淺析沙灣水電站 220 kV斷路器非全相保護的完善

楊森林, 陳紅兵 , 劉 林

(1.四川圣達水電開發有限公司,四川 樂山 614900;2.四川電力送變電建設公司調試所,四川 成都 610051)

沙灣水電站位于四川省樂山市沙灣區葫蘆鎮,為大渡河干流下游梯級開發中的第一級電站,總裝機容量為 4×120 MW。電站電氣主接線為兩機一變擴大單元式接線,220 kV設單母線,兩回進線,兩回出線,全部電能送入四川主網。220 kV線路配置雙重化主保護及后備保護,線路斷路器除啟用本體非全相保護外,同時還啟用雙重化的斷路器非全相保護;主變壓器除配置相應的變壓器保護外,高壓側斷路器還啟用本體非全相保護,但未啟用斷路器非全相保護。筆者重點針對沙灣水電站變壓器高壓側斷路器非全相保護進行了介紹。

1 斷路器非全相運行狀態及保護原理

在運行中,當斷路器(包括母聯斷路器)的一相斷開時,將出現斷路器非全相運行。非全相運行將在電力系統中產生負序電流,負序電流將危及發電機及電動機的安全運行。因此,切除非全相運行的斷路器(特別是發電機——變壓器組的斷路器),對確保旋轉電動機的安全運行具有重要意義。斷路器非全相運行保護是根據非全相運行時的特點(三相斷路器位置不一致及產生負序電流及零序電流)構成的。發電機變壓器非全相運行保護的邏輯框圖見圖 1。

圖1 發電機-變壓器斷路器非全相運行保護邏輯圖

由圖 1可以看出:當斷路器三相不一致(即出現非全相運行)時,綜合觸點 K閉合。此時,若流過斷路器的負序電流或零序電流大于整定值時,非全相保護動作,經短延時 t1去跳非全相運行斷路器;若斷路器未跳開,非全相運行仍然存在,則保護以延時 t2去解除失靈保護的復合電壓閉鎖,并經延時 t3去起動斷路器失靈保護。另外,為確保發電機的安全,在發現斷路器非全相運行時,應首先采取減少發電機出力的措施。特別需要指出的是,根據“反措”要求,斷路器非全相運行保護應優先采用斷路器本體內設置的非全相運行保護[1]。

2 啟用保護裝置非全相保護的必要性

20世紀 60～70年代,非全相運行保護及非全相失靈保護在國內尚未達成共識。20世紀 80年代開始,電廠頻繁出現機組的非全相運行并造成大型發電機組轉子嚴重損壞的事故[2]。2008年 9月 11日,四川電網 500 kV石棉變電站因 220 kV GIS內部控制電纜(廠家配供)絕緣嚴重下降而導致 2#主變 220 kV側 202斷路器 A相偷跳,斷路器本體非全相保護未動作,由非全相運行所引起的零序電流達到約 600 A,從而導致石棉變電站 1#、2#主變的公共繞組零序過電流保護(定值 250 A,3.5 s)動作使兩臺主變三側斷路器跳閘。由于沙灣水電站 220 kV變壓器高壓側斷路器采用的是分相操作的斷路器,在短期內無法改造為三相聯動操動機構斷路器,從而大大增加了出現非全相運行的機率。根據近年來對 220 kV及以上電網的運行進行統計分析,三相操動機構斷路器出現非全相運行的事件也時有發生,如在操作過程中發生一相絕緣拉桿斷裂或某相液壓回路故障時,同樣會出現非全相運行狀態。因此,針對沙灣水電站變壓器高壓側斷路器的現狀,對非全相運行保護進行完善是非常必要的。況且,在500 kV石棉變電站發生斷路器機構本體非全相保護拒動引起兩臺主變跳閘的事故后,四川電網專門發出通知,要求:(1)220 kV及以上電壓等級分相操作的斷路器本體和線路(或斷路器)保護均應配置非全相保護并同時啟用,動作時間應整定相同;(2)220 kV以上的主變、母聯、分相等要求三相聯動的斷路器如果配置的是三相電氣聯動斷路器,其本體非全相保護動作時間應整定為 0.5 s,變壓器保護配置的非全相保護應同時啟用;對于配置了非全相保護的、但回路未接線的應盡快完善并啟用。因此,對沙灣水電站兩臺主變高壓側斷路器非全相運行保護進行完善勢在必行。

3 啟用保護裝置非全相保護的可行性和完善方案

根據對沙灣水電站主變高壓側斷路器進行核實,發現斷路器匯控柜內具有備用的斷路器輔助接點信號端子,同時發現由許繼電氣提供的 WFB-802微機變壓器保護裝置具有非全相保護功能,但尚未啟用和完成接線。從以上保護裝置和斷路器具有的條件看,已有裝置滿足啟用保護裝置非全相保護的可行性要求。因此,按圖 2的方式將主變高壓側斷路器輔助接點組合為三相不一致綜合接點接入保護裝置非全相開入端子 5X22,并整定計算非全相零序電流定值、負序電流定值和時間定值,啟用了針對主變高壓側分相操作斷路器的非全相保護。

3.1 非全相保護零序電流 3I0.OP的計算

主變壓器非全相運行時,3I0約為正常相電流的 2倍(主變壓器中性點直接接地且單相運行或兩相運行時)。當使用零序電流判據時,零序過電流動作元件動作電流為:

圖2 沙灣水電站主變高壓側分相操作斷路器非全相運行保護完善方案邏輯框圖

3.2 非全相保護負序電流 I2.OP的計算

(1)按變壓器兩相運行具有足夠的靈敏度計算。變壓器中性點接地全負荷運行時,斷路器斷開一相后,負序電流僅為額定電流的 23.4%,發電機在 50%負荷兩相運行時的最小負序電流僅為 11.7%,因此有:

(2)按躲過正常允許最大負荷電流計算,即:

式中 I*2∞為發電機長期運行負序電流允許的相對值;Krel為可靠系數,一般取 1.15;Kre為返回系數(微機保護一般取 Kre=0.95,模擬型保護取Kre=0.85);Ig.n為發電機額定二次電流(A)[2]。

沙灣水電站非全相運行保護按躲過正常運行時最大負序電流及非全相時有足夠的靈敏度計算:

3.3 跳本斷路器的時間

主變高壓側分相操作斷路器非全相運行保護動作跳本斷路器時間按照四川電網要求,取:

4 結 語

對 220 kV及以上電壓等級斷路器而言,不管是分相操作斷路器,還是三相聯動操作斷路器都有發生非全相運行的機率。由于非全相運行會危及發電機和電動機的安全運行,也會影響電網安全穩定運行,必須對其給予足夠的重視,在做到斷路器本體和保護裝置同時啟用斷路器非全相運行保護的情況下,合理的保護定值整定也是保證電網及設備安全的重要因素。

[1]江蘇省電力公司,編著.電力系統繼電保護原理與實用技術[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2]高春如,編著.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術[M].北京:中國電力出版社,2005.