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各种微机发电机差动保护原理

北极星电力网技术频道    作者:陆于平 史世文 吴济安 李莉 周振安   2009/6/23 10:39:34   

摘要 介绍了各种微机发电机差动保护的原理。针对在差动保护中长期存在的比如差动保护灵敏度、制动系数和斜率的区别、CT断线等一些比较有争议的概念,文章给予了详细合理的分析,并提出了作者自己的观点。
关键词 微机保护 发电机 差动保护

Digital Differential Protection for Generator

(Lu Yuping Shi Shiwen)
(Southeast University,210096,Nanjing,China)
 (Wu Ji''an Li Li Zhou Zhen'' an )
((Nanjing Electric Power Automation Equipment General Factory,210003,Nanjing,China)

Abstract It presents several principles of differential protection for generators.In accordance with the arguments concerning protection such as sensitivity,restraint factor,slope of operating characteristic,CT secondary break and so on,a rational analysis is given in detail and some ideas of authors are proposed.
Keywords 
digital protection,differential protection,generator

0 引言
  随着电力系统的不断发展,发电机的单机容量也越来越大。在国内,单机600 MW以上的发电机组已不再少见。发电机单机容量的提高,相应地对完成发电机定子短路主保护的差动保护也提出了更高的要求。
  微机在继电保护上应用以后,由于微机保护的智能的特点及高速运算的能力,微机发电机差动保护的新原理大量涌现,给继电保护带来了一片生机。差动保护的性能也得到了前所未有的提高。但是我们也应看到,在差动保护的认识上长期存在许多值得进一步探讨的问题,这些问题还显得很迫切,现归纳如下:
  (1) 发电机可能发生的短路故障
  发电机定子可能发生哪些短路故障,故障发生的形式怎样?
  (2) 比率制动原理
  比率制动原理出现后,制动系数和斜率的概念有什么差别,对制动曲线的拐点如何整定计算?
  (3) 标积制动原理[1,2]
  标积制动原理和比率制动原理在数学上有相互转换关系,那么如何理解标积制动原理的先进性?
  (4) 故障分量差动保护原理
  故障分量原理先进,但却引发了原理能否应用的讨论[3,4,5],其根本原因何在?
  (5) 不完全差动保护[6]
  不完全差动保护需要解决的根本问题是什么?
  (6) 差动保护灵敏度问题
  传统的差动保护灵敏度分析方法完全不能满足发电机灵敏度分析的要求。如何分析才能合理呢?同样在分析差动保护的短路故障时,如果忽略过渡电阻会否走向谬误?
  (7) 保护原理的先进性和保护装置性能的不完善性
  先进的保护原理不能等同于先进的保护装置。在继电保护的发展过程中,许许多多的保护新原理没有得到推广,个中原因值得思考。事实上,同样的保护原理(如比率差动原理),不同的保护装置,其性能也不会完全相同。那么如何评价保护的性能更合理?
  (8) CT断线的处理方法
  CT断线究竟是闭锁差动还是允许差动直接跳闸?
  (9) 发电机的安全性和可靠性问题
  电力系统在不断发展,继电保护的观念也必须能跟上形势,有许多观念可能已过时或值得进一步商讨。那么在电力系统发展的今天,对机组保护的安全性和可靠性应如何看待?
  以上这些问题是发电机差动保护中长期争论的焦点,也是值得进一步思考的问题。本文一并提出来讨论,供继电保护人员参考。

1 发电机的定子短路故障
  发电机是电力系统中非常贵重和重要的电气设备,发电机定子绕组可能由于老化绝缘降低、或者过电压冲击、或者机械震动等原因发生相间或匝间短路。一旦发生短路,给发电机造成的危害十分严重,修复的费用非常高。
  发电机定子的短路性故障形成比较复杂,大体归纳起来主要有4种。
  (1) 发生单相接地,然后由于电弧引发故障点处相间短路
  发电机内部短路故障绝大部分是这样发生的:首先发生单相接地故障(由于发电机中性点不直接接地,因此单相接地故障不属短路性故障),在故障点,由于电弧的作用,将故障点位置处其他健全的绝缘也烧损或由于过热使故障部位绝缘下降从而引起短路性故障。显然这种故障只能发生在同一槽内的各绕组之间。对于不同的发电机组,由于绕组分布不相同,短路的情况也不同。
  (2) 直接发生相间绝缘击穿构成相间短路
  发电机绕组与绕组之间的直接绝缘击穿也形成短路。但这种故障的可能性和绕组与定子铁芯之间的绝缘破坏的可能性相比要小得多,因为发电机绕组采用的都是全绝缘,因此绕组与绕组之间的绝缘强度是绕组和定子铁芯之间的绝缘强度的两倍;另外在同一槽中上下绕组之间的电压差也不太高,所以这种直接发生短路的可能性是较小的。
  (3) 发生单相接地,由于电位的变化引发其他非故障点处发生另一点的接地构成两点接地短路
  当发生单相接地故障后,由于发电机中性点的电压发生偏移,产生了相电压的不平衡,会引起发电机定子其他位置电位发生变化。正常情况下这种变化对发电机定子绕组而言是能够承受的,因为发电机是全绝缘。但发电机由于长期运行,绝缘可能老化或磨损,有些部位就可能出现绝缘薄弱的现象。在发电机没有发生单相接地时,这些部位勉强能够正常运行,但当发生单相接地后,由于这些部位承受不了电位的提高而发生绝缘击穿,形成两点接地短路。
  (4) 发电机端部放电构成相间短路
  发电机的定子绕组的端部,有时会由于接头松动等原因形成放电从而引起端部的短路。这种故障在发电机中发生的可能性也是非常之小。
  由此可见,发电机定子短路故障,简单地认为只可能发生在同槽内是不够全面的。但由于绝大部分的短路故障是由定子单相接地未及时处理引发的。因此在实现完善的差动保护原理的同时,完善和强化定子接地保护尤其重要。如果定子接地保护比较完善,就可以将大部分短路故障隐患消除在定子接地状态。

2 比率制动式微机差动保护
  比率制动式微机差动保护的原理众所共知,其动作方程是:

IN-IT≥KZIN+IT/2

(1)

微机保护实际实现的动作方程是:

其中 Ires.0 为曲线的拐点电流,图1中B点;Ipickup 为曲线的启动电流,图1中A点;Ks 为曲线的斜率,图1中BC直线;Kz 为制动系数。
  事实上,除了曲线①以外,微机比率制动特性还存在其他两种应用的主要形式。其一是简单化的比率制动特性,如图1的特性曲线③,该特性曲线显然是曲线①的简化,它实现起来方便,但灵敏度会受到一些影响。其二是带折线的比率制动特性,如图1的特性曲线②,该特性曲线对拟合不平衡电流更精确,它的灵敏度会高一些,但现在也有一种看法。由于电流互感器误差特性的不确定性和离散性,因此,折线应凹进去多少比较难确定,会存在冒进的可能,所以使用应比较慎重,至少必须作一些理论分析。目前国内用得最多的特性依然是如图1所示的曲线①。
  在比率制动原理差动保护上值得商讨以下问题:

图1 比率制动特性曲线

  (1) 比率制动特性的拐点电流Ires.0
  在流过CT的电流小于CT的额定电流的情况下,CT的误差非常小,差动保护只要躲过很小的不平衡电流即可,在曲线①上表现为没有制动的一部分。当CT电流超过额定电流并增加时,CT的误差也开始增加,由于两侧CT误差不一致而导致的不平衡电流也将增加,因此从拐点开始,曲线表现出制动特性,以克服不平衡电流的增加。根据原理分析可以知道,拐点电流宜取CT的额定电流。这样既能保证保护灵敏度,也能保证可靠性,因为实际上

CT要在电流超过额定电流一定倍数时才开始出现较大误差。

Ires.0=Ict.n

(4)

其中 Ict.n 为发电机差动CT的二次额定电流。
  有时为了保护更可靠,Ires.0 也可按发电机的额定电流Ign 来整定。

Ires.0=Ign/na

(5)

其中 na为CT变比。
  显然(5)式仅是为了考虑安全性的因素。因为(5)整定的数值一般都比(4)小。因此,对机组是安全的。但灵敏度也相应地受到一些影响。
  (2) 制动曲线的斜率Ks
  制动系数和斜率是两个完全不同的概念。
  斜率Ks 就是图1中直线BC的斜率。要确定Ks,显然只要确定B和C点的坐标即可。现在B点的坐标已经求出为(Ires.0,Ipickup),下面我们来求C点坐标。
  D点是在区外发生故障时流过发电机最大的短路电流所形成的最大不平衡差流Iunb.max

Iunb.max=KapKccKerIk.max(3)/na

(6)

  C点应保证差动保护在区外最严重的情况下不误动,因此C点的差电流Iop.max

Iop.max=KrelIunb.max
KrelKapKccKerIk.max(3)/na

(7)

  C点坐标为(Imax,Iop.max),因此

Ks=(Iop.max-Ipickup)/(Imax-Ires.0)

(8)

  需要说明的是,在传统式保护上经常用到制动系数Kz 的概念,

Kz=Iop.max/Imax

(9)

  从数学意义上Ks 和Kz 是完全不能等同的两个概念,并且Ks 始终大于Kz 。它们之间的关系为

Ks=Kz[1+(Ires.0-Ipickup/Kz)/(Imax-Ires.0)]

(10)

  应用时,应具体问题具体分析,不可简单地取Ks=Kz
  根据式(10),如取Ires.0=1, Ipickup=0.1~0.3,Imax=5~8,则当Kz=0.2~0.3时有Ks=0.25~0.35。

3 标积制动式微机差动保护
3.1 原理
  
为了提高差动保护的灵敏度,提出了标积制动式微机差动保护原理,即将比率制动原理中和制动量改进成标积制动量(INITcosθ)。这一方案的最大优点就是在不降低差动保护可靠性的前提下,大大地提高差动保护的灵敏度。

IN-ITKbzINITcosθ

(11)

其中 θ为IN和IT之间的夹角;INITcosθ为标积量;Kbz为标积制动系数。
  下面分两种情况将标积制动原理和比率制动原理作一比较。
  (1) 区外发生短路
  在区外发生短路时,有IN=IT,因此制动量分别为

  
比率制动原理:IN+IT/2=IN     (12)
  标积制动原理:    (13)

  将式(12),(13)分别代入式(1),(11)后作比较,可以看出两者完全一样。因此可以得出结论,标积制动原理和比率制动原理在区外故障时具有相同的可靠性。简单地说,就是标积制动原理包含了比率制动原理的优点。
  (2) 区内发生短路
  由分析可知,比率制动原理的制动量总是正值。而标积制动原理制动量当θ>90 °时,就变成了负值。负值的制动量在数学上就是动作量,更有助于保护动作。所以,从这一点上看,标积制动原理反应区内短路故障的灵敏度比比率制动原理更高。
  标积制动原理和比率制动原理有何关系呢?
  从数学上分析可知,标积原理和比率原理是相互可推导的。
  重写(1),(11)式如下:

IN-IT≥KzIN+IT/2

(14)

IN-IT2KbzINITcosθ

(15)

  Kz和Kbz之间的关系为

(16)

  现证明如下:
  选择IN刚好与x轴重合(见图2),IT和IN相量夹角为θ,IT在x和y轴上投影分别为ITx和ITy。其他相量见图。

图2 两相量和、差示意图

  则有:INITcosθ=ITxIN
  而

IN-IT2-IN+IT2=
I
Ty2+(IN-ITx)2-[ITy2+(IN+ITx)2]=
-4INITx
=-4INITcosθ

  将上式整理后得

(17)

  将(17)式代入(15)式即得(16)式。
  那么,现在更进一步的问题就提出来了:既然标积原理和比率原理在数学上是可相互推导的,那么如何来理解标积原理的高灵敏性呢?
  下面从以下几个方面来说明。

  
(1) 相角关系
  式(16)的关系是建立在稳态基波基础上分析的,事实上在故障时,电流波形比较复杂,有时可能还有CT的饱和等因素,这些因素对幅值的影响较大,而对相位的影响相对较小。标积原理更注重相位关系(如:相位变化到90°时,幅值大小已无关紧要)。因此,标积原理应付这些情况更具特点。
  (2) 发电机未并网前的内部短路
  在发电机并网前发生的内部短路,由于发电机机端无电流,仅有中性点有短路电流,因此标积原理的制动量为0,而比率制动原理不为0,显然,标积原理的动作裕度更大,对动作更可靠。因此,简单地以理论上的关系(16)并不能反应出保护动作上的可靠性。
  (3) 灵敏性
  灵敏性反应的不是动作边界,而是反应的故障点离开边界的距离。式(16)仅反应了边界条件的关系是远远不够的。实际的短路过程比较复杂,有过渡电阻,有电弧,有谐波,因此故障点离开边界的距离越远,即越灵敏,克服这种不利因素的能力就越强。
  我们分析一下制动量的变化规律。为了便于比较,我们将比率制动原理的表达式两边平方。考虑如表1所示两种情况。从表1分析可以看出,标积原理制动量随相角变化非常快。特别有利于灵敏度的提高。

表1 IN和IT的大小不变为1;θ从0 °~180 °变化

θ 20° 40° 60° 80°
IN+IT2/4 1.000 0.970 0.833 0.750 0.587
INITcosθ 1.000 0.940 0.766 0.500 0.174
θ 100° 120° 140° 160° 180°
IN+IT2/4 0.413 0.250 0.117 0.030 0.000
INITcosθ -0.174 -0.500 -0.766 -0.940 -1.000
  (4) 差动保护启动电流
  差动保护的实现公式并不象(1)和(11)那样简单,而是公式(2)(3)和式(18)。即必须要克服一启动电流。标积原理在θ>90 °时可将这一固定门坎抵消,从这一点看,对保护动作有利。
  (5) 制动量性质
  比率原理的制动量总是正,而标积原理制动量可正可负,在制动量为负时,表明保护动作点离开边界条件远,也表明灵敏度高。
  总而言之,要分析标积制动原理具有的高灵敏度和可靠性,应基于继电保护的“四性”来综合分析。由此可见,标积制动原理从各方面来评价都比较优越,至少不比比率制动原理逊色。
3.2 保护特性
  
标积制动式微机差动保护的动作方程有两种动作方式。
  其一是:

|IN+IT|2KbzINITcosθ+Iop.0

(18)

其中 Iop.0 为曲线的启动电流。
  微机差动保护当满足(18)式时,保护动作。
  其二是如图3所示。

  设:Idif=|IN-IT|

  则有当Ires/Ie≤b时

Idif≥KvIres

(19)

Idif≥Kpickup

(20)

  式(19)和式(20)同时满足。
    当I
res/Ie>b时

IN/Ie<b或IT/Ie<b

(21)

Idif≥KvIres

(22)

  式(21),式(22)同时满足。
  以上K
v为制动系数,显然,保护特性如图3。

图3 标积制动原理特性之二

  这两种方式本质是一样的。因为当cosθ<0时,将制动量置为0,不影响标积原理的任何性能。
3.3 在保护整定计算时应注意的问题
  
标积整定原理的K
bz可以按照公式(16)来确定。
  如选择Kz=0.25时,Kbz=0.063,相应Kv=0.251。
  但为提高可靠性,有些文献建议采用Kbz=0.8~1.2,Kv=0.89~1.1。其目的仅是由于标积原理的灵敏度较高,如果选择更高的Kbz
则可以更大地提高区外故障防止误动的能力。

(待续)

作者简介:陆于平 男,1962年生,教授,主要从事电力系统微机保护尤其是主设备保护的教学和研究工作。
     史世文 男,1929年生,教授,主要从事电力系统微机保护尤其是主设备保护的教学和科研工作。
     吴济安 男,1960年生,总工,高工,主要从事微机主设备保护的研究和开发工作。
     李 莉 女,1963年生,高工,主要从事微机主设备保护的研究和开发工作。
     周振安 男,1954年生,高工,主要从事微机主设备保护的研究和开发工作。

作者单位:陆于平 史世文 东南大学电气工程系210096南京
     吴济安 李莉 周振安 南京电力自动化设备总厂210003南京))

参考文献
1 ABB.Generator Protectioo Relay.1995
2 陆于平,史世文,吴济安等.WFBZ-01型600 MW微机发电机变压器组保护.电力自动化设备,1996(3):48~52;1996(4):33~38
3 王维俭,刘俊宏,陈松林.故障分量纵差保护的原理与实践.电力自动化设备,1997(3):3~6
4 李毅军.对故障分量原理的微机型发变组差动保护在运行中一些问题的探讨.继电器,1996(4)
5 朱声石.关于数字式比率差动继电器.电力自动化设备,1998(1):7~10
6 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.北京:中国电力出版社,1996

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