水輪發電機差動保護整定案例及誤動原因分析

劉婧芳

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

發電機縱聯差動保護作為發電機主保護，能反應發電機定子繞組及其引出線的相間短路，其動作后果往往體現為跳出口斷路器、停機、滅磁、閉鎖電氣制動等，保護的正確整定和可靠動作對發電機安全穩定運行具有重大意義。

在整定計算和校驗準確的基礎上，發電機中性點及機端CT作為縱聯差動保護用的主要元件，要求能夠正確傳遞一次側電流，其型式和參數選擇、兩側特性匹配直接決定了差動保護動作可靠性。近年來電力系統不斷發展，在部分設備改造后，在同一套保護中可能存在不同特性電流互感器混用的情況，給實際應用增加了不確定因素。

2 發電機差動保護整定計算

2.1 工程背景

某電廠共3臺水輪發電機組，1號機組與1號主變組成單元接線接入110 kV母線，2號、3號機組與2號主變組成擴大單元接線接入110 kV母線，110 kV母線采用單母線分段形式，通過兩條出線與系統相連，其中A線路經過甲、乙、丙3個變電站，B線路直接接入甲變電站，其接線簡圖如圖1所示。

圖1 電廠接線簡圖

2.2 系統參數

2.2.1 系統阻抗

在實際運行過程中，最大方式為：3臺機組全開，X1=0.329 7X0=0.318 9；最小方式為：1臺機組運行，X1=0.158 4X0=0.774 7。

2.2.2 發電機額定參數

以2號機組為例的發電機額定參數見表1所示。

表1 2號發電機額定參數

2.2.3 變壓器額定參數（見表2）

表2 變壓器額定參數

2.2.4 發電機縱差保護用CT參數（見表3）

表3 發電機縱差保護用CT參數

2.2.5 標幺值計算

2號發電機（1號、3號發電機相同）：

1號主變壓器

2號主變壓器：

2號勵磁變壓器（1號、3號勵磁變相同）：

根據一次設備阻抗標么值繪制電廠機組綜合阻抗圖如圖2所示。

圖2 電廠綜合阻抗圖

2.3 縱聯差動保護參數計算

該電廠機組采用的縱差保護特性如圖3所示，為變斜率比率差動保護，其需整定的典型參數有：啟動電流Icdqd、速斷電流Isd、差流報警、起始斜率Kbl1、最大斜率Kbl2。

圖3 變斜率比率差動保護制動特性

計算過程中所采用基準數值如表4所示。

表4 整定計算基準數值

2.3.1 啟動電流Icdqd整定

發電機二次額定電流：

式中：Ief：發電機一次側額定電流；

n：發電機縱差保護用電流互感器變比。

依據《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》，啟動電流Icdqd整定，應躲過發電機正常額定負載運行時的最大不平衡電流，即

式中：Ie：發電機二次側額定電流；

Krel：可靠系數，對于10P型電流互感器取1.5。

理論上差流Id＞0.09Ie即可啟動，所以取差流報警0.1Ie。

為確保發電機在正常負荷運行時，保護不因不平衡電流而產生誤動作，在實際運用中必須適當提高啟動電流。發電機內部短路時，機端或中性點的三相短路電流可能不大，為確保內部短路的靈敏度，啟動電流也不能無根據地增大。考慮保護裝置通道調整誤差，同一母線上其他機組投運沖擊以及區外故障切除后制動電流減小，兩側CT特性差異等原因，依整定計算導則及廠家推薦值，實際可取(0.2～0.3)Ie，則取Icdqd=0.2Ie=0.893 6 A。

經發電機投運帶額定負荷實測縱差保護中的不平衡電流較小，滿足Icdqd＞Krel×2×0.03Ie，無需再對定值進行修正。

2.3.2 比率制動斜率Ks整定

（1）變斜率比率差動起始斜率Kbl1

式中：Krel：發電機可靠系數，取1.5；

Kcc：互感器同型系數，取0.5；

Ker：電流互感器在額定一次電流和額定二次負荷條件下的比誤差系數，實際選取通常以電流互感器的10%誤差曲線為依據，取0.1；

Kbl1起始比率差動斜率定值范圍0～0.1，取：Kbl1=0.1。

（2）變斜率比率差動最大斜率Kbl2

最大不平衡電流Iunb.max計算：

式中：I(3)K.max：發電機最大外部三相短路電流周期分量二次值，小于4倍額定電流時取4倍額定電流值；

Kap：非周期分量系數，一般取不小于2.0；

Ker：互感器比誤差系數，取0.1。

由上述計算可知，在外部最大短路電流下，發電機的最大不平衡電流較小，在斜率為0.2就可以制動，為保證可靠性，根據廠家說明書推薦整定為Kbl2=0.5。

靈敏系數校驗:按上述原則整定的比率制動特性，當發電機機端兩相金屬性短路時，差動保護的靈敏系數一定滿足Ksen≥2。

2.3.3 速斷電流Isd整定

按躲過機組非同期合閘產生的最大不平衡電流整定，最大不平衡電流Iunb.max為：

當設備內部發生嚴重故障時，會產生很大的短路電流，需要采用速斷保護加速出口跳閘。數字式保護裝置的差動速斷電流通常整定為額定電流一定倍數,根據廠家說明書推薦整定為Isd=4Ie。

靈敏系數校驗：按發電機正常運行機端兩相金屬性短路進行校驗。

靈敏系數不滿足要求，故取Isd=3Ie。

靈敏系數校驗：按發電機正常運行機端兩相金屬性短路進行校驗。

靈敏系數滿足要求。

至此，2號機組縱聯差動保護關鍵參數可確定為：啟動電流Icdqd=0.2Ie、速斷電流Isd=3Ie、差流報警=0.1Ie、起始斜率Kbl1=0.1、最大斜率Kbl2=0.5。

3 發電機差動保護誤動原因分析

3.1 事件經過

事件發生前，電廠主設備運行方式為：1號機組備用、2號機組運行、3號機組檢修，1號、2號主變運行，110 kV母線聯絡運行，110 kV兩條出線A線熱備用、B線運行，廠用10.5 kV、廠用400 V分段運行正常。各類保護、監控、自動裝置等二次設備運行正常。

與發電廠110 kV送出線路B線相聯絡的甲變電站，某條10 kV送電線路電流Ⅰ段保護動作，重合不成功跳三相，發電廠2號機組差動保護動作，導致一般事故停機，各類輔機出現電源消失動作信號、隨后復歸，事后查明故障根本原因為該10 kV線路002號桿C相跳線燒斷。

調取故障錄波信息查看發現，在2號發電機差動保護動作前，系統電壓由116 kV突降至76 kV，機組勵磁系統檢測到電壓降低后，啟動強勵，系統電壓突降，因此機組輔機系統報電源消失。

10 kV線路一般采用電流速斷、過電流及三相一次重合閘構成，單相斷線時，沒有對應的保護可以直接動作出口將線路切除。本次故障在機組停機解列前可分為兩個階段：①系統側某10 kV線路C相單相斷線故障；②該線路電流I段保護動作，重合不成功，引起三相跳閘。由此兩階段可能對應產生的異常信號有：①C相單相斷線故障，引起C相相電壓一相升高，其他兩相電壓降低，C相電流降為零，產生負序電流，啟動過電流保護；②110 kV甲變電站某10 kV線路斷開，10 kV側阻抗增加，導致110 kV系統電壓降低。因此，發電廠2號機組不應該由于外部故障差動保護動作出口停機。

3.2 機組差動保護動作原因分析

3.2.1 排查經過

2號機組差動保護動作停機后，現場初步檢查機組停機正常，無明顯故障點，燈泡頭內無燒焦異味等異常現象。專業人員確認2號機組差動保護動作電流為1.33Ie，大于保護動作定值，排除監控、通信方面信號異常的可能。完成機組差動保護補充檢驗、二次控制回路試驗，完成發電機定子耐壓、直阻測量試驗，完成勵磁變耐壓、直阻測量試驗，數據均無異常。

繼電保護專業人員開始進行2號發電機差動保護用兩組CT伏安特性試驗，見表5、表6所示，對比歷史數據，未發現明顯異常。

表5 發電機機端CT勵磁特性數據

表6 發電機中性點CT勵磁特性數據

3.2.2 差動保護動作原因分析

咨詢調度得知，與電廠110 kV系統直接聯絡的甲變電站某10 kV線路C相斷線。由于系統沖擊，發電廠110 kV母線電壓發生波動。

由圖4可以看出，發電機差動保護裝置啟動時，穿越故障電流較正常運行電流大，雖然故障錄波信息不能直接反應出直流分量變化，但從發電機差流波形可以合理推測，外部故障的暫態過程中一次側電流中含有非周期分量及諧波等暫態分量。差動保護區外故障引起發電機電流的直流分量迅速增加且較慢衰減，從表5、表6可以看出，發電廠2號機組中性點側CT受故障電流直流分量影響，導致 CT發生暫態飽和，測值與機端CT測值產生差流，保護兩側CT特性不一致增大了不平衡電流，兩側飽和程度不同步，導致差動電流逐漸增加，制動電流逐漸減少，在56.666 ms后達到保護動作定值出口，差動保護動作停機，從而造成外部故障時差動保護誤動的情況。盡管該機組采用比率制動差動保護，能夠在一定程度上消除不平衡電流的影響，但主要是用來應對穩態不平衡電流，對于暫態飽和引起的不平衡電流制動能力相對較弱。

圖4 2號發電機差動保護啟動時故障錄波信息

4 結語

進行發電機變斜率比率差動保護的定值整定，一方面要結合繼電保護、電流互感器相關規程，參照廠家建議及設備裝置說明書，另一方面也應考慮實際系統運行中，正常情況下可能出現的最大不平衡電流，按照保護整定計算導則，準確考慮問題分析計算，對關鍵參數科學整定、合理校驗，才能明確動作區、速斷動作區、制動區的劃分。

隨著用電負荷增加與電網結構變化，對于早期投產的機組來說，其所在網絡系統阻抗可能發生變化，最大不平衡電流也隨之改變。所以在設備改造項目中，除了對差動保護關鍵參數進行修訂，其重要元件電流互感器也應慎重選擇。

保護用電流互感器應采用具有適當特征和參數的互感器，對于差動保護應考慮選用相同型號和相同參數的，使發電機兩側差動保護用電流互感器勵磁特性匹配。在實際應用時，影響電流互感器飽和的因素很多，包括一次系統短路容量、運行工況和二次回路阻抗等，不同類型的電流互感器也因材料特性和結構設計等差異表現出不同的飽和特性。對于電流互感器飽和造成的差動誤動問題，目前主要有兩種解決思路：一是改進電流互感器暫態性能或合理選擇其類型，二是改進算法識別二次電流的飽和特征，并采取相應措施。進而確保實現發電機內部相間故障時，縱差保護能可靠動作；而保護區外部故障時，差動保護不會誤動作。