在TV開口三角繞組及二次產(chǎn)生一不平衡電壓。由于斷線閉鎖的動作值較大(10 V),不會動作出口,而匝間保護的動作電壓較小,從而動作于出口。

(2)某電廠1臺200MW汽輪發(fā)電機,發(fā)變組配置全套整流型保護。在運行中,因220kV側(cè)線路發(fā)生瞬間接地故障,發(fā)電機匝間保護發(fā)生誤動切機,專業(yè)人員現(xiàn)場檢查沒有發(fā)現(xiàn)任何的異?，F(xiàn)象。后在錄波器錄到的電壓波形看到,當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時,開口三角輸出的零序電壓為5～6V,而匝間保護的動作整定電壓為3V,在線路發(fā)生單相接地時,專用TV開口三角形兩端又怎么會出現(xiàn)那么大的零序電壓呢?依據(jù)對稱分量法分析,主變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地故障時,發(fā)電機系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)不會產(chǎn)生出現(xiàn)零序電壓。但是,由于發(fā)電機三相對中性點存在著不平衡。當(dāng)Yn,d接線的主變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時,發(fā)電機回路只有兩相出現(xiàn)短路電流,由于電樞反映的不對稱,加大了定子電壓三相對中性點的不平衡度,從而在專用TV開口三角中出現(xiàn)零序,加上定子匝間保護的整定動作電壓只有3V,故保護誤動。之后,專業(yè)人員發(fā)現(xiàn)匝間保護沒有加裝負序功率方向元件,增加反映內(nèi)部故障的負序功率方向元件之后,只有當(dāng)縱向零序電壓元件與負序功率方向元件同時動作時,保護才會動作出口。運行實踐表明,改進過的匝間保護再沒有發(fā)生不正確動作的現(xiàn)象。

2.2 縱向零序電壓匝間的誤動原因及防止措施

從上面的事例可以看出,在發(fā)電機外部發(fā)生短路故障或熔絲熔斷及接觸不良極易造成保護裝置誤動,引起保護誤動的原因還有很多。結(jié)合現(xiàn)場運行經(jīng)驗和理論分析,零序電壓保護誤動的原因及防止措施主要包括以下5個方面:

(1)發(fā)電機外部發(fā)生短路故障的暫態(tài)過程出現(xiàn)誤動,這一點在一些沒裝設(shè)負序功率方向閉鎖的零序電壓匝間保護的機組上誤動比例較高。防止措施:增設(shè)負序功率方向閉鎖功能或?qū)⒈Ｗo改為性能可靠動作靈敏度高的微機保護,同時,還應(yīng)注意在外部故障切除時負序方向元件與縱向零序電壓元件之間的觸點返回時間不一致的問題。

(2)專用互感器TV0的一次或二次熔絲發(fā)生熔斷或接觸不良導(dǎo)致誤動。防止措施:必須使用性能良好的斷線閉鎖繼電器及熔絲。同時,在現(xiàn)場要加強對熔絲的維護,開機前應(yīng)該先測量一下熔絲上、下端電阻,看三相是否平衡及接觸是否良好,開口三角繞組二次側(cè)裝有旋式熔絲及快速小開關(guān)的應(yīng)該取消。

(3)專用互感器TV0中性點與發(fā)電機中性點的電纜連接線接觸不良或者是絕緣發(fā)生擊穿造成定子繞組單相接地,現(xiàn)場中常常會忽略這一段電纜。一旦電纜接頭出現(xiàn)松動,使二組PT的中性點不能可靠連接或者絕緣擊穿導(dǎo)致定子繞組單相接地,將會使縱向零序電壓保護誤動出口或造成定子繞組接地保護動作,這些現(xiàn)象都是現(xiàn)場不允許出現(xiàn)的。防止措施:該段電纜必須使用高壓絕緣電纜(現(xiàn)場往往會忽略這一點,只使用一段普通的引線連接了事),并且要定期檢查該段電纜的絕緣性能、緊固電纜的聯(lián)接螺絲。

(4)專用互感器TV0開口三角繞組的2根引出線不正確而造成誤動。在現(xiàn)場實際接線中,常常會利用兩端的接地線來代替其中的1根連接線,如圖3所示。采用圖3的接線方式,2個不同接地端會由于其他使用接地線的電源通過大電流而在2個接地點之間產(chǎn)生電位差,使保護誤動(如使用低頻大功率電焊機、帶地線的試驗電源等)。防止措施:正確的接線方式應(yīng)該將開口三角繞組與二次繞組的N線分開,同時,用2根連接線直接放到保護屏上。再將開口三角繞組L,N用2根線引入裝置或零序電壓繼電器上。

圖3 縱向零序電壓保護錯誤接線圖

(5)電壓斷線閉鎖繼電器的動作時間與零序電壓匝間保護的動作時間配合不當(dāng)。由于匝間保護動作無延時,故前者的動作時間在實際中往往要大于后者的動作時間。使得在出現(xiàn)斷相時,斷線閉鎖繼電器來不及閉鎖保護出口。防止措施:給匝間保護增加150～200ms的延時。特別是對于模擬式的保護,增加150～200ms的延時不但確保可靠閉鎖保護出口,而且還有利于躲過暫態(tài)過程中的三次諧波的影響。

3 結(jié)束語

在上述的論述中,對縱向零序電壓匝間短路保護的認識,也許只是管中窺豹。但值得一提的是,由于縱向零序電壓匝間保護構(gòu)成比較復(fù)雜,且靈敏度不高,容易發(fā)生誤動,特別是近年來一些進口機組強調(diào)其定子繞組匝間短路的可能性很小而建議不裝設(shè)匝間短路保護(像ABB公司以及西門子公司等進口機組)。運行實踐表明,這樣不利于大型發(fā)電機的安全,且國內(nèi)、外都發(fā)生過匝間短路保護燒毀發(fā)電機的事故。因而在不能裝設(shè)單元件橫差保護的情況下,應(yīng)盡量使用程序完善、性能可靠的縱向零序電壓匝間微機保護,針對現(xiàn)場各種可能發(fā)生誤動的原因,采取必要的反事故措施,提高保護的動作正確性,確保發(fā)電機安全穩(wěn)定的運行,減少不必要的經(jīng)濟損失。

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