浅析故障限流装置在大型发电机组中的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 24 日 作者简介：史铁峰（1978），男,汉族，吉林双辽人，工程师，安泰热电有限责任公司海拉尔热电厂，研究方向为继电保护。-37-浅析故障限流装置在大型发电机组中的应用 史铁峰 安泰热电有限责任公司海拉尔热电厂，内蒙古 呼伦贝尔 021000 摘要：摘要：介绍电力系统规模及故障时短路电流增大的危害，选取案例讲解故障造成的危害和后果，介绍故障限流装置原理，分析应用广泛的串抗的缺点和弊端，以及故障限流装置的优点，介绍发电机、变压器等设备系统短路时故障限流装置的应用，讲解厂高变配置故障限流装置对电流、电压的影响，对系统保护装置和定值的影响。根据故障限流装置特点，提出解决问题的方法，阐述装置结构、试验及应用情况，对故障限流装置在电力系统中的应用进行展望。关键词：关键词：故障限流装置；串抗；短路电流限制；快速断路器；保护的影响 中图分类号：中图分类号：TM732 1 论文背景 随着电网的快速发展，电网水平不断提高，电网规模不断扩大，低阻大型变压器的使用和单机容量的不断增加、发电厂和发电机组的实现，大区域电网联网的实现，负荷随着电量的快速增长，许多地区电网的短路电流水平已经接近甚至超过了电力规程中的最大允许值。影响电网及电网中各种电气设备（如断路器、变压器、变电站、升压站母线、管道结构、导体及支撑绝缘子、接地网等）的安全稳定运行提出了更严格的要求。在各类电力系统事故中，短路是最常见的严重故障之一，影响电力系统安全稳定运行，导致大面积停电和主要设备损坏。因此，必须对日益严重的短路电流引起足够的重视并有效解决，限制电力系统的短路电流，有效减轻各种电气设备的负荷和影响，提高其运行可靠性和使用寿命，提高了电气系统的运行可靠性。已成为当前能源系统安全稳定运行和能源供应建设发展亟待解决的问题。故障限流装置作为一种有效的限制短路电流的方法其技术研究及应用就显得 至关重要了。本论文结合某电厂发生的高厂变低压侧近端封闭母线三相短路造成高厂变绝缘损坏事件，来分析在大容量发变组结构的机组中基于快速断路器的故障限流装置是否为一种优选的短路电流限制方案，能否降低过大的短路电流对变压器、互感器、导线电缆等主要一次设备的冲击和破坏，对大型发电机组的继电保护配置及保护定值是否有影响。2 串抗与故障限流装置的对比 查阅相关分析资料，确定固定串抗与故障限流装置的优劣，通过分析可知：（1）串抗的投入将增加电厂的无功损耗及压降；仅单线串抗投入时，无功损耗及压降更大。（2）串抗的投入将降低故障后稳定的恢复速度。（3）串抗的投入将增加电厂的有功损耗；仅单线串抗投入时，有功损耗更大。（4）串抗的投入所带来的经济损失包括有功损耗和电网考核两方面（电压考核为主）：串抗的投入带来的额外的有功损耗将造成电量损失；由于串抗的投入，电厂的电压可控性降 低，将频繁出现电压不合格的情况，电网考核造成的经济损失巨大。因此，提出固定串抗+快速开关+故障限流器控制系统的模式：正常运行时，快速开关闭合，固定串抗退出；发生故障时，快速开关断开，固定串抗投入。正常运行时，固定串抗退出，不 增加无功损耗、有功损耗及压降；发生故障时，固定串抗投入，有效抑制短路电流。3 故障限流装置原理 基于快速断路器的故障限流器结构，其特点在于采用快速断路器与限流 电抗器并联，故障限流器系统控制装置采用高性能微处理器作为核心保护控制平台进行故障检测和运行控制，实现对故障限流快速断路器的实时在线监测。系统正常运行时，高速断路器处于闭合位置，限流电抗器对系统无影响，发生短路时，中国科技期刊数据库 工业 A-38-控制保护系统快速检测故障并指挥高速断路器打开大约 5-10 ms，将短路电流转移到限流电抗器，达到限 制短路电流的目的。4 故障限流装置限流效果仿真波形对比 高速开关限流器限流效果仿真波形对比。在一个故障半波控制保护系统中，检测到故障电流并快速断开开关。在故障电流第一个零交叉点后，电流转移至限流电抗器，从而限流电抗器发挥限流作用。5 不同位置短路时开关限流装置的应用 5.1 发电机或变压器出口短路保护 发电厂大功率发电机输出短路时，发电机提供的短路电流的周期分量可超过 90-100kA；如果还考虑到短路电流含有大约 50-60 kA%的非周期分量，则不能再使用普通断路器。一种解决方案是使用昂贵的发电机专用断路器作为断路器保护。该解决方案的缺点是它不能限制短路电流，并且仍然存在相关电气设备被电流损坏的高风险。第二种解决方案是在发电机和变压器组之间采用无电压连接，并在两者之间采用闭合母线，以避免相间短路的发生。这种接线方法的缺点是操作不灵活，影响变压器高压侧断路器的操作/功能。常见、寿命短、维护不方便等。采用整箱和普通断路器的方案在起到限流作用的同时，可以有效克服上述方案的缺点。变压器输出端的应用主要是不需要重合闸的情况。发电机或变压器输出保护如下图所示。FCL 和普通断路器直接串联在发电机或变压器输出端。图 1 FCL 与普通断路器串联图 5.2 发电厂分支母线或者厂高变短路保护 当发电厂支线发生短路或电力变压器高压侧或低压侧发生短路时，短路电流从发电机和系统均供给故障点，当产生短路电流值大于发电机输出短路的情况时，经过非周期分量后，电流可达 150 至 200 kA。虽然发电厂的高压变压器均采用高阻抗变压器和抽头绕组变压器，但大型发电厂的高压变压器仍然经常损坏。例如，装机容量为 1200 兆伏安的发电厂，已运行十多年，六台高压变压器全部烧毁过一次。每次高压变压器事故都会导致发电机停机。给电厂和社会造成巨大损失。FCL 安装后，当发生灾难性短路时，限流电抗器可快速切换到位，有效防止厂内高压变压器损坏。发电厂支路母线或高压变压器的短路保护如下图所示：FCL 和普通断路器串联在发电厂支路中。图 2 FCL 与普通断路器串联图 6 故障限流装置安装在厂高变低压侧对继电保护的影响分析 6.1 对母差保护的影响 由于故障限流装置是安装在厂高变低压侧，因此故障限流器归属于厂高变和发变组的保护范畴，母差保护不受影响。6.2 对主变及厂高变保护的影响 对于主变差动保护来说，故障限流装置位于差动保护范围之外，其投退并不影响主变差动保护，对于发变组差动及厂高变差动保护来说，串抗位于差动保护范围之内，但其投退并不影响差流平衡，差动保护不会因此发生误动或拒动。由于在发生故障时故障限流装置会快速投入，会导致差动电流变小，从而导致区内轻微故障下差动保护动作的灵敏性及动作速度受到一定影 响；区外故障差动不平衡电流会降低，对差动保护有利，更加不容易误动。在电抗器投入和退 出瞬间，短路电流有个突变的暂态过程，导致差流的 2 次谐波和 3 次谐波含量发生变化，可能 影响比率差动保护的动作速度。当发生厂高变低压侧区内故障且电抗投入后，厂高变低压侧电流有一定程度降低；厂高变 高压侧电流在区内三相短路和两相短路时有一定程度降低，在区中国科技期刊数据库 工业 A-39-内单相接地时反而会有一定程度升高。当发生厂高变低压侧区外故障且电抗投入后，厂高变低压侧和高压侧电流均有一定程 度降低。因此，需结合系统强弱以及对厂高变复压过流保护定值灵敏度的考核要求，核实过流 定值是否需要调整。另外，如果合闸开关发生三相不一致的情况，相当于系统带了一个不平衡 的负载，此时可能产生一定的负序电压，极端情况下可能造成复压闭锁开放。此种情况需结合系统参数进行仿真计算，如产生的负序电压较大，建议调整复压闭锁定值。6.3 对线路保护的影响 对于线路主保护来说，故障限流器安装在线路保护的区外位置，主保护不受影响。对于电厂侧线路后备保护来说，故障限流器安装在线路保护的反方向区外位置，发生故障时若限流器电抗器快速投入，背后系统阻抗发生变化，导致距离保护正向特征发生变化，但不会导致不正确动作；对于电厂对侧线路后备保护来说，距离段保护不受影响；因故障限流装置安装在厂高变低压侧，超范围的距离段保护、距离段保护以及零序保护动作范围与故障限流装置是 否投入基本不受影响。7 事件案例 7.1 事件前工况 机组运行，额定容量为 600MW 水氢氢冷却发电机组，主变高压侧 500kV 系统采用 3/2 接线方式，两台500kV 开关合环运行，高厂变 A、B 分支运行。停运前，机组有功 277MW，无功 48Mvar，发电机定子电压19.5kV，定子电流 8.36kA，6kV 厂用段电压 6.16kV，6kV 厂用段 A 分支电流 0.95kA，6kV 厂用段 B 分支电流 1kA。7.2 事件经过 两台 500kV 开关跳闸，高压变压器差压、泄压、重瓦斯保护一一启动。6kVA 部分和 6kVB 部分输入开关跳闸，机组关闭。7.3 检查情况 检查机变组保护 A、B 组是否均有“高厂变压器差动速断”跳闸信息，检查机变组保护 C 组是否有“高厂变压器重瓦斯”跳闸信息。#6 现场检查发现，重型变压器两侧泄压阀下有油溅，瓦斯继电器内有气体。变压器局部绕组温度 44，上层油温 38。高厂变 B 分支封闭母线多处盖板翻起脱落。低压侧 B 分支封闭母线第一转向处（距高厂变约 10 米）B、C 相母排部存在有拉弧放电痕迹，发现有一长约 30cm封闭母线箱间胶条掉落到母线室内，胶条上有明显碳化现象，并有击穿爬电痕迹。随后测得高厂变低压侧对地绝缘电阻为 2500M，高压变压器绝缘油色谱分析显示乙炔浓度为 1114L/L，总烃含量浓度为 1915L/L，严重超标。变压器内部发现放电现象。测量高厂变高、低压绕组直流电阻严重超标，其中低压侧 A 分支直流电阻超标最大，不平衡度为 46.1。综合以上试验数据判断，高厂变内部故障。7.4 故障录波情况 故障录波器波形显示：故障发生时 6B 段母线 B、C 相电压降低、A 相电压升高；6B 段进线 B、C 相电流升高，判断为 B、C 相相间短路，20ms 后发展为三相短路。88ms 时 500kV 开关及厂用段进线开关分别跳闸。故障发生 477ms 后，高厂变高压侧 A、C 电流再次增大到 50kA 且两相电流大小相等，方向相反。500ms时高厂变压力释放保护动作，630ms 时重瓦斯保护动作。高厂变差动速断定值为 7Ie，发变组保护装置录波显示实际差动电流为 7.4Ie，保护动作正确。7.5 原因分析 根据现场检查和故障分析，高厂变故障根本原因分析如下：高压变压器低压侧 B 支路封闭轨箱间密封条突破螺栓孔老化后落到 B、C 相母线上。引起相间短路放电，20ms 后发展为三相短路，电流达到 10kA，导致高厂变差动保护动作，500kV 开关、6kVA、B 分支进 线开关跳闸，机组停运。由于发电机出口与高厂变高压侧为封母直接连接，此时发电机仍处于堕走状态，在剩磁的作用下，定子侧仍感应出较高电压，发电机继续向故障点提供短路电流，高厂变高压侧 AC 相 绝缘被击穿短路，高厂变内部受近区短路冲击，绝缘损坏，随后造成压力释放阀、重瓦斯保护 动作。8 改进方案 采用有限流电抗器、高速断路器和剩余电流限制器结合的控制系统。高速断路器与限流电抗器并联后，串联安装在厂高变低压侧系统中。系统正常运行时，中国科技期刊数据库 工业 A-40-合闸位置的快速断路器旁路限流电抗器，整个剩余限流器处于很低的阻抗状态，不影响系统的正常运行。当系统发生短路故障时，控制装置快速检测到故障，并在短路电流第一个周期后的几毫秒内控制快速断路器分闸，将短路电流转换为电流-限制电抗器，限制短路电流峰值和持续短路电流，使短路电流值低于高压断路器的开断容量，同时降低过大的短路电流对变压器、互感器、导线电缆等主要一次设备的冲击和破坏。快速断路器是故障限流器的核心元件之一，采用模块化配置，其特点是分闸速度快，5ms 内即可达到额定绝缘开距，远小于常规断路器数十毫秒的分闸时间，并且能够承受三相短路电流，目前国内厂家已具备生产快速断路器的技术能力。9 结束语 通过本论文内容的阐述可以发现，通过对本文内容的细化可以观察到，由于该厂高压变压器位置的特殊性，当该厂低压侧发生近端短路时，短路电流从发电机和系统均引导至故障点，短路电流值大于发电机输出口短路时，产生的后果更为严重，这是造成电厂高压损坏的重要原因，所以采取行之有效的措 施降低厂高变低压侧近端短路时的短路电流，以及快速切除故障，是防止厂高变损坏的有效手 段。近期全国首套 220kV 全电压大容量故障限流器已于国内某电厂完成全部系统试验，一次性 投运成功。该系统试验不仅验证了故障限流器设备动作的正确性，同时也在国内首次获得了限 流器动作对电网及发电机组影响的实际数据，为进一步研究故障限流器及其应用技术打下了坚 实基础。参考文献 1张建民.基于快速开关的节能型故障限流器J.电气技术,2016(1):94-96.2唐宗华.面向高压电网的经济型故障限流器的关键技术研究D.济南:山东大学,2013.3马奎,艾绍贵.快速真空断路器在电力系统中的应用J.电工电气,2016(5):1-5.4南京南瑞继保工程技术有限公司.故障限流器(FCL)系统手册J.百度学术,2018(08):01.5刘凯,陈红坤.故障限流器在电力系统中应用研究现状J.电力系统保护与控制,2010(7):147-150.