淺析母線保護技術改造后裝置頻繁啟動的原因

鄭溢強

(福建晉江天然氣發電有限公司,福建 泉州 362251)

0 引言

福建某電廠電氣主接線為220kV雙母雙分段，5臺變壓器、4條220kV線路分別接于四條母線運行，正常運行方式為一條母線上分別帶一臺變壓器和一條線路，備用變壓器連接在I段母線，母聯母分開關均為合閘狀態，220kV四條母線合環運行。該電廠為燃氣機組，作為省調度調峰機組，機組啟停機較為頻繁。母線保護采用兩臺母線保護裝置構成一整套保護(電力保護系統要求110kV以上電壓等級的保護裝置均設雙重化配置，即該電廠的母線保護裝置共設置4臺母線保護裝置)。

1 保護技術改造情況

該電廠技術改造前保護裝置都采用南瑞繼保RCS-915A型裝置，差動保護和失靈保護為主保護。《二十五項反措》明確要求雙重化保護配置應采用不同廠家的保護裝置，以免家族性缺陷造成雙套保護均出現問題而同時退出，導致一次設備無保護運行，嚴重影響電力系統安全穩定運行[1]。該電廠于2021年對4臺母線保護裝置進行技術改造，第一套保護升級，由南瑞繼保RCS-915A型升級成南瑞繼保PCS-915SA型(以下簡稱“南瑞915”)；第二套保護裝置整套更換，由南瑞繼保RCS-915A型更換成許繼WMH-801A型(以下簡稱“許繼801”)。技術改造后，南瑞915型保護配置仍為差動保護和失靈保護，基本保持不變，而許繼801型保護配置差動保護和失靈保護為主保護，還增設了大差后備保護，其目的是切除故障母線上無隔離刀閘輔助觸點位置的電源支路和母聯死區位置故障點[2]。許繼801差動保護采用分相式常規比率制動差動保護和分相式突變量比率制動差動保護，后者目的是保證金屬性故障時保護的啟動及動作速度更快。

2 保護裝置啟動現象

第一次：2號機組并網瞬間，后臺涉網監控系統突然報警：“220kV Ⅰ/Ⅱ母第二套保護裝置告警”，現場檢查發現許繼801裝置上顯示“保護啟動”報文，而其他母線保護裝置無告警情況。查看裝置模擬量，三相大差電流平衡都約0.05A，三相制動電流平衡都約0.09A，各支路間隔電流都約0.0A，裝置可以進行整組復歸。手動復歸后，1號機組并網，保護未再啟動。

第二次：1號機組先并網后2號機組并網，后臺涉網監控系統未有報警信號。

第三次：3號機組先并網后，2號機組并網瞬間，后臺涉網監控系統有報警，現場檢查結果與第一次相同。

不同的機組先后并網運行，連續觀察10次，均為2號機組并網瞬間，許繼801裝置就會報“保護啟動”告警，僅有一次2號機組并網時未發生告警，而南瑞915裝置均未發出告警。

3 保護裝置錄波分析

2號機組連接在220kV Ⅱ段母線上，根據保護裝置啟動現象，針對220kV Ⅰ/Ⅱ母第二套許繼801保護裝置提取啟動波形，結合故障錄波和熱控燃機控制系統的波形進行分析。

3.1 保護裝置波形分析

調取了第一次裝置啟動時的啟動波形進行分析，大差差流(包含Ⅰ母差流、Ⅱ母差流)三相瞬時最大二次值為0A；大差制動電流三相瞬時最大二次值分別為1.79A、2.53A、3.48A、Ⅰ母制動電流三相瞬時最大二次值為1.21A、2.36A、3.46A、Ⅱ母制動電流三相瞬時最大二次值為0.93A、2.03A、2.27A，如圖1所示。

圖1 保護裝置波形分析圖

經過分析得出，裝置啟動的原因是大差制動電流突變，超過整定值。

3.2 故障錄波裝置波形分析

2號主變壓器高壓側三相瞬時最大一次值電流為252A、484A、177A，如圖2所示。

圖2 故障錄波裝置波形分析圖

從故障錄波裝置波形圖可看出，2號機并網瞬間，時主變壓器高壓側電流會突變，且三相電流不平衡，其中B相電流突變值較大。

3.3 熱控燃機控制系統有功功率波形分析

由于燃機控制系統未采集發電機出口電流，故只能針對有功功率變化進行分析。機組在初并網時，預設置有功功率20MW，折算到主變高壓側一次電流為157A，忽略無功功率的影響。以第一次啟動時的波形進行分析，其中機組在并網前有功功率達到-32.4MW，并網后有功功率為24.7MW，折算到主變高壓側一次電流最大突變值約為494A。而僅有一次2號機并網時未啟動時有功功率從0.1MW升到20.4MW，其余均與第一次波形相似，如圖3所示。

圖3 熱控燃機控制系統有功功率波形分析圖

由圖3可見，2號機并網瞬間時有功功率會出現負數情況，判斷出發電機并網的合閘角未在理想控制范圍內而引起較大的沖擊電流。

3.4 保護啟動條件分析

差動保護包括穩態量差動元件和突變量差動元件。許繼801差動電流為各支路平衡系數乘以采集值的矢量和，制動電流為各支路平衡系數乘以采集值的絕對值之和。

在保護裝置中，差動保護啟動邏輯包含差流啟動元件(穩態量)和制動電流(突變量)啟動元件，滿足任一判據則啟動保護，二者任一元件動作后均投入差動保護邏輯判別，啟動元件主要用于系統故障檢測和開放故障處理邏輯功能，具體動作條件如下[3]。

①差流啟動元件邏輯條件：任一相差動電流大于0.8倍差動定值。

②制動電流突變啟動邏輯條件：任一相制動電流突變，啟動門檻值為0.2In(In為5A)，即母線上制動電流突變大于1A時突變量啟動元件動作。算法采用全周傅氏法，即采樣頻率為24點/周波，數據窗為3個采樣點。突變量啟動元件采樣基于母線制動電流的采樣值判別，其判別公式為：

|Ir[k]-Ir[k-2T]|>k×|Ir[k-2T]-Ir[k-4T]|+0.2In

式中，Ir[k]為制動電流當前時刻的采樣值；Ir[k-2T]為兩周前制動電流當前時刻的采樣值；Ir[k-4T]為四周前制動電流當前時刻的采樣值；k為突變量啟動系數，取1.25；母線制動電流的采樣值方程式：

分析保護裝置波形圖和故障錄波裝置波形圖，結合熱控燃機控制系統有功功率波形分析圖，可以明確判斷出許繼801裝置是由差動保護的制動電流突變啟動元件動作，發出裝置告警。

4 保護裝置啟動原因分析

結合波形圖和差動保護啟動條件分析，許繼801裝置告警是由差動突變量引起的，而電流的突變是因為2號機組并網瞬間的電流突變較大，對比其他機組并網時電流突變量均不大，因此確定2號機組發電機特性與其他機組發電機不同，并網時會有較大的沖擊電流。

對2號機組的并網同期回路及定值進行檢查，同期合閘方式均采用自動準同期，同期定值中電壓差在2%以內，角度差在5°以內，并網開關合閘指令才會發出。由于熱控燃機控制系統的時間采樣精度不夠，未能采集到2號機并網瞬間的波形，但2號發電機并網時會出現負功率，其它機組并網有功功率曲線不會出現在橫軸下半部分，因此確定2號發電機初并網瞬間會有較大的沖擊電流，其突變量值較大導致母線保護裝置啟動。

5 優化措施及驗證

經過與廠家技術人員溝通，結合該電廠調峰機組的特殊性及運行方式，母線保護會受到機組頻繁啟停機的并網操作影響，使得負荷突變較為明顯。為減小對保護的影響，修改許繼801保護裝置內部邏輯程序設置和裝置報文配置文件，即差動突變量啟動元件受復合電壓或者裝置差動電流閉鎖。另外，當裝置電壓正常且無差流，制動突變量啟動時不發報文，不點告警燈。

優化程序配置文件后，裝置校驗碼版本號、功能、定值、報告、模型等均不變。優化后，對裝置進行全面的保護功能驗證，確保裝置開入量、電流、電壓顯示正常，保護動作正常，出口正常。投入運行后，未發生裝置“保護啟動”告警的狀況。

6 對差動保護的影響

對差動保護的影響主要體現在：一是啟動元件主要用于系統故障檢測和開放故障處理邏輯功能，并不會對差動保護動作行為產生干擾。二是啟動元件動作后會開放跳閘出口回路正電源，頻繁的開放會引起繼電器損壞。三是啟動元件動作后就會開始進行所有支路模擬量波形和開關量狀態的記錄，直至手動復位才會停止記錄，也會占用裝置的大量內部存儲器的容量和存儲速度，加大了CPU負擔，間接影響了保護邏輯功能的實現。

7 結束語

通過這次220kV母線保護技術改造，對比兩種不同廠家提供的裝置原理及組成，進一步降低了家族性缺陷對保護的影響，特別是針對許繼801保護裝置的差動啟動配置元件進行優化，對于同類型的保護裝置檢修或技術改造的預見性、預控性有一定參考借鑒意義。