G60發電機保護配置探討

摘要：作為電力系統的保護和控制部分，繼電保護與電力系統一次設備密切相關，不僅需要采用國內外先進技術，同時需要根據一次設備的特點進行相應的改進和創新。本文針對現場具體情況，對保護進行優化，配置了較為完善的保護，為采用同系列保護的電廠提供借鑒。

關鍵詞：G60；發電機；保護配置

前言

G60發電機保護系統是一種發電機綜合保護系統，它可以滿足發電機保護應用的任何要求，主要是采用模塊化的硬件設計，硬件具有可擴展性，可根據現場實際應用靈活配置各種插件。其模件主要由人機接口（MODULAR HMI）及電源（POWER）、模擬量I/O（ANAIO）、開關量I/O（DIGIO）、數字信號處理器（DSP）、主處理器（CPU）等六個基本模塊組成。模件采用抽屜式封裝，便于插拔與維護，且這些模塊之間采用高性能的高速數據母線通訊，避免了保護與通訊發生“瓶頸”問題。G60發電機保護系統所保護的機組最大容量可達1000MW，具有強大快速的以太網通訊功能。此外，G60采用了面向對象的程序設計技術，模塊化的實現各種不同功能。其功能強大，可以先進的自動化，能夠實現保護、測量、控制、通訊等多種功能，包括廣泛的I/O 選擇和配置并具有最大程度縮短發電機故障停機時間的特性。G60配有功能強大的通訊軟件UR setup，具有完備的故障錄波與事件記錄功能。可以方便的通過軟件完成錄波與事件的獲取、實時值監視、波形分析、定值設定、邏輯編程、實驗調試等工作。

1、G60發電機定子接地保護

目前發電機定子繞組接地保護普遍采用的是基波零序電壓個三次諧波電壓原理構成發電機定子繞組100%接地保護。定子接地故障是發電機的一種主要類型，如不及時保護和處理，容易引起故障點局部過熱，燒毀定子線棒和鐵芯，影響發電機的運行。對于發電機定子接地保護，我們要進一步加大科研力度，同時在發電機自動監控領域研究發電機定子繞組對地絕緣的在線監視設備，可隨時顯示發電機定子繞組對地的絕緣電阻值。100%定子接地保護采用對應于機端和中性點三次諧波電壓不平衡的一種自適應電壓差動特性。對三次諧波電壓式接地保護，G60裝置通過采用一個發電機三次諧波電勢必須大于一個門檻值才開放保護動作，這樣可以使發電機中性點接地變壓器一次或二次電壓回路斷線時，避免保護裝置處所測量到的中性點三次諧波為降為 0。

2、G60發電機失磁保護

發電機失磁后不但不發出無功功率還要從系統吸收無功功率。當系統無功功率儲備不足時將導致發電廠母線電壓、發電機機端電壓下降。發電機失磁后，由于發電機吸收無功量的增大及定子電壓的降低，定子電流就會增大。有功功率越大，定子電流就會越大。由此可見發電機失磁故障嚴重影響大型機組的安全運行。失磁保護作為發電機勵磁電流異常下降或完全消失的故障主保護。由于 G60發電機保護配置中失磁保護只有阻抗判據，根據不同的動作邏輯動作于報警或程序停機。保護動作邏輯見圖1。由于電廠 G60 裝置未接入500kV系統電壓信號，故采用主變壓器保護裝置提供系統低電壓出口接點作為 500kV 系統低電壓判據。

圖1失磁保護邏輯圖

3、G60發電機失步保護

發電機失步保護主要針對的是在勵磁情況下發生的系統振蕩，從而導致的發電機斷阻抗變化，進而采取的保護。G60發電機保護采用失步跳閘和系統震蕩閉鎖合一的保護功能通過跟蹤正序阻抗軌跡來檢測失步情況。G60 發電機失步保護的圓形特性是由系統阻抗、發電機和主變形成一個綜合阻抗，其基本原理是通過機端正序測量阻抗穿越這三組元件穿越時間來判斷是否同步，并以此阻抗按不同的阻抗圓限制角在兩邊形成內環、中環、外環三組圓弧。本保護以正序阻抗軌跡穿越外圓和中圓的時間段的長短，來區分系統短路與振蕩，以阻抗軌跡穿越外圓和中圓的時間段的長短來區分穩定振蕩與失步振蕩。測量抗阻軌跡為自左向右或自右向左穿越整定抗阻區域，當相鄰兩次時間間隔不超過2min時，每穿越依次滑極次數累加1。積累滑極次數達到整定滑極計數動作值時，則動作出口。

圖2 G60失步保護特性圖

4、G60發電機匝間保護

匝間短路故障主要是同一項但不同分支的位于同槽上下層間的導體發生斷路，還有因兩點接地以及繞阻端部匝間短路而引起的匝間短路。G60 發電機保護裝置中采用的是縱向基波零序電壓型定子匝間保護，并提供了發電機負序功率方向元件來作為匝間保護的一個判別條件。其主要有橫差保護、零序電壓原理的匝間保護和負序功率方向匝間保護三種方式。G60 保護裝置中的發電機 TV斷線判別元件和負序功率方向元件則能滿足以上的要求。我國大機組大部分采用雙 Y接線，定子繞組幾乎全部采用整數槽，因此其發生定子匝間故障的可能性是存在的。而在我國大型機組中應用的 G60保護裝置中當一個繞組的少量匝數發生匝間短路時，3U0有頗大的數值，縱向基波零序電壓型定子匝間保護的靈敏度很高。

5、G60發電機低壓記憶過流保護

過流保護作為發電機保護和相鄰設備的后備保護，是電力設備繼電保護的最后一道防線，其地位是比較重要的。對于單機端電壓源的自并激靜態勵磁方式，發電機故障電流會在故障開始后迅速衰減，以致通常慣用的定時限過電流繼電器會在延時未到時由于電流的衰減而返回，造成保護拒動。作為發電機后備保護的低壓記憶過流保護邏輯見圖3。為了解決低壓過流保護在故障電流減小后過電流繼電器返回保護不出口的問題，提出了下文所述的方案。

采用中性點電流為電流判據作為故障主判據，采用線電壓作為低電壓判據，用來記憶故障初始時刻過電流元件的動作，中性點正序電流小于10%額定電流判據，用來在保護動作切除故障后將該保護復歸。由于這種勵磁方式下，定子電流衰減很快，而低壓過流保護的延時時間常需取數秒以上，所以在采用圖4所示的傳統的低壓過流保護邏輯方式時，過電流元件I> 將在故障電流衰減至繼電器的動作電流整定值乘返回系數時返回，由于此時還未到時間元件T的延時定值，故低壓過流保護不會正確出口。

為了克服這種弊病，可采用如圖5所示的方案。在這個方案中，電流元件I>動作后，只要電壓元件U>已判定低壓，與門and1 閉鎖信號解除，動作后一方面啟動時間元件T1，另一方面至或門OR1使其自保持，在這種邏輯的方案中，即使電流元件I>由于故障電流的衰減而返回，但由于或門 OR1的自保持作用，低壓過流保護也會保持至保護出口為止。這樣的方案解決了在靜態勵磁機組中由于故障電流的迅速衰減而導致的低壓過流保護不出口問題。

在這個方案中，電流元件動作后，只要電壓元件已判定低壓，與門閉鎖信號解除，動作后一方面啟動時間元件，另一方面至或門使其自保持，在這種邏輯的方案中，即使電流元件由于故障電流的衰減而返回，但由于或門的自保持作用，低壓過流保護也會保持至保護出口為止。這樣的方案解決了在靜態勵磁機組中由于故障電流的迅速衰減而導致的低壓過流保護不出口問題

圖3自并勵發電機故障后電流的衰減特性示意圖

圖4傳統的低壓過流保護邏輯圖

圖5考慮故障電流衰減的低壓過流保護邏輯圖

6、結語

G60發電機保護雖然是一種先進的保護與控制產品，但在實際使用中卻發現存在致命的設計缺陷，這告誡人們任何一款先進的保護裝置都可能存在不同的缺陷，當發現裝置出現任何看似不重要的異常現象時，都要引起高度重視，那些看似不重要的現象背后可能隱藏著嚴重的事故隱患。只要根據現場的實際情況，對各種保護進行合理配置。同時，對保護裝置進行正確的整定。即可對發電廠電力系統，實現較為完善的保護和控制系統。