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后石电厂600MW机组部分继电保护整定

　　摘要： 本文针对后石电厂工程，采用数学分析和物理建模相结合的方法，对600MW发变组保护配置的采用判别机端无功电流幅值原理的发电机失磁保护、采用判别机组和系统功角原理的失步保护、采用判别发电机中性点端三次谐波辅值原理的100%定子接地保护等进行了详细分析，以求在配置和整定值上满足大机组对保护选择性、灵敏性和可靠性要求，经现场实际运行证明，本整定方案切实可行。
关键词： 发变组 继电保护 整定计算 配置
　　后石电厂设计安装六台600MW超临界燃煤发电机组，为目前福建省最大的火力发电厂，继电保护配置随机组一次设备全套引进日本东芝和三菱公司设备(部分为外购的ABB、GE公司设备)。现将该厂配置的国内少见的保护装置在原理和整定方案上进行了较为详细的探讨，供同行批评指正。
　　40G1，40G2[型号RAGPK]：发电机失磁保护。动作于全停。
　　由于福建省的电网容量较小，有功和无功储备均较小，而后石电厂的单机容量又很大，若机组失磁而不从系统隔离，会使系统的电压崩溃，若切除时间太长，不但本发电机会异　AB:励磁电流限制 ；BC:定子电流限制；CD:由于漏磁而引起的定子端部发热限制EF:在无AVR功能情况下的发电机静稳边界；Xe:无穷大系统的等值阻抗 图一：发电机的典型容量曲线
　　步运行损坏发电机组，而且会造成系统相邻的发电机失步，给系统造成极大的危害。我国传统的低励失磁保护是测量机端阻抗园，其动作判据有异步边界阻抗、静稳边界阻抗、静稳极限励磁电压动作判据等。而本厂的失磁保护判据采用判别机组吸收的无功功率的大小并辅以系统电压判据。汽轮发电机的典型容量曲线如图一所示
　　后石电厂机组的失磁保护采用监测发电机端的无功功率方向为主判据，以无功电流和 发电机端低电压为附加判据，构成出口条件，实际无功电流按按发电机静稳边界时吸收的无功功率整定。发电机在以下情况下会发生失磁
①励磁绕组发生开路或短路。②励磁开关偷跳。③AVR系统发生故障以致励磁电流降为零。
　　后石电厂配置两套由ABB公司生产的RAGPK型失磁保护，装设在发电机端，它由RXPDK21H和RXEDK2H两个继电器组成。RXPDK21H有两个动作段，一段为无方向过电流保护，目前退出；另一段为方向时延过电流保护，其动作方程为ICOS≥Iα。本继电器的动作如图二所示
　　RXPDK21H继电器的电流动作特性的选取要综合考虑以下几个问题：①与发电机低励容量曲线吻合②与发电机静稳边界曲线吻合③充分考虑发电机在失磁情况下吸收的无功电流幅值。为了便于计算，建立发电机与系统等值模型如图三所示
Xd为发电机直轴电抗，Xt为变压器阻抗，Xs为系统等值阻抗，Us为系统电压(假设为恒定)，Uf为发电机机端电压(23KV)，Ed为发电机直轴电势，对于汽轮发电机向大系统输电，有以下公式成立
Ps=Ed*Us*Sinδ/Xd∑　
Qs= Ed*Us*Cosδ/Xd∑-Us2/ Xd∑　
其中Xd∑= Xd+Xt+Xs，δ为发电机直轴电势与系统之间的电势角。 发电机的静稳边界对应于δ=900，其吸收的无功功率为Qs=-Us2/ Xd∑在系统电压不变时为一个恒定值，即Qs=-Us2/ Xd∑=常量≈-Uf*ISinΦ== Uf*Icos〔Φ-(-90)〕
Φ为机端电流和电压之间的夹角(假设不考虑系统和变压器的无功损耗)
　　从公式可知，在发电机临界失步即δ=1800时，发电机吸收的无功功率最大，根据公式，该点对应Φ=900，则可知发电机静稳边界对应于δ=900时该点对应Φ≈750，在单台机情况下，经系统稳定计算此时发电机机端电压约为80%的额定电压。
　　根据公式有以下等式成立：Us2/ Xd∑≈Uf*ISinΦ得出在发电机处于静稳边界时，发电机吸收的无功电流I= Us2/ (Xd∑* Uf*SinΦ)。
　　取标幺值：Us=,Uf=,Xd∑= Xd+Xt+Xs,其中Xd=，Xt=,Xs=，则发电机吸收的无功电流标幺值为
I*=1/=1/〔**Sin750〕=。
　　在220KV等级下发电机额定电流的标准值为I=706000/√3*23000=17722安，则对应二次标准值为I=17722/(23000/5)=安。
　　综合以上计算，在发电机处于静稳边界时，发电机吸收的无功电流I=*=安，取特性角α=-90度。在考虑一定裕度后，本保护取Iα=安，特性角α=-900。
　　RXEDK2H为低电压继电器，按一台机情况下在发电机处于静稳边界时，机端电压约为80%的额定电压整定。经计算,按我省电网1999年底接线方式,在后石电厂一台发电机情况下发生失磁,当机端电压降为80%额定电压，机组吸收无功功率约为280MVAR时，延时秒跳闸。
　　64G2[型号RAGEK]：发电机100%定子接地保护。动作于发信。
　　本保护为ABB公司生产的集成电路保护，由三个电压继电器组成，27N3为三次谐波低电压继电器，59N为基波过电压继电器，电压监视继电器用来在机组停役时退出本保护。国内常见的发电机100%定子接地保护，采用比较发电机中性点和机端的三次谐波电压的大小来判别是否在发电机中性点处发生接地故障[1]。本保护27N3所接的电压取自发电机中性点接地变压器二次侧，变比为23KV/190V，它判别发电机中性点的三次谐波电压的大小，在∣UN3∣UDZ时动作，其理论依据
　　由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电势除基波分量外，还含有高次谐波分量，每台发电机总有约百分之几的三次谐波电势，以E3表示；发电机的对地电容可等效地集中发电机中性点N和机端S,每端为；发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容CE等效放在机端；发电机中性点接地变的阻抗为RN;则发电机的等值电路如图四所示
　　发电机中性点的三次谐波电压UN3=∣ZN∣*U3/(∣ZN+XCL∣)
　　从公式可知，UN3随发电机的运行工况而变，但只要中性点附近发生接地故障，UN3总要减少，金属性接地故障时恒有UN3=0。设在发电机空载时，其中性点的三次谐波电压为UN3Min，则要求UDZ≤UN3Min。图四：发电机的等值电路
　　对于本电厂，经测量#1发电机的对地电容CW=/相；发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容CE=/相；在发电机定子接地电流为安培的情况下，其中性点接地变的阻抗RN=欧，二次值为欧；在发电机空载时，其三次谐波电压U3Min=%UE, 在发电机满载时，其三次谐波电压U3Max=%UE, UE为发电机额定电压。
　　根据以上参数进行阻抗计算，1/2CW=，1/2CW+ CE= uF, RN=欧。对应XCN=-j1684Ω, XCL=-j1010Ω, ZN=842-j848Ω。
　　则在发电机空载时，其中性点的三次谐波电压为UN3Min =∣ZN∣*U3 Min /(∣ZN+XCL∣)=1195
*%UE/2040=% UE。
　　取两倍的可靠系数，则本保护的动作值(二次值)为
UDZ=*%UE/NPT =%*。动作于全停。
　　78G2[型号CEX57E]：发电机失步保护。动作于全停。
　　50N[型号PJC11AV]：主变中性点零序过流继电器。
　　发电机的失步保护采用经典的阻抗圆、两条阻挡线组成，对于本电厂的发电机组，在2000年最大运行方式下，归算到23KV电压等级，系统的等值阻抗为欧，变压器的阻抗为欧，发电机的直轴暂态电抗为欧，从以上参数可知，在系统发生振荡时，振荡中心往往落在发变组内部，使机端电压大幅度波动，厂用机械难以稳定运行，可能造成停机、停炉或炉膛爆炸，同时振荡电流在较长时间内反复出现，使发电机的大轴遭受周期性的振荡扭矩，可能使大轴扭伤或缩短运行寿命[1]。图五：失步保护工作原理
本保护为GE公司生产的集成电路保护，由GSY51A,CEX57E,PJC11AV三个继电器组成，其中CEX57E继电器构成直线方向阻抗特性，GSY51A继电器构成偏移阻抗圆特性，PJC11AV继电器起零序闭锁作用，对失步保护的要求是及时检测出非稳定振荡故障，保护可靠动作，在短路及稳定振荡时应不动作。为准确地应用本继电器，需要了解以下的参数：发电机的失步特性，发电机的最大滑差系数，本系统的最快振荡周期等特性和振荡电流水平。其动作特性分析如图五可知
　　正常运行发电机工作点为S1,短路后阻抗向量末端为D,短路后阻抗跃变轨迹为1，不会使失步保护误动，曲线2为稳定振荡的阻抗轨迹，虽然进入GSY51A继电器动作圆内，但即退出圆外，不会使失步保护误动。在高压系统一点接地发展到两点接地，其阻抗变化轨迹为由G1到G2点的轨迹4，可能使失步保护误动，为此在主变高压侧中性点接有一个反映接地故障的零序过流继电器50N，当发生接地故障时，50N瞬时动作，将失步保护出口回路断开，起到闭锁失步保护的作用(该保护定值按偏移圆阻抗特性的末端发生接地故障有灵敏度整定)。CEX57E继电器是一种具有欧姆单元特性的高速感应杯式元件，其两条动作特性线整定与输电线路阻抗特性平行，并以发电机电势和系统电势角差δ达到120度时进入该继电器动作区和电势角差δ达到260度离开该继电器动作区作为该两条动作特性线的整定依据。GSY51A继电器包含一个偏移圆特性的欧姆型距离元件，整定其正向偏移为变压器阻抗加上后厦线距后石电厂侧60%的线路阻抗，反向偏移区约为3倍的发电机直轴暂态电抗，在该范围内振荡阻抗轨迹曲线3穿过整个直线和圆特性，失步保护可靠动作。若振荡中心落在上述范围以外时，本失步保护可靠不动作，由系统振荡解列装置来切除机组，两者之间可能失配。由于该继电器在等值系统和发电机电势角差δ达到260度动作，加上开关动作时间，实际的开关开断振荡电流是在电势角差δ达到330度左右，经计算，该发变组出口500KVGIS开关的开断能力能满足要求，故本保护没有加装相过电流闭锁判据。本保护一个重要的缺陷就是无法预测机组的失步，在它动作以后，机组的失步已不可避免[1]。
参考文献
1．王维俭(Wang Weijian)发电机变压器继电保护应用(The Practice Of Generator-Transformer Unit Relay Protection).北京：中国电力出版社(Beijing:Electric Engineering Press Of China),1998