發電機出口開關(GCB)非全相保護優化研究

吳禮貴，魏 揚

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

發電機出口斷路器操作機構及隔離開關一般采用三相聯動機構,普遍認為三相聯動機構不會發生非全相合閘狀況，但隨著操作次數的增多、機械結構磨損甚至設計上的缺陷，發電機出口開關或隔離開關都可能發生非全相合閘現象，現在GCB 非全相故障案例越來越多。

因三相聯動機構不存在分相輔助接點，無法通過斷路器輔助接點實現非全相保護。目前已投入的GCB 非全相保護，一般利用GCB 斷線故障導致發電機機端基波零序電壓與主變低壓側基波零序電壓量的故障特征，或者兩側相電壓差的故障特征，采用斷口兩側電壓相量差構成GCB 非全相保護原理，保護判據不依賴電流量，可檢測機組并網初期和解列時的GCB 非全相故障。因保護原理只判斷電壓量,其可靠性及定值整定都存在困難,所以目前大部分電站并未將GCB 非全相保護投跳閘,不能起到快速隔離故障開關的效果。

本文對GCB 非全相合閘后的故障特征和電氣量等進行綜合理論分析,并結合一些故障案例，提出了一種新型的GCB 非全相保護原理,有完善的防誤動措施,具有較高的靈敏度和可靠性,實現了GCB 開關的非全相保護。

1 目前GCB 非全相保護原理及其缺點

目前的GCB 非全相保護主要采用基于端口兩側電壓差的原理,當發電機機端斷路器發生單相或兩相斷相故障時，故障相斷口兩側會產生電壓相量差值，該相量差值與發電機側電動勢、系統側電動勢和序網阻抗大小有關，且當序網阻抗大小不變時，故障相電壓相量差值會隨著斷口兩側電動勢相量差增大而逐漸增大，即隨著負荷電流增大而增大，而非故障相電壓相量差值為零。

結合GCB 非全相故障過程，分析其動作邏輯，目前的GCB 非全相保護有如下缺點:

（1）保護投退采用GCB 輔助接點變位作為條件，存在輔助接點不可靠的問題。若運行過程出現輔助接點抖動，則該保護會誤投入，且能展寬長達300 s。

（2）為防止PT 斷線，非全相保護增加了主變低壓側電壓和發電機機端電壓均要大于90%的條件，如某電廠實際發生非全相合閘時的波形，在發生非全相合閘后，由于對地參考電壓和頻率差的原因，此時出現了主變低壓側B 相不滿足小于90%的條件。假如，非全相后，主變高壓側PT 出現諧振，依然會影響保護對電壓的判斷。同時如果是停機過程,分閘后,由于發電機要滅磁,很快機端電壓就無法滿足判據,所以理論上講,目前的GCB 非全相保護只對合閘過程起作用,對分閘過程無作用,不能給出提示信息。

（3）整個邏輯都與保護采樣電壓有關系，除零序電壓外，都涉及PT 斷線問題，從保護原理上講，單純的電壓判據，且沒有電流條件，其可靠性需進一步驗證，所以目前大部分廠站，只投入了告警功能，并未投入跳閘。

（4）需要采集主變低壓側電壓作為判據，發電機保護除非全相保護外無其他保護需要用到此電壓的保護，為實現此保護必須增加保護采樣通道，現有保護裝置無法通過程序升級實現此原理的非全相保護。

針對以上缺陷，本文提出了一種全新、可靠的發電機出口開關（GCB）非全相保護。

2 高可靠性發電機出口開關非全相保護研究

（1）高可靠性非全相保護投入邏輯設計研究

從以上GCB 非全相保護可知，以上斷路器非全相保護采用斷路器輔助接點變位作為投入條件，當接點抖動時,會導致非全相保護誤投入，當誤投入時，因系統發生故障，可能會造成GCB 非全相保護誤動作，從保護邏輯上講不合理.

GCB 分合閘過程中都考慮非全相保護投入，可考慮如下邏輯，采用斷路器接點變位展寬作為非全相保護投入的條件，引入負荷電流作為退出條件，確保并網成功后，GCB 非全相保護可靠退出。

圖1 非全相分、合閘保護投退邏輯圖

通過以上邏輯實現了一種高可靠性的GCB 非全相保護投入邏輯,確保正常運行過程中,GCB 非全相保護不會誤動。

（2）斷路器兩相斷線判據研究(只合上一相)

斷路器只合上一相電氣回路，如圖2 所示,因發變組20 kV 側，屬于不接地系統，主變低壓側為三角形接線，整個序網無法連通，此時無法在回路中形成電流，所以無故障電流，實際運行中只有很小的電容電流，觀察斷線后的電氣回路，可發現此時發電機的三相對地電容并不平衡，不平衡的電容會造成零序電壓的不平衡，以某機組的參數為例（表1），對兩相斷線情況下電容電流進行理論計算，計算結果如下：

表1 機端斷路器兩側對地電容及接地變電阻參數

圖2 只合上C 相電氣連接圖

例1 為某臺機組發生非全相合閘后的波形分析，斷線后的電壓變化與理論分析一致，在合閘后的1 s 內，機端零序電壓由0 V 增加到5 V，且在0.5 s時電壓已增加到3 V。

例2 為分析某臺機組停機過程中的零序電壓變化情況，在分閘后的1.5 s 左右，機端零序電壓由0 V增加到5 V，且此過程還伴隨著滅磁過程。

通過以上理論計算和實際波形可知，由于GCB兩側電容的存在，當GCB 合閘或分閘發生非全相時，因電氣回路電容的不平衡，會產生固有的零序電壓，此零序電壓可用于在GCB 合閘過程中的GCB 非全相判據，由于此時是開機并網過程，此定值可比用于定子接地保護的零序電壓整得更低，且運用此原理的保護不需要采集主變低壓側電壓。

（3）斷路器單相斷線判據研究 (只合上兩相)

圖3 合上B、C 相電氣連接圖

圖4 為斷路器非全相情況下，動模試驗中發電機有功功率的變化過程。由于正序電流和負序電流幅值相等，有功功率的增加過程也是負序電流增加的過程。

圖4 動模試驗中斷路器非全相合閘功率增加過程

基于電壓差的非全相保護，隨著機組功率增大，電壓差增大。如若以負序電流為判據，其也是隨著功率增大，負序電流增大，且電流判據比電壓判據可靠，小的負序電流對發電機并無太大傷害，此時可整定出一個比負序反時限更加靈敏的負序過流保護，可更快的動作，跳開GCB，保護發電機。

不考慮無功影響，某電站700 MW 機組非全相時負序電流與功率及功角對應的關系表2 所示。

表2 負序電流與功率對應關系

可根據對應關系，設定負序過流定值，通過靈敏度高、可靠性高的負序過流保護，替代基于端口兩側電壓差的非全相保護，且其可以投入跳閘。

（4）高可靠性發電機出口開關非全相保護邏輯

通過上面的研究，高可靠性發電機出口開關非全相保護邏輯如圖5 所示。

圖5 高可靠性發電機出口開關非全相保護邏輯圖

以上邏輯由3 部分構成：①非全相保護投入的條件，通過三相電流確保并網后，非全相保護不會誤投入。通過輔助接點的變位展寬，確保非全相保護只在合閘和分閘時刻投入。②用負序過流保護來保護兩相合閘或單相分閘。③通過零序電壓保護來保護單相合閘或者兩相分閘。同時，具備電制動閉鎖功能。

也可通過給報警和跳閘分別設定不同的定值，給運維人員進行提示，應用該原理與邏輯的非全相保護已在三峽右岸電站22FB 發變組保護進行了應用，目前運行良好。

3 結論

本文以目前應用較為廣泛的GCB 非全相保護為研究對象，分析了現有非全相保護存在的問題，通過對GCB 單相合閘和兩相合閘的電氣特性進行深入研究，提出了一種高可靠性的發電機出口開關非全相保護。

（1）提出一種可靠的非全相保護投退邏輯，確保機組并網后非全相保護不會投入，降低誤動可能性。

（2）根據發電機GCB 單相合閘的電氣特性，分析出零序電壓的特征，提出了用機端零序電壓判斷單相合閘的保護邏輯。

（3）根據發電機GCB 兩相合閘的電氣特性，分析了開機過程負序電流的特征，提出了用負序電流判斷兩相合閘的保護邏輯。

（4）提出了高可靠性發電機出口開關保護的邏輯設計，具有很高的靈敏度和可靠性。