“发电机电气保护”---书本到应用的认识转变
北极星电力网技术频道  
作者:电力论文3
2007/12/24 18:42:37
主题:“发电机电气保护”---书本到应用的认识转变
发言人:singleme9999时间:2006-1-319:28:13
如果你是刚从学校毕业的学生,对一个词“发电机电气保护”是什么感觉?是不是既熟悉又陌生?熟悉的它是我们学习继保的必修内容,不管它是什么玩意儿吧,总之要想继保不被“关”,这块硬骨头是必须啃的!既如此,哪“陌生”何来?由于此类知识的点滴与实际密切相关,如果没有真切的实践体会,即便你考取了研究生,再多啃几遍这块骨头,其知识结构本身也没有得到质的飞跃!
我是名普通的毕业生,四年前当我刚走出大学校门时,对“发电机电气保护”也是“既熟悉又陌生”,不过四年中,我作为一名普通的运行人员参与了4X300MW机组的建设、调试、试运行和投产的全过程,经历了无数大大小小的异常、障碍、故障和事故,那些典型的事故还历历在目,故总想写点什么,一则是对自己四年工作的总结,再则也想抛砖引玉,查找自己的疏漏,加以改善和提高,为以后的工作打下坚实的基础。
一、差动保护
对于一个电厂,差动保护不外乎发电机差动、主变差动、高变差动、励磁变差动、启备变差动、发变组差动、短引线差动、母线差动、线路差动(光纤差动)及部分大辅机的差动保护(如电泵),如果仔细看差动保护的整定书,不难发现相对发电机比率差动的“最小动作电流(Iact.min)”、“最小制动电流(Ibrk.min)”、“比率制动系数(K)”,变压器的差动多了“谐波制动”、“速断动作电流”和“平衡系数”,其实如果回到书本这些都很容易找到答案。
首先,是发电机的比率差动:若以“制动电流(Ibrk)”为横标,“动作电流(Iact)”为纵标,则比率制动即为一根折线。当Ibrk≤Ibrk.min时,比率制动是一根水平线,即只要Iact>Iact.min即可动作,保证轻微内部故障的较高的灵敏系数;当Ibrk>Ibrk.min时,比率制动一根斜率为K(K即是比率制动系数)的直线,即制动量的按比率K增加,外部严重故障时,Ibrk很大,制动量很大,保证不误动;内部故障时,Ibrk很小,制动量也随之减小,保证较高的灵敏系数。
{Iact>Iact.minIbrk≤Ibrk.min
Iact>K(Ibrk-Ibrk.min) Iact.minIbrk>Ibrk.min}
其次,关于变压器的差动保护:1、变压器高低压侧绕组接线方式通常不同,常见的采用(Y,d11)型接线方式,变压器三角形侧的线电流比星型侧对应的线电流超前30度,为了保证在变压器差动保护的二次回路中,代表原、副方的电流幅值与相位基本一致,改动了互感器的接线方式及变比,实现了相位校正和幅值校正,又变压器可运行于不同档位,于是“平衡系数”便产生了。
2、励磁涌流的影响:当变压器空载投入或者外部故障切除后电压恢复时,励磁电流突然大大增加,可达额定电流的6-8倍,该电流称为励磁涌流。由于励磁涌流是单侧注入性电流,其幅值又很大,因此会造成比率制动判剧误判,变压器差动保护需要解决的突出问题就是既能可靠的躲过励磁涌流,又能正确反映内部故障。于是根据励磁涌流的特点:总有一个两相涌流之差中的二次谐波分量占基波分量的比值超过20,而在变压器内部故障的短路电流中,二次谐波分量所占的比例较小,这样只要有一相超过预先整定的二次谐波值,即可闭锁差动保护出口,于是保护整定书中“谐波制动系数”相应产生。
3、对于长线或附近装有静止补偿电容器的场合,在变压器发生严重故障时,①:谐振会短时出现较大衰减的二次谐波电流;②:主电流互感器及中间电流互感器严重饱和产生二次谐波电流,导致差动出口误闭锁,这样对快速切除严重故障不利,于是利用差动速断元件克服这个不足,它的整定值为额定值的9-10倍,任一相差动电流大于差动速断整定值时立即动作出口,不受任何闭锁。
最后关于该保护的应用:1、明确CT的布置:找准差动保护CT的位置是分析一切事故的基础。例如,现在500kV系统中各发电厂普遍采用的3/2接线方式,在一串上只有3组CT,于是我们做这样的一个假定(亦是某厂实际接线方式):Ⅰ串上从Ⅰ母至Ⅱ母的三个开关分别命名为1DL、2DL、3DL,1DL与2DL之间接#1发电机,2DL与3DL之间接Ⅰ回出线,1DL与3DL的CT布置于靠中开关2DL侧,2DL的CT布置于靠Ⅰ母侧。这样2DLCT与2DL之间便出现一个死区:当此区域发生单相接地永久故障时,线路光纤差动将2DL与3DL跳开,但很明显,故障仍存在,此时只有靠发变组后备保护(低阻抗或主变中性点零序)或是2DL开关带的死区或失灵保护(后作祥解)将故障切除,而作为主保护的差动保护亦“无能为力”,因此找准CT的位置在事故分析过程中的重要性可见一斑。
2、短引差:在某厂实际接线中(3/2接线),有一段短引线差动保护,其保护范围是主变高压侧及两个出口开关1DL与2DL之间。解释为与主变差动构成双重保护,增加保护可靠性,实则不准确。因为通常的设计是一个主保护和多个后备保护相配合,设计两个主保护除非是相当重要且容易发生故障的地段。那这里为什么用短引差和主变差动构成双重主保护呢?先来看看短引差的作用:除了常规作用外,短引差通常起临时性保护的目的。①:应用于建厂初期,必须完善本串接线,而发电机又不急投产的情况。如贵州鸭溪电厂500kV3/2接线第三串,贵州黔北电厂必须通过此串将电送出,而接于该串的鸭溪电厂#3机组又未建成,#3主变差动保护亦无法投入,则在此期间#3机出口两开关之间就失去了主保护,于是短引差便成了可以考虑的方案之一。②:应用于主变高压侧装设刀闸的情况。如贵州安顺发电厂(3/2接线)设计初衷:主变500kV侧设一把刀闸,当停机大、小修时,先断开发电机出口开关1DL与2DL,再断开此刀闸,后又合上1DL与2DL,即实现在检修机组期间,保证3/2接线的完整性,这样由于主变差动退出,则投入短引差保护。但实际证明,由于500kV侧仅一把刀闸,感应电过强,给检修工作带来极大不便,故黔北发电厂以此借鉴,为保证安全,停机就破坏3/2接线的完整性,使1DL、2DL在检修期间保持停役。但保护设计方案中已经配置了短引差且施工完成,又鉴于正常运行中双重主保护亦可,于是将此保留! 3、大辅机差动保护:在某厂4.28和5.27事故中,均出现了引风机差动动作的情况,后查在电机差动保护范围内一切正常,保护定值正确,通过打印报告,在那瞬间差流确实超过定值,如果是巧合的话,不可能连续出现两次,但为何?两次事故唯一的共同点就是均发生了厂用电慢切(慢速切换切换时间0.4s),是慢切造成的?呵呵,请允许我在此卖个棺子,我将在我的另一篇『快切装置与低压厂用控制方式选择』中,与大家共同讨论。
二、匝间保护
众所周知,发电机定子绕组发生匝间短路故障时,机端三相对发电机中性点出现的基波零序电压3U。,可以用来构成零序电压匝间短路保护。但需要指出以下两点:①当发生匝间短路时,尽管中性点电位相对机端电压发生变化,而在通常的的TV(TV原方中性点直接接地)副方无法测到匝间短路引起的的电压,必须将TV一次侧的中性点与发电机中性点直接连接,匝间短路时才能从其第三绕组(开口三角行绕组)输出3U。,这样此TV必须是全绝缘,而且它不能被用来测量相对地电压,因此该TV亦被成为匝间专用TV。②正是由于这种接法,当发电机内部或外部发生单相接地时,虽一次系统出现零序电压,中性点电位升高3U。,但三相对中性点的电压仍完全对称,第三绕组输出电压3U。仍等于0。③上述“匝间专用TV”不能凭字面片面的理解,所谓“专用”指该TV一次绕组全绝缘,即不能用来测量相对地电压,但它可以用来测线电压,如发电机的逆功率和失磁保护等的电压量可以由此来,切不可一概而论!
应用:1、负序功率增量与低电流判剧:在正常运行和外部故障的条件下,匝间专用TV的开口三角形存在不平衡电压(主要是三次谐波电压),根据整定原则必须躲过此不平衡电压,结果使保护灵敏系数降低,因此实际保护装置中装设良好的滤波器,滤除三次谐波电压,这样可显著地提高匝间保护的灵敏系数。相应的灵敏系数提高后,误动的可能性增大,故应同时装设负序功率方向元件,其动作方向指向发动机内部,外部短路时负序功率方向相反,匝间保护被闭锁,这就是在发动机保护整定书匝间保护一栏中看到“负序功率增量”的由来。“匝间保护”一栏中还有三相低电流判据,原因是由于并网前,负序功率方向元件失效,用低电流元件代之。即3U。与负序功率方向元件相与或者与低电流元件相与出口,区别前者为正常运行中,后者为并网前(低电流元件为辅助判剧,并且仅在并网前有效,故有的电厂并未采用)
2、发电机TV的布置:对于一个电厂来说发电机TV无外乎:励磁TV,测量保护TV、匝间专用TV和发电机中性点变压器TV,其重要性等同于前述的差动保护TA的布置一样,甚至更显重要!因为在实际运行中,经常由于故障或检修要求需断某TV的二次空开,在断开或合上该空开瞬间,电压量取至该TV的保护由于输入量的突变有误动的可能性,则会导致或扩大事故,所以在学习发电机保护时,逐一理请每个保护的TV及TA的布置是相当重要的,这样在操作TV二次空开前,便可退出相应保护的压板,当操作完毕后,测无故障电压,再投入压板,做到成竹在胸,最大限度的降低人为事故的可能性。
三、定子接地保护与启停机保护
众所周知,定子接地100保护有两部分组成:一则是3U。---发电机零序电压;在则Us/Un---机端零序电压三次谐波分量和中性点零序电压三次谐波分量的比值。下面简单说明一下:根据3U。的计算公式(相应的继保教科书均列出),当故障发生在机端时U。的值最大,整定值容易选择,当故障发生在中性点附近时,U。很小,整定值无从选择,于是在中性点附近存在死区。如何克服此问题?实测表明,无论发电机容量大小如何,它们的相电压中总有少量的三次谐波,三相绕组中的三次谐波电势通过绕组对地分布电容和发电机所连接设备对地导纳形成Us和Un,两着大小与机端和中性点对地等值导纳成反比,由于机端所连接设备对地电容使机端等值电容增大,故通常Us≤Un。接地故障时,接地点迫使Us和Un发生变化,故障点越靠近中性点,Un减小得越多,而Us增大得越多,因此利用三次谐波电压Us与Un的相对变化,可以有效的消除中性点附近的保护死区,与前述的3U。构成100接地保护。
应用:1、电压量的取自:在发电机定子回路某点发生单相接地时,定子回路各点均有零序电压,因此作为保护动作参量的基波零序电压可以取自机端TV的第三绕组(开口三角形),也可以取自发电机中性点接地配电变压器的二次侧。因此,如前所述,在建厂初期,明确定子接地保护基波零序电压的取自,是保证以后机组安全、灵活运行必不可少的工作。
2、保护动作后的处理:这里重点说明一下定子接地(谐波)动作后的处理。对于300MW机组,允许进相运行,并且由于500kV电网的长线效应,使得并于500kV电网的发电机不需要提供太多的无功,相反往往许多时间需要发电机吸收无功。这样经常出现的一个现象:发电机刚并网,“发电机定子接地(谐波)”便发出,原因:由于Us与Un大小与机端和中性点对地等值倒纳成反比,刚并网的发电机突然从网上吸收大量无功,于是瞬间Us>>Un,则“定子接地(谐波)”便发出。处理:立即增加发电机无功,减小进相深度,复归保护。此乃较典型的例子,若非上述原因,则①:检查该保护所对应的TV二次空开是否跳开,若跳开应恢复(注意退出电压量取自该TV的相关保护,不应造成事故扩大);②:询问定子冷却水质是否合格,若是氢冷机组还应该对比含氢量和氢压的变化是否异常;③:与此同时,检查发电机本体TV,中性点、封闭母线、厂变高压侧,励磁变低压侧、主变低压侧是否有明显击穿现象;④:逐步停用发电机TV进行查找(同样注意退相应保护,不造成事故扩大);⑤:30分钟内查无结果,申请停机,若批准,停机后应测发电机绝缘。
3、与启停机保护的区别和联系:机组试运行或大、小修后,因人为原因造成机端单相接地(如封闭母线内遗留的焊条),为快速切断明显故障,许多电厂往往增设了启停机保护,它实则是定子接地保护的简略:仅引入基波零序电压作动作量,与定子接地保护配合,在动作值上大于定子接地保护,但时限上小于垫子接地保护,以达到快速切断明显故障的目的。保护投退上根据出口开关的位置状态,机机组并网后自动退出。
四、转子一点与两点接地保护
这类保护原理有很多,通常采用乒乓球切换测量原理。即将一个电阻和电容网络接在转子绕组两端,通过顺序切换的方法改变网络结构,并对三个有关的支路电流进行采样、记忆和比较,达到测量励磁回路对地电阻的目的。转子一点接地的出口为信号,应立即查找的消除,更为重要的是防止转子两点接地(转子两点接地出口为跳闸,一点接地投入)。转子两点接地保护的原理也很多:如测量接地位置的变化量△a,采用电桥平衡原理或利用二次谐波电压等。
应用:动作后的处理:转子一点接地后应首先确认信号正确并确定转子两点接地保护确已投入,并对转子回路全面检查,是否有明显的接地点,若无,则①:检查滑环、碳刷、大轴接地铜辫子是否正常,并进行相应的吹扫和调整,注意检查过程中防止两点接地;②:逐一停整流柜查找,注意防止失磁或失步;③若无法查出,申请停机。实际当发生转子一点接地后可通过转子正、负极对地电压大致判断接地点:若正、负对地电压差不多,说明接地点发生在中部,多半需停机处理;反之,若相差很大,说明接地点发生在两端,可通过吹扫等手段处理。(当然此时测量正、负对地电压本身也很危险,故能通过发电机固有的测量表计进行观察最好。
五、发电机不对称与对称过负荷
在外部不对称短路时,定子绕组将流过负序电流,它产生的旋转磁场与转子运动方向相反,以两倍同步转速切割转子,感生倍频电流。危害①:倍频电流方向是在转子表层沿轴向流动,可达到极大数值,会在转子表面某些接触部位引起高温,发生严重电灼伤。②:由负序磁场产生两倍交变电磁转矩,使机组产生100Hz振动,引起金属疲劳和机械损伤,因此大型发电机要求转子表层过热保护与发电机承受的负序电流能力想适应。
该保护有转子表层过流(定时限)和过负荷(反时限)两部分组成。需要提出的一点是保护整定书中出现的“负序发热常数A”,它与流经发电机的负序电流的平方及持续的时间成正比,A越大,说明发电机承受负序电流的能力越强。一般的,发电机容量越大,相对裕度越小,即A值越小。
应用:1、在保护启动的情况下(定时限启动,反时限未启动),在确认故障的情况下①:应立即降低发电机有功,使任何一相电流不超过额定值,负序电流不超过额定值的10,同时密切监视转子温度,必要时降低无功出力,但注意需维持端压;②当发电机转子温度异常升高,负序电流增大,机组振动异常上升时,应紧急解列停机;③:若负序电流由网上引起,在消除后应复位本厂的故障录波,尤其注意检查厂用快切装置是否被闭锁。
2、在此顺带提一下发电机对称过负荷:与不对称过负荷类似,发电机对称过负荷也由定时限和反时限两部分组成,主要保护发电机定子绕组的过负荷或外部故障引起的定子绕组过流。在确认该保护启动的情况下(定时限启动,反时限未启动),应及时降低有功,调整三相电流不超限,同时密切注意监视定子绕组及铁芯温度,极端情况下打闸停机。同样若故障有系统引起,在消除后,注意复位一下鼓掌录波装置。
六、逆功率保护
检测有功方向,作为汽轮机有功倒送,发电机变为电动机运行时异常工况的保护。主要目的是防止主汽门关闭后残留在汽轮机尾部的蒸汽与长叶片磨擦,使叶片过热损坏。电厂实际生产中通常设有电气逆功率和程跳逆功率。前者一但达到整定值便启动,但需经较长时限才出口;而后者启动与出口的时限短得多,但须受主汽门“关”信号的闭锁。
应用:在实际生产中,往往出现比较尴尬的局面:主汽门关闭后,由于调门未关严,达不到逆功率保护的启动值,无法启动该保护,于是机组仍于故障状态。解决办法:1、尽量减小逆功率启动值,在逆功率继电器允许的情况下,可以整定为最小,即额定有功的1;2、加强监视,当出现该状况时,可根据各数据显示值综合判断,直接按“发变组全停”。另外,在该情况下,电气侧未跳闸,为防止各种意外情况的发生,保证厂用电系统的安全,可先切厂用电,或者直接将切厂用电逻辑做在热工保护中,即主汽门关立刻切厂用电。
七、低频异常运行及过激磁保护
汽轮机的叶片都有一个自然振荡频率,如果发电机运行频率升高或者降低以致接近或等于叶片自振频率(或成整数倍)时,将导致共振,使材料疲劳。材料的疲劳是一个不可逆的积累过程,于是根据允许积累时间,产生了我们常见的低频累加保护,即定频率和相应允许时间,当发电机在某一低频率段运行时间超过设定值时,便会报警提示运行人员进行调整。
应用:据上述,无论低频或高频时发电机都是不利的,于是我们常听到的一句话:“低周减载,高频切机”。对于高频,其发展结果是超速,飞车等恶性事故,所以往往控制比较严格,尤其对500kV电网,由于没有像220kV那样直面负荷,网络高周的概率相对较高,所以调度会根据各个省不同的情况制定不同的切机方案;而对于220kV电网,由于直面负荷,网络低周概率相对大,所以从保护发电机的角度出发,“低周减载”往往是源水解不了近渴,于是“低频切机”是常用的且比较成熟的方案,详细请参阅相关资料,在此,我们还是着眼于500kV电网发电机的低频保护,为此,不得不先提及“过激磁保护”。如果你留心,会注意到500kV电网的发电机,其低频保护的出口往往仅仅是信号而不是跳闸,其原因除了前述的500kV电网低周概率相对较低外,还有便是低频保护为防误动常常需要一定累计时间,即我们所说的低频累加保护,其结果常常延误故障的切除。实则真正事故状态下,由于电压变化往往快于频率变化(电压更快地接近一个恒定值),运用“过激磁”保护作出口更灵敏,更有效。过激磁保护采用电压和频率的比值作为整定值,并且使用反时限:在某厂4.28事故中,由于设计不完善,发电机甩负荷后,灭磁开关未跳,厂用电未切,发电机先超速(未达动作值),后惰走,最终过激磁反时限动作,从打印报告看此时频率尚高,说明此种状态过激磁更有效;当然500kV电网的发电机设低频跳闸也是可以的,具体情况,具体分析,希望能和大家在回复中讨论!