余熱發電站繼電保護配置及發電機整定計算分析

馮磊

（云南電網有限責任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653400）

0 前言

某縣大型鋼鐵冶煉和水泥生產企業建有余熱發電站，利用廢氣、廢液等工質中的熱或可燃質作熱源，生產蒸汽用于發電。余熱發電不僅節能，還有利于環境保護，隨著國家節能減排力度不斷加大，余熱發電項目將會越來越多。余熱發電站屬用戶自備電廠，所發電量全部用于內部負荷消納，不能上送電網，如果余熱發電站的繼電保護設計不符合要求，將會影響發電機和系統側電網的安全運行。針對余熱發電的特點，本文以某鋼鐵廠余熱發電站為例，對其相關繼電保護配置進行分析計算，提出一套適合余熱發電站的繼電保護配置及發電機整定計算方案，既符合技術標準，也滿足并網要求。

1 電氣主接線

余熱發電站的電氣主接線見圖1，直接采用發電機電壓母線的直供方式，通過一回10 kV電纜線路接至110 kV降壓變電站10 kV I段母線的電氣間隔，發電機中性點采用避雷器保護的不接地方式[2]，降壓站高壓側采用內橋接線[1]，低壓側10 kV分段。

圖1 鋼鐵廠電氣主接線圖

余熱發電站投入增加了降壓站10 kV母線的短路電流，校核10 kV用電設備的短路開斷能力低于最大短路電流，采取限流措施，在其并網聯絡線上串聯加裝限流電抗器[3]，從節能和防電磁干擾的角度出發，配套使用大容量高速開關。

2 繼電保護配置

2.1 110 kV降壓變電站

1）為防止余熱電量上送電網，在110 kV I回進線、110 kV II回進線處分別配置1套逆功率保護裝置，當檢測到有從110 kV母線輸送到兩回進線的逆向功率，保護裝置動作跳開10 kV并網聯絡線3QF斷路器。

2）調整110 kV兩回進線的重合閘檢定方式，電網側投“檢無壓”重合閘方式，降壓站側投“檢同期”或“檢線路有壓檢母線無壓”重合閘方式[4]。

3）110 kV #1、#2主變高后備間隙保護投入聯跳10 kV并網聯絡線的功能，低后備復壓閉鎖過流保護投入方向閉鎖功能，方向指向母線側。

4）考慮余熱發電站與降壓站的保護時差配合，10 kV并網聯絡線兩側分別配置1套10 kV線路光纖差動保護裝置，過流保護投入方向閉鎖功能，方向指向線路側。

2.2 10 kV余熱發電站

1）110 kV兩回進線和主變跳閘的情況下，完全靠余熱發電電量難以滿足負荷要求，不考慮孤網（孤島）運行方式，配置1套頻率電壓解列裝置。

2）余熱發電站與降壓站的同期點設置在發電機出口1QF斷路器兩側，配置1套自動準同期裝置。

3 發電機整定計算

發電機整定計算參照相關整定原則[5]設置，并借鑒工程計算的經驗值[6]，發電機額定一次電流IG.N=1374.6 A，額定二次電流Ig.n=3.44 A，發電機機端一次線電壓UG.N=10.5 kV，二次線電壓Ug.n=100 V。使用Relay-CAC整定軟件計算系統短路電流，降壓站主變高壓側110 kV母線兩相最小短路電流Ik（2）=3978 A（歸算至余熱發電站10 kV母線），余熱發電站10 kV母線兩相最小短路電流Ik（2）=7740 A。

3.1 發電機縱差動保護

1）比率差動起動電流：按躲過發電機額定負荷狀態下的最大不平衡電流整定Iop.0=0.25Ig.n

2）比率差動拐點電流：Ires.0=0.8Ig.n

3）比例制動系數：S=0.5

4）差動速斷電流：按最大外部短路電流不誤動整定，Iop.qu=4Ig.n=4×3.44=13.76 A

5）差流越限告警電流：I=0.15Ig.n

6）TA斷線視為設備故障，所以TA斷線時不閉鎖發電機縱差動保護，TA二次回路斷線差動保護動作時作用于跳閘停機，同時發TA斷線信號。

3.2 發電機橫差動保護

1)保護動作電流：按躲發電機外部短路或發電機轉子偏心產生的最大不平衡電流整定。

2)保護動作時間：正常運行時零序電流型橫差保護不經本時限出口，而是瞬時動作停機，只有當勵磁回路一點接地保護動作后零序電流型橫差保護才經本時限出口動作于停機。按防止勵磁回路發生瞬時性第二點接地故障時橫差保護誤動整定，取Top=0.5 s。

3.3 發電機縱向零序過電壓

1）保護動作電壓：按躲區外短路時最大縱向基波零序不平衡電壓整定，Uop=8 V。

2）保護動作時間：為確保在專用TV一次斷線時不誤動，根據運行實踐取Top=0.2 s。

3）負序功率方向元件：為防止外部短路時誤動，采用負序功率方向元件閉鎖縱向零序過電壓保護。

3.4 發電機定子繞組過電流保護整定計算

式中：Krel——可靠系數；

Kr——返回系數。

式中：I(2)kmin——主變壓器高壓側母線金屬性兩相短路時，流過保護的最小短路電流。要求靈敏系數Ksen≥1.2。

2)保護動作電壓：低電壓取機端TV二次線電壓，Uop=0.6Ug.n；負序電壓取機端TV二次線電壓，按躲過正常運行時的不平衡電壓整定，Uop2=0.07Ug.n。

3）保護動作時間：按與降壓站主變過流保護動作時間配合整定，Top＝Tmax+ΔT。

3.5 發電機定子繞組過負荷保護

式中：Krel——可靠系數；

Kr——返回系數。

2）過負荷動作時間：按躲過發電機后備保護的最大延時整定，Top＝Tmax+ΔT。

3.6 發電機定子繞組單相接地保護

1)基波零序電壓：電壓量取自機端TV開口三角繞組，按躲過正常運行時機端三相電壓互感器開口三角繞組的最大不平衡電壓整定，Uop=0.1Ug.n。

2)保護動作時間：根據實際運行經驗，應將發電機定子繞組單相接地基波零序過電壓保護視為主保護，動作時間盡可能短。

3.7 發電機定子繞組過電壓保護整定計算

1）保護動作電壓：電壓量取機端TV二次線電壓，Uop=1.3Ug.n。

2）保護動作時間：Top=0.5 s。

3.8 發電機轉子接地保護

1）乒乓式一點接地保護

保護Ⅰ段動作電阻：Rg1=10 kΩ。

保護Ⅰ段動作時間：按躲過勵磁回路瞬時性接地和轉子繞組暫態過程中誤動整定。

保護Ⅱ段動作電阻：Rg2=1 kΩ。

保護Ⅱ段動作時間：按躲過勵磁回路瞬時性接地和轉子繞組暫態過程中誤動整定。

2）乒乓式兩點接地保護

轉子繞組一點接地位置變化量：△a=0.05轉子繞組兩點接地動作時間：Top=1 s。

3.9 發電機轉子表層負序過負荷保護

式中：Krel——可靠系數；

Kr——返回系數；

I2∞*——發電機長期允許負序電流的標么值，以發電機額定電流為基準，由制造廠家提供，一般I2∞*≤10%。

2)負序動作時間：按躲降壓站主變高壓側兩相短路整定，Top＝0.5 s。

3.10 發電機失磁保護

圖2 阻抗動作特性（圓1稱為異步邊界阻抗圓，圓2稱為靜穩極限阻抗圓）

1）低電壓元件：低電壓取機端TV二次線電壓，按躲過強行勵磁啟動電壓及不破壞廠用電的安全整定，Uop=0.85Ug.n。

2）負序電壓元件：負序電壓取機端TV二次線電壓，Uop2=0.07Ug.n。

3）異步邊界阻抗圓

式中：Xd＇、Xd——發電機暫態電抗和同步電抗標么值；

UG.N、SG.N——發電機額定電壓和額定視在功率；

NTA、NTV——電流互感器和電壓互感器變比。

4)靜穩極限阻抗圓

式中：Xcon是發電機與系統間的聯系電抗（包括降壓站變壓器阻抗）有名值（歸算至發電機側），即最小運行方式下系統歸算至發電機母線的等值電抗有名值。

5）失磁保護動作時間：按躲過振蕩過程中短時的電壓降低整定。

4 結束語

余熱發電站為企業內部的自備電站，用戶在建設投資時要充分考慮電站接入對降壓站和系統側帶來的影響，明確二次系統的設計要求。用戶委托第三方計算的余熱發電站保護定值，存在取值不合理的情況，特別是發電機的保護定值。為保證余熱發電站及電網的安全運行，對余熱發電項目提出以下幾點建議：

1)在降壓站電源進線的母線側增加逆功率保護裝置，合理設置電源進線兩側重合閘；

2）完善降壓站主變高后備間隙保護聯跳小電功能，投入相關保護的方向閉鎖功能；

3）余熱發電站與降壓站并網聯絡線使用光纖差動保護裝置；

4）在余熱發電站側裝設同期裝置和頻率電壓解列裝置；

5）按相關整定原則對余熱發電站的保護定值進行整定計算。