#3發(fā)變組保護改造中問題研究及解決方案--論文

1、.#3發(fā)變組保護改造中問題研究及解決方案摘要 某電廠#3發(fā)變組保護裝置原為BBC公司的機電型繼電器所組成，1985年12月份投運，隨著該套保護運行周期的增長，出現(xiàn)了部分繼電器特性變差、整定困難、無備品等問題，最嚴重的問題是其出口繼電器動作電壓高，威脅著發(fā)電機組的安全運行，經(jīng)過對發(fā)變組保護改造的可行性研究和對國產(chǎn)新型大型機組保護在實際中應用的調研，按照防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求，制訂改造技術措施，于2003年機組大修期間，對#3發(fā)變組保護實施了改造。關鍵詞 保護、CT特性、配置1引言#3發(fā)電機變壓器組為單元接線方式，發(fā)電機、主變、高廠變?yōu)榉忾]母線聯(lián)接，主變高壓側接入500kV變電站，

2、500kV變電站采用3/2（1個半開關）接線方式。發(fā)電機為比利時ACEC公司生產(chǎn)的全氫冷、無刷勵磁的300MW汽輪發(fā)電機組，升壓變壓器為比利時ACEC公司提供的有載調壓變壓器。#3發(fā)變組保護裝置為BBC公司70年代早期產(chǎn)品，該保護裝置是由機電型繼電器組成，截止2003年該保護已隨發(fā)電設備運行18年。姚鄭線姚白線#3發(fā)變組一次系統(tǒng)接線圖如下：531512#4機聯(lián)變500kV南母521522532533523513500kV北母 #3主變 #3發(fā)電機 #3高廠變615616 6kV6段6kV5段 2改造前發(fā)變組保護中存在的主要問題Ø 保護所使用的多數(shù)繼電器特性變差，繼電器整定值調整不到要

3、求值；Ø 保護出口繼電器額定工作電壓為直流110V，實際測試的繼電器動作值已達到100V以上，嚴重超過規(guī)程要求值，容易造成保護拒動，危及機組及系統(tǒng)安全；Ø 該發(fā)變組保護廠家隨機僅提供了極少的游絲，觸點等備品，這些備品早已經(jīng)被用盡了，這些裝置已停止生產(chǎn)多年，因此，該保護裝置的繼電器無備品來源。Ø 高廠變后備保護配置存在不足，在高廠變低壓側或6kV母線上發(fā)生短路故障時，如果分支過流保護出現(xiàn)拒動，將會造成保護靈敏度不能滿足而拒動使設備損壞事故，另外高廠變無后備保護。Ø 發(fā)電機定子過負荷和負序過負荷保護、轉子過負荷保護為定時限特性，不能滿足保護的靈敏度和可靠性的

4、要求，不符合大機組對保護特性的要求。Ø 定子接地保護的動作范圍只有95%，存在死區(qū)。Ø 逆功率保護是機組保護中動作最頻繁的保護，但原保護的功率元件繼電器是一個靠邏輯實現(xiàn)長延時和短延時（程序跳閘），經(jīng)常因一個環(huán)節(jié)不可靠而造成保護拒動，影響機組的安全停運。Ø 不滿足25項反措中要求，主保護配置未實現(xiàn)快速雙重化。Ø #3發(fā)變組保護為1985年12月投運，現(xiàn)保護運行約18年，不符合國家對大機組保護使用壽命不超過十二年的規(guī)定。 3改造方案的構思#3發(fā)變組保護改造通過設備招標，選擇了許繼電氣股份公司生產(chǎn)的GWFB-800微機型發(fā)變組成套保護，該保護裝置設計為三面機柜

5、，A、B柜為發(fā)變組保護的電氣量保護，C柜為發(fā)變組非電氣量保護。發(fā)變組保護的A、B柜中配置了三個機箱分別是801型、802型、803型機箱，每個機箱中均配置了三個CPU，其中一個CPU負責通訊管理，另兩個CPU為保護所用：CPU1負責跳閘出口，CPU2負責發(fā)信號和啟動，兩個CPU硬件配置完全相同，具有獨立的采樣、A/D轉換、邏輯計算功能，CPU2啟動后，開放CPU1跳閘出口的+24V電源，即兩個CPU保護動作后“與門”出口，以此提高了保護動作的可靠性，防止保護誤動作。C柜中的804型機箱中有二個CPU，其中一個CPU負責通訊管理，另一個CPU為保護所用。根據(jù)GWFB-800保護的特點，對保護配置

6、和CT繞組分配提出了如下要求：（1） 801型機箱需用CT數(shù)量：發(fā)電機中性點CT接入二組，發(fā)電機端部CT接入一組，其中發(fā)電機中性點的一組CT專用于發(fā)電機逆功率保護。該機箱將實現(xiàn)發(fā)電機的全部保護。（2） 802型機箱需用CT數(shù)量：發(fā)電機端部CT一組，發(fā)電機中性點CT一組，主變高壓側CT一組，高廠變高壓側一組，主變中性點CT一組。該機箱將實現(xiàn)主變全部保護和發(fā)變組差動保護。（3） 803型機箱需用CT數(shù)量：高廠變高壓側CT一組、高廠變低壓分支1、分支2各用CT一組。該機箱將實現(xiàn)高廠變的全部保護。（4） 804型機箱接入的是非電量保護信號，如主變瓦斯、高廠變瓦斯、滅磁開關聯(lián)跳、主變風機故障、壓力釋放閥

7、動作、失靈保護跳閘、組合跳閘等。4保護配置中出現(xiàn)的主要難題#3發(fā)變組保護裝置的配置方案，根據(jù)GWFB-800保護的特點，結合落實“防止電力生產(chǎn)重大事故二十五項重點要求”繼電保護實施細則和火力發(fā)電廠安全性評價專家組所提出的意見，#3發(fā)變組保護將按雙主雙后備的保護雙重化配置方案實施，但因改造發(fā)變組保護受現(xiàn)場實際條件和產(chǎn)品型號的限制，發(fā)變組保護與原有設備的接口問題、CT配置是否滿足成為本次改造的難點。（1） 實現(xiàn)保護雙重化。首先是保護的CT配置問題，經(jīng)統(tǒng)計#3發(fā)變組一次CT只有二組，二次用于保護的中間CT有三組，CT數(shù)量遠遠不能滿足兩套保護的需求。 #3發(fā)電機出線由于采用了封閉母線結構，CT的安裝空

8、間和改造余度非常小，因此原設計方案是將#3發(fā)電機組一次CT的二次繞組數(shù)量靠中間CT進行擴展。本次發(fā)變組保護改造，CT數(shù)量增加已不可能從一次配置上解決，參照原設計擬采用增加中間CT的方式，滿足保護雙重化配置的需求，但該中間CT必須與一次CT穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特性相匹配，伏安特性要求很高。（2）落實大機組保護配置原則，新增保護的出口方式待分析解決。改造后的動作出口的跳閘矩陣如何組合和保護原理、邏輯如何選擇、實施問題。（3） 由于許繼保護需用CT的配置有其特點，對一次CT和中間CT的一次、二次極性有要求，因此，要了解清楚CT極性問題。（4） 改造后因CT回路重新分配，CT的二次負擔是否超過10%誤差曲線問題

9、。（5） 發(fā)電機轉子一點接地保護因發(fā)電機轉子電壓對外未引出，生產(chǎn)廠家暫時無法實現(xiàn)該保護，因此將原發(fā)電機轉子一點繼電器暫時使用原BBC繼電器。（6）因保護裝置不帶操作箱，保護出口繼電器接點容量是否滿足跳閘回路要求，采取何種措施加以滿足問題。5改造工程中所采取的技術措施：（1）CT配置方案：由于#3機組接于500kV系統(tǒng)，又屬于3/2接線方式，當外部短路時，一次電流倍數(shù)一般為10-30倍，因此對所配置的電流互感器的特性有嚴格的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性要求。根據(jù)#3機組有關原配CT技術資料查閱可知，發(fā)電機和高廠變高壓側參與差動保護用的CT，原設計者考慮到此問題，所配置的一次CT及中間CT的鐵芯均帶有氣隙，其中

10、一次CT鐵芯帶六個3.3mm氣隙，中間CT鐵芯帶四個0.9mm氣隙，該CT的伏安特性與500kV變電站CT特性相匹配。在進行該CT的伏安特性測試時，電流升到30mA時，電壓就已超過700V，因試驗設備所限制，無法得到完整的伏安特性。若需補充新的中間CT，將以500kV變電站CT交接試驗所提供的試驗特性為參考，以滿足差動保護對兩側CT特性的要求，避免引起差動保護誤動。500kV變電站CT與國內CT產(chǎn)品特性對比：l 500kV變電站CT特性如下：用于差動保護的準確級：TPY20電流（A）0.030.050.070.080.100.15電壓（V）5509501350180022002980l 天津紐

11、泰克廠家所提供最接近的CT（鐵芯不帶氣隙）伏安特性（上?；ジ衅鲝S也只能提供類似特性的CT產(chǎn)品）：準確級：5P20 15VA電流（A）0.0199130.0259740.0340550.048100.0601250.072150.091390.12025電壓（V）159.5733199.4667239.36279.2533299.200309.1733319.1467329.12l 鐵芯帶氣隙和鐵芯閉路的CT的特性曲線對比：注：電流1、電壓1為帶鐵芯氣隙的特性，電流2、電壓2為鐵芯閉路的特性。從以上兩種電流互感器的特性對比，兩者特性相差甚遠。一般TPY型電流互感器磁路氣隙之和不超過1mm，這種互

12、感器的飽和磁場強度很高（當氣隙1mm時，磁場強度大于2000A/m）。根據(jù)王維儉老師在論證差動保護用的CT如何在暫態(tài)過程中滿足保護所提出的技術要求時，詳細分析了電流互感器的鐵芯帶氣隙和鐵芯閉路在不同情況下的表現(xiàn)，指出一套差動保護中兼用帶氣隙和不帶氣隙鐵芯的電流互感器，其差動保護差回路中的不平衡電流：（1）與CT的剩磁有關。鐵芯帶氣隙的電流互感器，不僅剩磁系數(shù)降低為閉路鐵芯的1/21/3，而且非周期磁密系數(shù)也顯著下降，從而使得暫態(tài)飽和倍數(shù)大大減小。（2）與兩側CT的時間常數(shù)有關。帶氣隙的TPY型電流互感器時間常數(shù)變化范圍較大（從幾百毫秒到12秒），而普通的閉路鐵芯CT，時間常數(shù)很大，兩者時間常數(shù)

13、可相差倍數(shù)可達百倍。因此外部短路的不平衡電流將非常大，差動保護可能誤動作。根據(jù)向國內CT生產(chǎn)廠家了解，我國目前還沒有該型式CT（帶氣隙）的生產(chǎn)和技術標準，因此，發(fā)電機側的CT配置問題將寄托于我國今后電流互感器制造業(yè)的發(fā)展情況，另外我們還想通過原供貨商渠道，尋求互感器的配型。基于上述情況，為了尋找到一種滿足現(xiàn)狀的、更為合理的、安全的配置方案，解決CT特性問題的另一種途徑是通過新保護原理進行彌補。我們選擇的變壓器差動保護是比率制動式，該差動保護在原理設計上確實有所改進，可進一步避免CT特性不一致引起的保護誤動作，其原理如下：變壓器差動保護原理采用了自適應提高定值的方式，防止外部故障時，由于CT飽和

14、引起的差動保護誤動作（保護特性如下附圖所示），當差流中的三次諧波與基波的比值大于某一定值時，自動提高比率制動差動的定值，改變比率制動系數(shù)的最小制動電流，從防止保護誤動。TA飽和的判別是利用每相電流中三次諧波分量作為TA飽和閉鎖判據(jù)的。差動保護判斷是區(qū)內故障時，保護進行諧波分量計算來決定是否提高動作值的，保護動作的出口時間在2倍的整定值下不大于30ms。差動電流 Iop注：陰影部分只要經(jīng)過勵磁涌流判別即可出口?？瞻撞糠謩t需要經(jīng)過涌流判別、CT飽和判別、CT斷線判別后才可出口。 1.2In Iop.0 0 Ires.o 1.1Ires.o 制動電流 Ires圖1：差動保護的動作特性按照以上原理，C

15、T特性不一致所帶來的影響從理論上講是可以彌補的，但在進行深入探討時，認為CT二次電流由于CT特性不一致引起的誤差，給保護帶來一定影響，雖然從定值整定時充分考慮，適當整定動作電流和比率制動斜率，犧牲一定的保護靈敏度，而使差動保護應能可靠運行，但是該理論還要在正式投運后詳細觀察，才能保證機組正常可靠運行。因此這一方案要承擔一定的風險，還要經(jīng)過試運行后才能得到一個答案，在運行機組上進行這樣的試驗是不現(xiàn)實也不安全的，此方案不被采用。WFB-830C（804）CT配置問題經(jīng)過多次討論和斟酌后，最終確定了CT分配按照保證差動保護的CT特性一致性原則，將A、B柜兩套保護的CT回路進行串聯(lián)方式的聯(lián)接。但主變高

16、壓側CT保留原來用于發(fā)變組大差的一組，另外將#3機組短線保護的CT與B柜的802機箱公用。為了今后實現(xiàn)CT獨立配置目標，考慮了CT增加后的接線過渡方案。WFB830C（804）保護配置方案如下：500kV南母高廠變繞組溫度高廠變壓力釋放閥高廠變風機故障高廠變冷卻器故障高廠變油位封母補壓裝置異常機端PT跳閘機端PT斷線告警主變抽頭重瓦斯主變烴含量高調壓開關過調極限512、513開關失靈保護滅磁開關聯(lián)跳高廠變重瓦斯高廠變輕瓦斯高廠變油溫 500kV北母 #3主變發(fā)變組差動主變差動主變零序發(fā)變組差動主變差動主變零序12000/25CT05-0712000/25CT02-04測量、AVR用HU 保護用

17、HU WFB-830B（802）WFB-830A（802）主變重瓦斯主變輕瓦斯主變繞組溫度主變油溫主變壓力釋放閥主變、分接頭油位主變風機故障主變油流故障網(wǎng)控短線保護53351351225/1測量AVR25/161625/1測量備用WFB-830BWFB-830A（803）高廠變差動高壓側復壓過流高壓側過負荷低壓分支過流高廠變差動高壓側復壓過流高壓側過負荷低壓分支過流6kV6段6kV5段12000/25CT11-1325/125/132120/3kV/100V#3高廠變2000/12000/161512000/25CT08-10WFB-830A（801）WFB-830B（801）發(fā)電機差動發(fā)電機

18、失步發(fā)電機失磁對稱過負荷負序過負荷過勵磁程跳逆功率逆功率發(fā)電機過電壓定子100%接地啟停機保護低頻/高頻全阻抗轉子一點接地發(fā)電機匝間發(fā)電機差動發(fā)電機失步發(fā)電機失磁對稱過負荷負序過負荷過勵磁程跳逆功率逆功率發(fā)電機過電壓定子100%接地啟停機保護低頻/高頻全阻抗發(fā)電機匝間 #3發(fā)電機 圖2：保護配置方案（2）保護出口方案：因汽機、鍋爐設備的控制邏輯未變動和主設備未改造，參考原保護出口設計方案，保留原保護設計的四種出口方式：I型脫扣：機組全停；II型脫扣：電氣與系統(tǒng)解列，跳汽機，維持爐循環(huán)；III型脫扣：電氣與系統(tǒng)解列，維持汽輪機空轉；IV型脫扣：電氣與系統(tǒng)解列，機組帶廠用電運行。對于新增加保護和保

19、護原理有變更的保護，根據(jù)保護原理、保護定值整定方案、分析保護的作用等因素，將保護的出口進行了合理劃分。保護屏中操作箱問題：因發(fā)變組保護與廠用電的接口是通過繼電器室中的結合柜中的繼電器轉接出口，至500kV側開關的操作回路是在變電站網(wǎng)控室通過結合柜中繼電器轉接出口，故#3發(fā)變組保護取消開關的操作箱，僅保留各保護屏的出口繼電器。保護的跳閘繼電器接點容量選擇：#3機繼電器室的#3發(fā)變組保護出口至變電站的網(wǎng)控室結合柜距離較遠（300米），因此考慮保護出口中間繼電器的接點容量滿足不小于直流220V 0.3A；另一方面考慮控制線路長，電纜電容對繼電器接點開斷電流的影響。跳閘回路落實反措要求：對網(wǎng)控結合柜中

20、跳閘繼電器除了按照主、副跳閘回路設計外，還對繼電器的型式進行了改進，保證了繼電器具有較高的線圈阻值和動作電壓；另外還可以測量該回路在繼電器動作后返回時的回路斷開電流，核算發(fā)變組保護出口繼電器的接點容量，以確保出口繼電器不被損壞和動作可靠性。將非電量保護的出口按照反措要求，在保護動作后將不再啟動斷路器的失靈保護，而直接啟動開關的跳閘回路。500kV變電站的斷路器本身已配置了開關三相不一致保護和失靈保護，安裝在500kV網(wǎng)控室的開關結合柜內，因此#3發(fā)變組保護中不再考慮設置非全相保護和斷路器的失靈保護。新舊保護跳閘邏輯對比如下表所示：*; #3發(fā)變組保護新舊跳閘邏輯對比 跳閘型式保護名稱脫扣類型跳

21、512主/副跳513主/副跳615跳616跳LMK關主汽門 1停爐（鍋爐慢跳閘，跳磨煤機）關主汽門 2爐循環(huán)（鍋爐快跳閘）爐負荷極限IV型至給水控制啟動6kV5段快切啟動6kV6段快切閉鎖6kV5段快切閉鎖6kV6段快切IV型脫扣至C柜組合出口繼電器編號新17/1819/20121121122413163567828舊K29/K30/31/32K29/K30/31/32/K29/K30/K31汽機置位1chK29汽機置位2chK30/K32K31/K32K32K29/K30/31K29/K30/31/K311發(fā)電機差動I發(fā)變組差動I*主變差動I高廠變差動I*發(fā)電機失磁t1 發(fā)信t2IIIt3I

22、*發(fā)電機失步t1區(qū)內It2 發(fā)信*發(fā)電機對稱過負荷t1 發(fā)信t2 IV*發(fā)電機負序過負荷t1 發(fā)信t2 III*發(fā)電機定子接地基波t1 發(fā)信基波t2 I三次諧波發(fā)信*發(fā)電機匝間I*過勵磁III*啟停機保護*逆功率II*程跳逆功率III*過電壓I段發(fā)信II段t2III電壓指令*全阻抗低值（I）I高值（II）IV*低頻保護t 發(fā)信t，t4I高頻保護發(fā)信轉子一點接地發(fā)信*主變零序t1 IIIt2I*高廠變復壓過流III高廠變復合電壓*高廠變過負荷發(fā)信*6kV5段分支低壓過流*6kV6段分支低壓過流主變重瓦斯I主變抽頭瓦斯I高廠變重瓦斯I*穩(wěn)定措施切機IV*512、513開關失靈保護IIIPT柜跳機I

23、*滅磁開關聯(lián)跳III*組合跳閘經(jīng)0.5秒延時III注釋：上表中“”表示保護出口選中，空白表格表示不被選中。1“*”表示保護原理有改進的保護；2“*”表示新增保護1（3）定子接地保護和其它幾種保護的工程考慮：許繼公司生產(chǎn)的GWFB-800型微機發(fā)變組保護，根據(jù)實際情況，對以下保護在原理和功能的實現(xiàn)上進行了特殊考慮：發(fā)電機匝間保護、發(fā)電機100%定子接地保護、發(fā)電機失磁保護、組合跳閘保護、低頻/高頻保護等。 發(fā)電機定子100%接地保護的考慮：由于發(fā)電機定子繞組匝間保護采用縱向零序過電壓及故障分量負序方向型匝間保護，為取得發(fā)電機縱向零序電壓，將保PT的一次中性點與發(fā)電機中性點使用電纜直接連接方式。而發(fā)電機定子100%接地保護，其原理中采