300 MW机组发变组保护配置方案优化

2.3.3　后备保护的配置
　　综上所述，对发变组反映相间短路的后备保护要求动作时间短，一般不作为相邻线路的后备，而只考虑作为相邻母线的后备。因此本工程采用的保护方案为发变组选用双重快速差动保护，再选用一套全阻抗保护作为220 kV母线的后备保护，消除了变压器高压侧CT与断路器之间的死区。
　　作为母线、后备保护的阻抗保护须装在主变高压侧(即电流电压均取自主变高压侧)。这样对高压母线故障灵敏系数最高，但作为发电机与变压器的后备作用较差。另外，发变组还设有三套反时限保护，即定子过负荷保护、转子表层过负荷保护和励磁回路过负荷保护。考虑到转子表层过负荷对大机组的损伤较严重，设计中把发电机转子表层过负荷作为一种主保护考虑，设置了两套。
　　由于发变组接至220 kV电力网中，为中性点直接接地系统，本工程采用的反映单相接地短路后备保护方案为：当主变中性点直接接地时，设置有零序电流保护(二段4时限)，当主变中性点不接地时，设置有零序过电压和间隙零序过流共同组成的零序电压电流保护，这两种保护可根据运行方式的不同，进行切换。
2.4　发电机匝间保护配置方案
　　如前所述，若发电机中性点侧能引出4个端子，则能安装高灵敏单元件横差保护，具有发电机相间短路、匝间短路和定子绕组开焊的保护功能，简单可靠。这无疑是发电机匝间短路保护的最佳方案。但现有国产300 MW机组中性点一般只引出3个端子，只能采用其它方案的匝间保护。现在工程中多采用纵向零序电压原理的匝间保护，但此保护要求发电机中性点与机端PT中性点经电缆相连接，当电缆接地时相当于发电机定子接地，人为地增加了故障环节，另外还需增加区别发电机内外部故障的判据(如负序功率方向)，所以此保护并不十分完善。另外对于是否须装设匝间保护也存在不同意见，一种意见认为大型机组的定子同槽上下层线棒同属一相的很少(东方电机厂300 MW机组，同槽同名相的匝数仅3匝)，而同名相的两匝之间的绝缘与非同名相相同，所以认为匝间短路的可能性极小，可以取消匝间保护；另一种意见认为，实际运行中确实存在首先发生匝间短路而后发展成接地故障或相间故障的实例，而且最近国产300 MW发电机定子绕组开焊的故障接连发生， 只要有较完善的匝间保护装置， 还是不应取消。 关键是要研制完善的匝间短路保护新方案和新装置。考虑到300 MW机组的重要性，而匝间短路的过程对定子绝缘的损坏是十分严重的，本工程仍设置了专用的匝间短路保护，采用高灵敏纵向零序电压原理，用三次谐波增量进行闭锁，以及PT断线闭锁，使匝间短路保护仅作为发电机内部匝间短路和定子绕组开焊故障的保护。
2.5　发电机定子绕组接地保护配置方案
　　定子绕组的单相接地是发电机最常见的一种故障，规程要求大中型发电机组应装设100%保护区的定子接地保护，目前国内定子接地保护主要有两种方案。
2.5.1　外加12.5 Hz交流电源的定子接地保护
　　如图3、图4所示，该保护的基本原理为：外加信号源通过注入变压器将12.5 Hz的电压加到发电机三相定子回路，正常情况下仅有极小的12.5 Hz电容电流，当发电机单相接地故障时，该信号电流骤增，保护按预定逻辑动作。该保护具有可靠、灵敏度高、外部故障不误动、内部故障保护范围100%、起停机仍有保护等优点。但从山西省太二Ⅳ期工程和其它省市一些工程使用情况看，虽然从保护原理上说该保护优于其它定子接地保护，但存在着注入变压器绝缘要求高、零序电压互感器国内还无定型配套产品、进口困难等问题，影响了该保护的进一步推广使用。

2.5.2　基波零序电压加三次谐波零序电压的定子接地保护
　　基波零序电压型定子接地保护可以在发电机单相接地电流很小时采用，这是其突出优点，但其保护区一般为90％～95％。
　　大容量机组要求定子接地保护区为100％，可以考虑增加三次谐波零序电压型定子接地保护，该保护可以消除基波零序电压型保护的死区，与基波零序电压型保护共同构成100％定子接地保护。阳二工程与目前国内大多数大机组均采用这种保护构成方案。
2．6　关于程序跳闸
　　据1991年新保护规程规定，出口方式中增加了“程序跳闸”一项。程序跳闸是一项保安措施，可以有效地避免汽轮发电机组在停机过程中可能产生的超速或飞车。按程序跳闸方式，当手动停机、联锁停机、或某些继电保护动作后，不是首先跳发变组断路器，而是首先关主汽门，以避免主汽门或导水翼机构卡滞或关闭不严情况下的发电机停机。当主汽门完全关闭后，经过一定时间，发电机从发电状态转变为电动机运行状态，整定值很小的逆功率继电器动作，再跳开发电机或发变组开关。引进美国的平圩1＃机、引进法国设备的元宝山2＃机，设计都考虑了“程序跳闸方式”。我国大型汽轮发电机的运行情况说明超速对汽轮发电机是最危险的事故之一，严重超速可能彻底毁坏汽轮发电机组，增设“程序跳闸方式”可为运行带来安全保障。所以阳二工程设计中也考虑用“程序跳闸方式”，设置有2套逆功率保护，其中一套（小定值）用于程序跳闸，该逆功率保护接点与主汽门关闭接点串接，经压板构成出口回路，用户可以根据实际情况选择“程序跳闸方式”的投切。

3　结束语
　　从上述保护方案比较中可以看出，若想取得较为完善的保护配置，设计单位还须与保护制造厂家做进一步的努力，在今后的工程设计中对电机制造厂提出相应的要求，以求达到最优化的保护配置方案，进一步满足大机组对保护选择性、灵敏性及可靠性的要求。

作者简介：龚宇红　女，1964年生，工程师，从事火力发电厂、变电所电气二次线设计工作。
　　　　　姜向辉　男，1959年生，工程师，从事火力发电厂、变电所电气二次线设计工作。

作者单位：山西省电力勘测设计院电气处^.030001^.太原

 

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