百万千瓦级机组发电机变压器组继电保护配置探讨

第26卷第10期 电力自动化设备 v01．26No．10 2006年10月 ElectricPowerAutomationEquipment Oct．2006 百万千瓦级机组发电机变压器组 继电保护配置探讨 杨 莉 (广东省电力设计研究院，广东广州510600) 摘要：针对大型发电厂单机容量l000MW机组的发电机变压器组的结构特点和国内外的运行经 验．对其继电保护配置中一些概念模糊的技术问题进行了调查研究。详细讨论了一些主要的保护 配置特点。如中性点引出方式不同的发电机主保护配置．匝问保护的配置原则．主变压器的分 侧差动和零序差动的配置方案．和其他保护的配置特点。简单分析了保护用电流互感器的选型问 题．并结合目前实际应用的条件对1000MW机组的配置方案提出了建议。 关键词：大型发电厂：1000MW机组：发电机变压器组；继电保护配置 中图分类号：TM772 文献标识码：B 文章编号：1006—6047(2006)lO—0110—04 O 引言 随着电力系统规模的不断发展．总装机容量在 进一步增大，到2020年将达到9×106MW．其中西 电东送达1×10eMW。电力系统正朝着“大机组、超 高压、大电网”的方向发展。大机组是指容量更大的 主力发电机组．也指因容量增大而结构发生变化、性 能得以改进及参数变化的机组。我国的火电大机组 应从200MW算起．直到目前华东上海外高桥电厂 的超临界参数的l000MW大机组和以后的超百万 千瓦大机组．其间已形成了相对完整的系列．这体现 了我国电力工业发展的步伐．也适应了发展的需求。 目前．大型发电厂基建项目中．有相当一部分 为单机容量1000MW机组。对于这种大级别机组的 继电保护．不能盲目套用300MW、600MW机组的 设计．而要根据发电机和变压器结构的特点。配置合 适的保护．对电流互感器的性能也要有所考虑。 1 发变组继电保护的配置[1。3] 现行的《继电保护和安全自动装置技术规程》 (GB14285—93)仅对600MW及以下的发电机保护 做了．对于更大的机组只能参照执行，对于二十 五项反措中有关保护双重化的要求也未能充分反 映．有必要根据具体情况对某些地方进行讨论。 1．1发电机主保护[4．5] 发电机完全纵差保护对相间故障的灵敏度最 高．但对定子绕组匝间短路和开焊故障却无能为 力，而单元件横差保护、不完全差动保护、裂相差动 保护则可以弥补其不足．对相闾短路也能很好地反 应．它们组合在一起。可以对发电机构成非常完善 的主保护双重化方案。 收稿日期：2006一06—2l；修回日期：2006—07—13 传统的汽轮发电机出线方式和保护配置如图1 所示。对于发电机中性点侧引出4个或6个出线端 子并装设分支电流互感器(TA)(如图2和图3所 示)，采用零序电流型横差保护+不完全纵差保护或 裂相横差保护+不完全纵差保护的主保护配置方案 将大幅提高保护方案的性能。考虑到对于发电机设 计制造而言．即使只增加1个引出端子。都要在出线 结构上做重大改动．最近有科研院校在验证大型汽 轮机组中性点引出方式可行性的基础上．提出一种 新的方案(见图4)，它在中性点侧也只引出3个出 线端子，不同之处在于A、B相的TA可构成传统的 不完全纵差保护．通过C相的TA则构成一种新型 的差动保护方案，即A、B、C三相的“不完全纵差保 护”的构成并不相同。 ．TA TPY 、TA A B C ●}一 兀 全 纵 差 保 护 一 图1汽轮发电机传统的中性点侧引出3个 螨子装设完全纵差保护 Fig．1Complete10n舀tudinaldiⅡbrentialprotectionsare configuredwiththreelead—outtemlinalsatneutral pointsideofturhine—generatorintraditionalmode 据了解．国内在建和已运行的百万千瓦级汽轮 发电机组。如邹县电厂、玉环电厂、外高桥电厂以及 大亚湾核电站、岭澳核电站等。还有调研过的一些日 本的大型电厂．其发电机中性点和出线侧均只能引 出3个端子．国内3大电机厂与外方合作的产品均 是如此，所以不可能安装横差保护、不完全差动保护 和裂相差动保护．只能采用发电机完全纵差保护作 为主保护。在这方面．应不断关注发电机中性点引 出方式的新方案．提高主保护方案的性能。 110 岔釜 弧 队一业0蔓岔道 n 弘一鸾谴 万方数据 第10期 杨莉：百万千瓦级机组发电机变压器组继电保护配置探讨 T附：7’TA2 ， 、剐I 机壳外 围2汽轮发电机中性点侧引出4个端子装设 零序电流横差和不完全纵差保护 Fig．2Zero-sequencecun-enttransversedi珏色rential protectionandincompletelongitudinaldif弛rential pmtectionareconfiguredwithfourlead—outteHni— nalsa￡neutralpointside0fturbine—generator 栅羔∥<餮机壳外 ’IAl 图3汽轮发电机中性点侧引出6个端子并 装设裂相横差和不完全纵差保护 Fig．3Splitl)hasetransversedi丑'eI℃ntialprotectionand incompletelongitudinaldiⅡbrentialpmtectionare co证iguredwit}lsixlead—outte瑚inalsat neutralpointsideofturbine—genemtor J机壳外 图4汽轮发电机新型中性点引出方式 装设三相不完全纵差保护 F培．4IncompletelongitudinaldiⅡbrentidpmtections arecoll壬iguredforturbine—generatorinnew neutmlpointlead-outmode 由于在保护双重化之后采用2套发电机差动保 护和主变压器差动保护，发变组大差动保护在提高 可靠性方面已没有什么作用．反而会增加误动的可 能．所以建议不配置发变组大差动保护，在发电机 出口有断路器时更不能再采用发变组大差动保护。 1．2发电机匝间短路保护 据调查，国内设计院设计的工程。如玉环电厂和 邹县电厂。都未取消匝间短路保护，而国外设计的工 程．如外高桥电厂、大亚湾核电站、岭澳核电站以及 日本的碧南电厂和常陆那柯电厂．则未装此保护，日本 的技术人员认为发电机不存在匝间短路问题，法国 阿尔斯通的专家在设计核电站时也认为定子线圈的 布置和工艺结构方面已避免了匝间短路的可能性。 国内3大电机厂均承诺过其发电机不会发生匝 间短路，不必装设此保护．理由是槽内上下线圈的绝 缘是相对槽侧壁绝缘的2倍．因此发生匝间短路前 应先发生定子接地故障。但在发电机端部结构复杂． 既有相间绝缘又有匝间绝缘．如果端部固定不当或 发生振动，可能会使绝缘逐渐磨损引起短路。目前。 对百万千瓦级发电机内部结构未能有充分了解．而 且发电机出口电压达到26kV或27kV．对绕组绝缘 的要求更高．因此还是有必要装设匝间短路保护。 保护原理方面．如前所述．由于发电机结构方面 的原因．不能装设单元件横差保护、不完全差动保 护、裂相差动保护等对匝间短路有很好技术性能的 保护．可使用纵向零序电压原理保护．但需关注区外 故障及电压互感器(TV)断线暂态过程对保护的影响。 1．3主变压器主保护 一直以来．纵差保护作为变压器的主保护．能反 映变压器内部相间短路故障、高压侧单相接地短路 及匝间层间短路故障．已成功地应用了多年。目前， 还没有其他保护能完全取代其地位。但是．变压器 纵差保护～直受励磁涌流的困惑．虽说已有很多防 涌流的闭锁方案．但不能完全防止误动的发生。 对于百万千瓦级机组的主变压器．由于运输等 方面的原因．预计很多工程将会选用单相变压器．其 每个绕组均有2个引出端．这就为装设单独的分侧 纵差保护创造了必要条件。每套分侧纵差保护的保 护对象只是纯电路的绕组．而不是像传统变压器纵 差保护那样．保护范围包含由铁芯磁路耦合的、而且 在电路上不相连的若干绕组．这就从根本上避免了 励磁涌流的影响。一台双绕组的变压器装设6套分 侧纵差保护．比传统纵差保护增加了1倍，但对于相 间短路和高压侧接地故障均有很好的保护效果．其 缺点是对绕组匝间短路没有保护作用．需要和其他 保护配合使用。由于发电厂中主变低压侧多为高阻 接地系统，当低压绕组接地时，接地电流很小，分侧 纵差很难对这种故障有所反映。 对于高压侧为Yn绕组的主变压器。若采用传统 的纵差保护作为主保护．当单相接地短路时，相间差 动保护灵敏度可能会较低。随着单相变压器的应用。 相间短路的几率大为降低．接地短路的几率相对增 加．有必要加强这方面的保护。零差保护在自耦变压 器上已经有成功的应用．在岭澳核电的单相主变上 也有使用。零差保护的接线见图5，将Yn侧的三相 TA二次侧接成零序滤过器的方式．再与中性点TA二 次组成差动接线。当内部发生单相接地时，流经零 差保护继电器的电流是故障电流的总和．而且受励 磁涌流的影响也很小．因此它对于高压绕组的接地 故障现出很高的灵敏度．发生接地故障时，流经继 电器的电流为很小的不平衡电流，所以零差保护是 有选择性的保护．是可快速动作切除故障的主保护， 它不必像中性点零序过流保护与其他保护进行繁 琐的定值配合．对于主变，尤其是单相主变是很适合。 耋妒瓤 n n毒川一搪 万方数据 电力自动化设备 第26卷 ； 二 ； 二 ； I零差保护l ； ； (a)单相变压器方案 (b)三相变压器方案 图5主变零差保护示意图 Fig．5Zero-sequencedif佟l_ential protectionofmaintransformer 综上所述．不论是三相变压器还是单相变压器， 均需配置纵差保护作为主保护，而对于单相变压器， 相间短路几乎不可能．配置零差保护和分侧纵差保 护均是为了反应单相接地故障。性质相同，而零差保 护所需元件较少，可优先考虑。对于三相变压器。不 可能配置分侧纵差保护．在纵差保护对高压绕组单 相接地灵敏度不够时可配零差保护。 1．4发变组其他保护 1．4．1转子接地保护 进口的保护均采用注入式原理．且无转子两点 接地保护．国产保护采用乒乓原理和注入式原理，并 有转子两点接地保护作为选项。根据大机组的情况 和转子接地保护的现状．可以只安装转子一点接地 保护．为避免突然跳闸。可动作于信号，并马上转移 负荷安排停机。由于目前的转子一点接地保护对接 地电阻值的测量已有相当的精确度，如注入式可达 到lkQ．也可采用低值时报警，高值时跳闸。 岭澳核电一期的转子接地保护也是直流注人式 原理．动作于发信。 对于转子接地保护的安装地点．由于大机组励 磁电压都很高．约400。500V。强励时会达1000V 左右，直接取出比较危险，电缆也不好选择，建议安 装在励磁系统屏柜内。目前。很多励磁系统生产厂 家均可提供转子接地报警和保护装置，该功能也可 由励磁系统完成。 1．4．2突加电压保护 发电机盘车时误合闸，导致机端突然加上三相 电压．使发电机异步启动，将在转子中感应差频电 流．产生的过电压和热效应将对转子造成损坏。曾 经有电厂在开机过程中误捅同期回路端子而误合发 电机断路器．使转子严重损坏，需要返厂修理。因此 必须配置该保护。 1．4．3 失步保护 对于大型发变组．电抗较大．系统等值阻抗却往 往较小．一旦发生系统振荡，振荡中心常位于发电机 附近，对机组和厂用电产生严重影响。因此．对于百 万千瓦级机组要装设失步保护。大机组多采用自并 励系统．失磁可能引发失步，需要在传统失步保护基 础上加强对失步预测的要求。 1．4．4后备保护 发电机装设完善的双套主保护后．发电机出口 处的后备保护可适当简化。同样，500kV母线和线 路均有完善的双套保护．主变高压侧的后备保护也 可简化。应优先选用简单的电流、电压保护作为后 备保护。岭澳核电后备保护很简单，发电机出口采 用电压控制过流．主变高压侧和高厂变高压侧采用 反时限过流。 1．5励磁方式对保护的影响 目前．百万千瓦机组的励磁方式一般是静态励 磁和旋转励磁。据了解，国内在建的机组中．邹县电 厂和泰州电厂是静态励磁系统，外高桥电厂和玉环 电厂是旋转励磁系统。随着励磁方式的不同，在保 护的配置上会有一些变化。 静态励磁系统所带励磁变容量约10000kV·A． 需要专门配置励磁变的差动保护和过流、过负荷等 保护。由于励磁变的电源取自机端，在机端短路时 不能提供足够的励磁电流．使故障电流迅速衰减， 若采用定时限过流保护．可能在未达到时间延迟时 电流已衰减到整定值之下．保护拒动。因此。在这种 情况下要配置带电流记忆的低压过流保护．避免因 电流衰减而使电流元件返回。 对于旋转励磁系统．由于采用了永磁副励磁机， 不会出现上述问题。 1．6发电机出口断路器对保护的影响 发电机出口断路器(GCB)将发变组分为发电机 和主变2部分。使保护的跳闸矩阵发生改变。对于 反映发电机内部故障的保护．如发电机差动保护、匝 间短路保护等。可仅跳开GCB，避免了500kV断路 器的频繁动作。 在保护配置方面．需要增加主变低压侧接地保 护．用于反映GCB断开。主变带厂用电运行时主变 低压侧至高厂变高压侧封母的接地故障。另外还需 设置GCB失灵和非全相保护．并为发电机和主变分 别设置过激磁保护。 1．7 双轴机与单轴机在保护上的不同[6] 除了熟悉的单轴机组．有些百万千瓦级机组采 用双轴形式．即2台小机组并联的方式，如东京电力 常陆那柯电厂采用600MW+400MW。启动时通过 速度匹配阀使初级汽轮机和次级汽轮机同时升速， 当达到额定转速的一半时通过同时合自动励磁调节 器的磁场开关使初级发电机和次级发电机同步。两 机升到额定转速附近后投入自动电压调节器，就可 以和普通单轴机一样并网了。对于这种发电机，在 112 万方数据 第10期 杨 莉：百万千瓦级机组发电机变压器组继电保护配置探讨 双轴半速同步时就需要投入电压继电器、低压继电 器、过流继电器等进行保护。同时．由于发电机在低 频时就要投入励磁，就需要安装在低频条件下能检 测到短路和接地故障的保护．即启停机保护。对于 单轴发电机组。由于一般在额定频率附近时才投入 励磁，启停机保护可根据条件选装。 2 保护用TA的选型[7．8] 继电保护所需的电流、电压等数据均来自TA、 TV等传感器，其能否准确反映一次回路的电流电 压．对保护的正确动作至关重要，特别是TA。超高 压电网和大型发电机组的一次时间都很长．以往常 用的P级TA无暂态特性的要求．短路时的非周期分 量容易引起TA饱和．影响其传变性能。保护误动的 几率大为增加。 各保护厂家为发变组差动保护采取各种防止 TA饱和引起误动的措施．如利用TA饱和前的短暂 时间进行计算判别、采用速饱和特性、开发各种制动 特性、相位比较等，在二次回路采用较大截面的二次 导线以减小二次负荷．选用较大的额定一次电流和 额定容量．在整定时提高比率制动特性的斜率等方 法。这些措施有些缺乏实际故障的考验，有些是以 降低保护的速动性和灵敏度为代价的。要保证保护 的可靠性．不能完全依赖保护原理和计算上的改进， 更不能盲目提高整定值．最根本的办法还是提高互 感器的性能。对于大型发电机变压器组，其保护用各侧 TA。包括发电机出口和中性点侧、主变高压侧，都 建议选用TPY级。对于参与主变差动保护的高厂变 高压侧TA。由于区内故障时无故障电流流过．而区 外故障时高厂变差动保护也是动作于全停．主变差动 保护即使误动．其跳闸范围也是对的。因此当高厂变 套管装不下TPY级TA时．也可降低要求。安装P级TA。 由于逆功率保护的整定值都很小。约为0．5％。 为保证功率测量的准确性．有些工程的逆功率保护 用电流取自测量级TA．这一点值得借鉴。 3结论 大机组的继电保护非常重要．如何确保大型发 电机和变压器的安全，是需努力研究的课题。在今 后的工程设计中应对发电机、变压器、电流互感器的 电磁特性和故障过程进行深入研究。只有对被保护 对象的特性有了全面的了解．才能设计出最优化的 保护配置方案。 参考文献： [1]王维俭．电气主设备继电保护原理与应用[M]．2版，北京：中国 电力出版社．2002． f2]国家电力公司．“防止电力生产重大事故的二十五项重点要求” 继电保护[M]．北京：中国电力出版社，2002． 『3]国家技术监督局．GBl4285—93继电保护和安全自动装置技术 规程[S]．北京：中国出版社，1996． 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P—typeCTsaturationondi西talratio．restraineddifferential protection[J]．E1ectricPowerAutomationEquipment，2003，23 (4)：76—80． (责任编辑：李玲) 作者简介： 杨 莉(1963一)，女，湖北蕲春人，工程师，从事火力发电 厂电气设计工作。 Disc吣sion蚰protecti叫conn印豫tionof1000MW genemto卜tmnsfbmeruIlit YANGLi (GuangdongElectricPowerDesignInstitute，Guangzhou510600，China) Abstract：Basedonthestructuralfeatureandopemtionalexpe“enceofl000MWgenemtor_tran8- formerunit，someuncleartechn0109icalconceptsofprotectionconfigurationareinVestigated．Main configurationfeaturesofsomeprotectionsarediscussedin detail，suchasthemainprotection configurationschemeofgeneratorwithdif玷rentneutralpointleadoutmodes，theprincipleofinter —tumprotectioncoⅢiguration，configumtionschemesofbranchdifkrentialprotectionandzero-sequence dif玷rentialprotectionforthemaintransformer，andsoon．Theselectionofcurrenttransf0肿erused inpI．0tectionisanalyzedsimply，andtheconfigurationschemeof1000MWunitaccordingtopresent practicalapplicationconditionaresuggested． Keywords：largepowerplant；1OOOMWgenerator-transfo瑚erunit；protectionconfiguration 113 万方数据 百万千瓦级机组发电机变压器组继电保护配置探讨 作者： 杨莉， YANG Li 作者单位： 广东省电力设计研究院,广东,广州,510600 刊名： 电力自动化设备 英文刊名： ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT 年，卷(期)： 2006,26(10) 被引用次数： 4次 参考文献(8条) 1.桂林 大型汽轮发电机新型中性点引出方式的研究[期刊论文]-电力系统自动化 2006(01) 2.高波 山东电网300～600 MW汽轮发电机故障分析与反措[会议论文] 1999 3.国家技术监督局 GB 14285-1993.继电保护和安全自动装置技术规程 1996 4.国家电力公司 "防止电力生产重大事故的二十五项重点要求"继电保护实施细则 2002 5.浦南桢;翟学锋;袁宇波 P级TA饱和对数字式比率制动特性差动保护的影响[期刊论文]-电力自动化设备 2003(04) 6.王维俭;桂林;毕大强 大型发电机-变压器组继电保护的探讨[期刊论文]-中国电力 2001(01) 7.张全斌 1000 MW等级大容量汽轮发电机组的配置[期刊论文]-浙江电力 2003(05) 8.王维俭 电气主设备继电器保护原理与应用 2002 引证文献(5条) 1.王兆鹏 核电站1000 MW级机组的发变组保护配置[期刊论文]-电力自动化设备 2010(6) 2.黄蕾.姚挺生.沈俪.傅明 9FA型燃气-蒸汽联合循环发电机组的国产保护设备配置方案[期刊论文]-电力自动化设 备 2009(12) 3.闫海鹏 大型发电机-变压器组继电保护技术改造的关键问题分析[期刊论文]-科技信息 2008(35) 4.严伟.陈俊.沈全荣 超超临界机组发电机变压器组保护探讨[期刊论文]-江苏电机工程 2008(z1) 5.陆于平.李鹏.赵永彬 1 000 MW发电机变压器组保护容错设计和配置[期刊论文]-电力科学与技术学报 2008(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dlzdhsb200610029.aspx