輸電線路短時非全相運行對水輪發(fā)電機的影響

王少華，劉 灝

（國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304）

0 引言

發(fā)電機不對稱運行電氣量特征表現為發(fā)電機機端三相電流幅值不相等、相位不對稱，是由發(fā)電機出口斷路器一相或兩相未斷開、機組三相負載不平衡等原因導致[1]，另單回輸電線路的水電站，當線路發(fā)生單相瞬時故障時，由于繼電保護裝置跳開故障相斷路器并等待線路重合閘的過程中，線路處于短時非全相運行狀態(tài)，產生的負序電壓、負序電流對500 kV線路及其配置的繼電保護裝置功能無明顯影響，但影響站內發(fā)變電設備運行，特別是導致站內發(fā)電機處于不對稱運行狀態(tài)，由此將產生負序電流，該電流對發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行影響較大[2]，本文結合深溪溝水電站一起500 kV輸電線路短時非全相運行事件進行分析，指出可能造成的影響并提出防范措施。

1 事件經過

國能大渡河深溪溝水電站位于四川省雅安市漢源縣境內，電站裝設4臺軸流轉槳式水輪發(fā)電機組，出口電壓15.75 kV，單機容量165 MW，發(fā)電機-變壓器采用“兩機一變”擴大單元連接方式，通過2臺500 kV升壓變壓器引上到500 kV開關站GIS設備，開關站4個500 kV斷路器采用角形接線方式，通過一回500 kV深布線接至上游瀑布溝水電站500 kV開關站，將電量輸送至四川電網，另一回500 kV枕深線為下游枕頭壩電站接入線路，主接線圖如圖1所示。

圖1 深溪溝水電站主接線圖

500 kV深布線作為深溪溝水電站與四川電網聯(lián)系的重要聯(lián)絡線路，全長約17 km，承擔著深溪溝及枕頭壩電站電量送出唯一通道，其安全穩(wěn)定運行至關重要。為確保線路瞬時故障及時切除并保障非故障相正常運行，深布線線路保護采用雙重化配置、不同廠家的繼電保護裝置，主保護為光纖差動保護，并啟用兩個500 kV斷路器的單相重合閘功能，即按照單相故障情況下單相跳閘單相重合、多相故障情況下三相跳閘不重合的原則進行重合。某年7月26日22：28，深溪溝2F、3F、4F并網運行，1F機組備用，500 kV開關合環(huán)運行，深布線有功負荷454.55 MW，00：28：25，500 kV深布線線路1號保護跳閘、深布線線路2號保護跳閘，5001DL、5004DL開關A相動作分閘，5003DL保護裝置重合閘動作后5003DL A相先重合成功，隨即5002DL保護裝置重合閘動作成功，500 kV深布線線路恢復正常運行?，F場運行值守人員檢查500 kV GIS設備及線路無明顯故障，判斷本次跳閘事件原因為深布線線路A相瞬時接地故障造成。

2 技術分析

2.1 波形分析

在上述事件過程中2F、3F、4F發(fā)電機故障錄波裝置均啟動,其中故障時刻2F發(fā)電機故障錄波波形圖如圖2所示。

圖2 發(fā)電機故障錄波裝置波形圖

對故障錄波波形圖分析如下：

（1）在線路瞬時接地故障發(fā)生過程中，由于500 kV線路接地故障，運行中的發(fā)電機電流、電壓均呈現故障特征。2F發(fā)電機機端三相電壓不對稱，其中A、C相電壓幅值大幅度低于正常電壓故障，B相電壓幅值接近正常電壓，產生的負序電壓二次最大幅值達9 V；2F發(fā)電機機端三相電流、中性點分支三相電流不對稱，A、C相電流幅值大于故障前負荷電流（最大值達2~3倍），B相電流接近正常負荷電流，由此產生了較大的負序電流，最大達0.9倍額定電流。

（2）故障切除后等待重合閘過程中，此時500 kV線路接地故障已切除，2F發(fā)電機機端電流、電壓均呈現異常運行特征，即發(fā)電機機端A相電壓幅值高于正常電壓，B相電壓幅值仍接近正常電壓，C相電壓幅值低于正常電壓，產生的負序電壓二次最大幅值達3.9 V；2F發(fā)電機機端三相電流、中性點分支三相電流不對稱，A、C相電流幅值較故障前負荷電流減小，B相電流接近正常負荷電流，因此仍有負序電流，但幅值小于故障過程中產生的負序電流。

（3）故障切除后等待重合閘過程中，2F發(fā)電機有功功率逐漸上升，同時發(fā)電機機端電流、中性點三相電流增大，深溪溝電站500 kV斷路器重合閘動作時限為1 s，在此短時過程中電流最大值0.55 A，約為故障前負荷電流的1.6倍。

2.2 不對稱電流計算

綜合如上分析，在500 kV線路非全相運行期間，水電站內發(fā)電機處于不對稱運行狀態(tài)，此時500 kV線路A相斷路器已分閘，因此變壓器高壓側A相電流為零，非故障相B、C相電流仍為負荷電流[3]，主變壓器接線組別為Yn/d11，變比n=550/15.75 kV，以主變高壓側B相負荷電流為基準，對主變壓器高低壓側B相電流序分量計算過程如圖3所示（IB、Ib分別對應B相高低壓側電流）。

圖3 主變壓器高低壓側B相電流序分量計算

可得出低壓側的三相電流，計算過程如圖4所示。

圖4 主變壓器低壓側三相電流序分量計算

由以上計算結論可得出，在500 kV線路短時非全相運行期間，與線路瞬時故障前的負荷電流相比較，發(fā)電機機端或中性點分支B相電流大小不變，A、C相電流大小變?yōu)樵瓉淼?/倍，結論與上述事件故障錄波波形分析得出的結論（2）基本一致，將IB視為標幺值，則發(fā)電機機端及中性點負序電流為：

即發(fā)電機中性點分支及機端負序電流幅值為故障前負荷電流的0.33倍。

3 對設備的影響分析

3.1 對發(fā)電機的影響

水輪發(fā)電機不對稱運行是一種異常運行工況，危害在于：①發(fā)電機定子繞組負序電流將產生負序旋轉磁場，該磁場方向與轉子旋轉方向相反，故轉子相對于負序旋轉磁場有兩倍同步速，在轉子鐵心的表面、繞組中產生倍頻電流，導致轉子鐵心及繞組嚴重發(fā)熱，灼傷轉子；②由于發(fā)電機磁路不對稱，轉子將產生極大的振動，導致轉子結構松脫變形。因此一般規(guī)定，按照額定負荷連續(xù)運行時，對于額定容量為100 MW及以下的發(fā)電機負序電流與額定電流之比（標幺值）不得大于12%，對于容量超過100 MW的水輪發(fā)電機，負序電流與額定電流之比（標幺值）不得大于9%[4]。另如2.1條（3）分析所述，線路短時非全相運行過程中，發(fā)電機輸出功率逐漸增大，機端及中性點分支電流增大造成短時過負荷運行?？紤]到重合閘動作延時較短，線路短時非全相后即可重合成功恢復正常運行或重合失敗三相跳閘，因此短時不對稱運行、過負荷運行對水輪發(fā)電機本身危害并不大，在設計制造承受能力范圍之內，但運行人員應針對性地檢查發(fā)電機振動擺度、定轉子溫度并關注跟蹤變化趨勢，以便及時發(fā)現可能造成的設備損傷并及時處理。

3.2 對發(fā)電機繼電保護的影響

結合發(fā)電機差動、定子接地、過負荷等保護原理及上述分析結論可知，發(fā)電機短時不對稱運行工況下受影響的保護包括針對不對稱運行、過負荷運行配置的發(fā)電機負序過流保護、定子過負荷保護，以及發(fā)電機復合電壓過流保護，其它保護功能均不受影響。

負序過負荷保護及定子過負荷保護一般包含定時限報警、定時限跳閘及反時限跳閘，其中定時限跳閘動作電流、反時限跳閘曲線整定均已可靠躲過該種短時異常運行工況下的異常特征電流，因此保護不會誤動跳閘，但負序過流保護定時限報警段動作電流一般按發(fā)電機長期允許的負序電流（9%額定電流）下能可靠返回的條件整定，定子過負荷保護定時限報警動作電流一般按發(fā)電機長期允許的最大負荷電流（1.05倍額定電流）下能可靠返回的條件整定[5]，均未躲過該工況下的最大不平衡電流、最大負荷電流，因此報警延時必須躲過重合閘動作時間。

發(fā)電機復合電壓過流保護動作電流按發(fā)電機額定負荷下可靠返回整定[6]，動作電壓采取低壓或負壓判據，保護靈敏度高，如上分析所述，過程中產生較大負序電壓，且發(fā)電機電流最大可增大至1.2倍額定電流[7]，因此復合電壓過流保護將啟動，為防止其誤動跳閘造成發(fā)電機非計劃停運，其保護動作延時整定應躲開斷路器重合閘動作時間。

4 結語

本文結合具體案例，分析單回輸電通道的水電站發(fā)生線路短時非全相運行時發(fā)電機電流、電壓特征量及變化趨勢，得出該工況對發(fā)電機及繼電保護的影響，并針對性提出了保護整定注意事項及現場運行處置應關注的重點，為同類型水電站提供經驗。