基于電壓相角差的發(fā)電機機端斷路器非全相保護

李方玖，易亞文，張林枝，代順娟，陳 偉

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

1 引言

發(fā)電機機端斷路器（GCB）日常操作頻繁，易因機械結(jié)構(gòu)長期磨損而發(fā)生傳動連桿脫落等故障，造成GCB非全相運行。GCB發(fā)生非全相故障時，發(fā)電機將處于非全相運行狀態(tài)，運維人員初期很難從三相聯(lián)動機構(gòu)指示標識發(fā)現(xiàn)該問題，此時若無保護反映動作，定子繞組將長時間承受負序電流，造成發(fā)電機振動加劇和轉(zhuǎn)子過熱，嚴重危及發(fā)電機安全穩(wěn)定運行[1-4]。

傳統(tǒng)繼電保護裝置常采用負序過負荷保護反映GCB非全相故障。近年，相關(guān)科研人員提出了基于GCB兩端電壓差和基波零序電壓相角差等新技術(shù)的GCB非全相保護[5-6]，少量產(chǎn)品已在現(xiàn)場應用。根據(jù)某大型水電站的實際運行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機在并網(wǎng)初期帶小負荷運行或解列停機過程中發(fā)生GCB非全相故障時，實際呈現(xiàn)的電氣量特性不完全滿足以上幾種保護判據(jù)，保護裝置可能均存在拒動風險。本文結(jié)合兩起GCB非全相故障的實際案例，分析多工況故障狀態(tài)下發(fā)電機的電氣特性，提出更優(yōu)的保護動作判據(jù)。

2 發(fā)電機不同運行工況下GCB非全相故障分析

對于GCB非全相故障，通常采用對稱分量法[7]對單機無窮大系統(tǒng)發(fā)電機機端斷路器非全相運行時GCB兩側(cè)的電氣量理論特性進行分析。分析可得：GCB非全相運行時，電氣特性呈現(xiàn)出故障相兩側(cè)產(chǎn)生電壓差和相角差、負序電流、基波零序電壓差和相角差，這些電氣量值與發(fā)電機側(cè)、系統(tǒng)側(cè)電源電動勢以及序網(wǎng)絡阻抗大小有關(guān)，當在序網(wǎng)絡阻抗一定的情況下，這些電氣量值會隨著負荷電流的增大而增大，而非斷線相電壓差和相角差為零[5-6]。

下面結(jié)合某大型水電站的實際運行案例，從機組故障錄波裝置錄取的波形數(shù)據(jù)中，摘錄負序電流、電壓差以及電壓相角差等電氣特征值，分析發(fā)電機發(fā)生GCB非全相故障時的實際電氣特性。

2.1 案例1分析

案例1：2018年11月，該水電站某臺800 MW發(fā)電機開機并網(wǎng)，出力增加過程中“發(fā)電機負序過負荷保護”等信號報警。停機檢查發(fā)現(xiàn)該發(fā)電機出口隔離開關(guān) C相操作連桿拐臂脫落，C相處于斷開狀態(tài)，造成GCB非全相運行。

本例中，從GCB合閘并網(wǎng)到發(fā)現(xiàn)故障停機，機端電流最高升至40%的額定電流。表1從故障錄波中摘錄了不同機端電流時的電氣量變化情況。通過表1內(nèi)數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論：①負序電流和GCB兩側(cè)基波零序電壓有效值差值隨機端電流增加而增加趨勢極為明顯，其中負序電流有效值約為機端電流57%；②GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差值一直保持較大值，相角差值均在100°以上；③斷線相兩側(cè)電壓有效值差值隨機端電流增加成增加或減少趨勢；④斷線相兩側(cè)電壓相角差值隨機端電流增加成增加趨勢。

表1 案例1電氣量二次值變化統(tǒng)計表

2.2 案例2分析

案例2：2019年1月，該水電站某臺800 MW發(fā)電機，在停機備用負荷降為零，發(fā)電機出口斷路器分閘后，雙套變壓器保護“主變低壓側(cè)零序電壓報警”動作。經(jīng)檢查，該發(fā)電機出口斷路器 C相因傳動機構(gòu)故障而未斷開，造成GCB非全相運行。

表2從故障錄波中摘錄了從GCB分閘至發(fā)電機機端電壓衰減至零的電氣量變化情況。通過表2的數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論：①隨時間推移斷開相兩側(cè)電壓有效值最大差值和GCB兩側(cè)基波零序電壓有效值差值從起初的較小值逐步增大，并接近線電壓額定值100 V；②隨時間推移斷開相兩側(cè)相電壓相角差值同樣從起初的較小值逐步增大；③隨時間推移GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差值一直保持較大值；④以上數(shù)據(jù)均在發(fā)電機機端電壓衰減至接近零前呈現(xiàn)如表2變化規(guī)律，待發(fā)電機機端電壓衰減至接近零后，以上所有差值均趨于較大穩(wěn)定值。

表2 案例2電氣量二次值變化統(tǒng)計表

2.3 GCB非全相故障的電氣特性分析

結(jié)合實際運行經(jīng)驗，發(fā)電機組發(fā)生有危害的GCB非全相故障的運行工況大致可分為：①發(fā)電機開機合GCB并網(wǎng)，發(fā)生GCB一相或兩相未合上；②發(fā)電機正常帶負荷運行，發(fā)生保護動作或是機構(gòu)偷跳GCB一相或兩相；③發(fā)電機減負荷停機斷開GCB，發(fā)生GCB一相或兩相未斷開。

以上2個案例分別代表了①③兩種工況。第②種工況與第①種工況類似，只是所帶負荷更大。根據(jù)案例分析，GCB非全相故障呈現(xiàn)出的具有共性的電氣特征量為GCB兩側(cè)的相電壓差、相角差和基波零序電壓差、相角差。GCB兩側(cè)的相電壓相角差和基波零序電壓差在發(fā)電機并網(wǎng)初期呈現(xiàn)最小值，其值隨發(fā)電機出力增加而增大；GCB兩側(cè)的相電壓差和基波零序電壓相角差不隨發(fā)電機出力變化而變化，但較正常運行情況下的差值相比均呈現(xiàn)出明顯增大現(xiàn)象。

3 GCB非全相保護判據(jù)

3.1 基于負序電流的負序過負荷保護

該保護以負序電流量為保護判據(jù)。由案例1、2分析可知，GCB非全相僅依靠負序過負荷保護反映非全相運行故障是遠遠不夠的，一是在發(fā)電機剛非全相并網(wǎng)負荷還未增加時和發(fā)電機將負荷減為零后非全相解列時均沒有靈敏度；二是負序過負荷保護動作時間長，不能及時反映非全相故障，存在其他保護搶先動作擴大故障范圍的問題。

3.2 基于GCB兩側(cè)電壓相量差的GCB非全相保護

由文獻[5]提出的基于GCB兩側(cè)電壓相量差的GCB非全相保護。該保護判據(jù)在GCB兩側(cè)相量差的基礎(chǔ)上還需要增加負序電壓、零序電壓等輔助判據(jù)，判據(jù)較為復雜。由案例1數(shù)據(jù)可知，GCB兩側(cè)相電壓相量差有效值隨機端電流增加呈增加或減少趨勢，這將增加電壓相量差定值整定難度。另外，該保護判據(jù)還需滿足發(fā)電機機端與主變低壓側(cè)三相電壓中的最小相電壓有效值需要大于90%額定相電壓有效值，顯然案例2中隨著發(fā)電機電壓衰減，該判據(jù)將不滿足，造成保護拒動。

3.3 基于GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差的GCB非全相保護

由文獻[6]提出的基于GCB兩側(cè)基波零序電壓相角差的GCB非全相保護。該保護判據(jù)還需滿足發(fā)電機機端與主變低壓側(cè)三相電壓中的最小相電壓有效值需要大于80%額定相電壓有效值，顯然案例2中隨著發(fā)電機電壓衰減，該判據(jù)將不滿足，造成保護拒動。

4 GCB非全相保護新型判據(jù)的提出

根據(jù)前文分析，GCB非全相故障的電氣特征量集中體現(xiàn)為GCB兩側(cè)的相電壓差、相角差和基波零序電壓差、相角差，以此為判別對象，可提出基于GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓的相角差的復合判據(jù)。該判據(jù)的表達式見式（1）。

條件1：φGX和φTX分別為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)相電壓相角； X為A、B、C相；max表示取相電壓相角差最大值；φG-T.SET為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)相電壓相角差的動作值，可按發(fā)電機并網(wǎng)后勵磁系統(tǒng)能夠給定的最低初始負荷或發(fā)電機長期運行允許的負序電流所對應GCB非全相故障的發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)相電壓相角差經(jīng)驗值整定。該水電站發(fā)電機長期運行允許負序電流值較大，即按發(fā)電機并網(wǎng)后初始給定負荷（6.25%In）所對應的發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)相電壓相角差經(jīng)驗值整定。實測相角差值為2°，為保證可靠動作，建議定值取1°。

條件2：φG0和φT0分別為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)零序電壓相角；φ0.SET為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)零序電壓相角差的動作值，該值整定原則與條件1中φG-T.SET的整定原則相似。實測相角差值為100°，為保證可靠動作，建議定值取90°。

條件3：UG0和UTO分別為發(fā)電機機端和主變低壓側(cè)零序電壓有效值；ΔUG-T.SET為輔助判據(jù)，用于發(fā)電機和主變單側(cè)正常停運或空載時閉鎖該保護，可按躲過發(fā)電機和主變單側(cè)正常停運或空載時的零序電壓差實測值整定。該水電站實測零序電壓差值為0.1～0.4 V，取1.5倍的可靠系數(shù)，建議定值取0.6 V。

當式（1）的條件 1～3同時滿足時，保護判定GCB非全相故障，延時動作于報警或是跳閘。發(fā)電機帶大負荷運行，發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的電氣特征量較大時，該保護判據(jù)能可靠動作；發(fā)電機合GCB并網(wǎng)初期帶極小負荷或減負荷至零斷開GCB運行工況下，發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的電氣特征量較小時，該保護判據(jù)仍能靈敏動作；當發(fā)生TV斷線時，GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差可相互起到閉鎖作用，避免該保護判據(jù)誤動；當發(fā)電機和主變單側(cè)正常停運或空載時，條件3可閉鎖該保護，避免該保護判據(jù)誤動。

5 結(jié)語

分析該水電站兩起GCB非全相故障案例波形數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓差和相角差顯著增大，現(xiàn)有的基于負序電流、GCB兩側(cè)電壓相量差和基波零序電壓相角差的判據(jù)都存在一定拒動風險。本文提出的基于GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差的復合判據(jù)，定值整定原則考慮了發(fā)電機并網(wǎng)后勵磁系統(tǒng)能夠給定的最低初始負荷這種最極端運行工況對應的非全相故障經(jīng)驗值，可滿足各種工況下GCB非全相保護可靠性和靈敏性的要求。發(fā)電機合GCB并網(wǎng)初期帶極小負荷或減負荷至零斷開GCB運行工況下，發(fā)生GCB非全相故障所呈現(xiàn)的GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差電氣特征量可讓該新型判據(jù)靈敏動作；GCB兩側(cè)相電壓、基波零序電壓相角差、基波零序電壓差構(gòu)成的與門復合判據(jù)，既可有效避免TV斷線造成的保護誤動，又可有效避免發(fā)電機和主變單側(cè)正常停運或空載時保護誤動。由此可見，發(fā)電機開機并網(wǎng)、正常帶負荷運行以及停機備用等各種工況下，該新型判據(jù)對GCB非全相故障均能起到良好的保護作用。