后石電廠600MW機組部分繼電保護整定

1、后石電廠600MW機組部分繼電保護整定    摘要： 本文針對后石電廠工程（6*600MW），采用數學分析和物理建模相結合的方法，對600MW發(fā)變組保護配置的采用判別機端無功電流幅值原理的發(fā)電機失磁保護、采用判別機組和系統(tǒng)功角原理的失步保護、采用判別發(fā)電機中性點端三次諧波輔值原理的100%定子接地保護等進行了詳細分析，以求在配置和整定值上滿足大機組對保護選擇性、靈敏性和可靠性要求，經現場實際運行證明，本整定方案切實可行。    關鍵詞： 發(fā)變組 繼電保護 整定計算 配置    

2、;后石電廠設計安裝六臺600MW超臨界燃煤發(fā)電機組，為目前福建省最大的火力發(fā)電廠，繼電保護配置隨機組一次設備全套引進日本東芝和三菱公司設備(部分為外購的ABB、GE公司設備)?，F將該廠配置的國內少見的保護裝置在原理和整定方案上進行了較為詳細的探討，供同行批評指正。 40G1，40G2型號RAGPK：發(fā)電機失磁保護（兩套）。動作于全停。 由于福建省的電網容量較小，有功和無功儲備均較小，而后石電廠的單機容量又很大，若機組失磁而不從系統(tǒng)隔離，會使系統(tǒng)的電壓崩潰，若切除時間太長，不但本發(fā)電機會異     AB:勵磁電流限制 ；BC:定子電流限制；CD:由于漏磁而

3、引起的定子端部發(fā)熱限制 EF:在無AVR功能情況下的發(fā)電機靜穩(wěn)邊界；Xe:無窮大系統(tǒng)的等值阻抗    圖一：發(fā)電機的典型容量曲線 步運行損壞發(fā)電機組，而且會造成系統(tǒng)相鄰的發(fā)電機失步，給系統(tǒng)造成極大的危害。我國傳統(tǒng)的低勵失磁保護是測量機端阻抗園，其動作判據有異步邊界阻抗、靜穩(wěn)邊界阻抗、靜穩(wěn)極限勵磁電壓動作判據等。而本廠的失磁保護判據采用判別機組吸收的無功功率的大小并輔以系統(tǒng)電壓判據。汽輪發(fā)電機的典型容量曲線如圖一所示： 后石電廠機組的失磁保護采用監(jiān)測發(fā)電機端的無功功率方向為主判據，以無功電流和 發(fā)電機端低電壓為附加判據，構成出口條件，實際無功電流按按發(fā)電機

4、靜穩(wěn)邊界時吸收的無功功率整定。發(fā)電機在以下情況下會發(fā)生失磁： 勵磁繞組發(fā)生開路或短路。勵磁開關偷跳。AVR系統(tǒng)發(fā)生故障以致勵磁電流降為零。 后石電廠配置兩套由ABB公司生產的RAGPK型失磁保護，裝設在發(fā)電機端，它由RXPDK21H和RXEDK2H兩個繼電器組成。RXPDK21H有兩個動作段，一段為無方向過電流保護（I>>），目前退出；另一段為方向時延過電流保護，其動作方程為ICOS（-）I（特性角在-120度至120度之間整定，為接入的電壓和電流的夾角，在電壓二次值低于5伏時，采用記憶的電流電壓夾角，本工程A相電流和電壓接入繼電器）。本繼電器的動作如圖二所示： 

5、0;  RXPDK21H繼電器的電流動作特性的選取要綜合考慮以下幾個問題：與發(fā)電機低勵容量曲線吻合與發(fā)電機靜穩(wěn)邊界曲線吻合充分考慮發(fā)電機在失磁情況下吸收的無功電流幅值。為了便于計算，建立發(fā)電機與系統(tǒng)等值模型如圖三所示：    Xd為發(fā)電機直軸電抗，Xt為變壓器阻抗，Xs為系統(tǒng)等值阻抗，Us為系統(tǒng)電壓(假設為恒定)，Uf為發(fā)電機機端電壓(23KV)，Ed為發(fā)電機直軸電勢，對于汽輪發(fā)電機向大系統(tǒng)輸電，有以下公式成立：    Ps=Ed*Us*Sin/Xd    

6、;         （1）    Qs= Ed*Us*Cos/Xd-Us2/ Xd             （2） 其中Xd= Xd Xt Xs，為發(fā)電機直軸電勢與系統(tǒng)之間的電勢角。    發(fā)電機的靜穩(wěn)邊界對應于=900，其吸收的無功功率為Qs=-Us2/ Xd在系統(tǒng)電壓不變時為一個恒定值，即Qs=-Us2/ Xd=常

7、量-Uf*ISin= Uf*Icos-(-90)    （3） 為機端電流和電壓之間的夾角(假設不考慮系統(tǒng)和變壓器的無功損耗) 從公式（2）可知，在發(fā)電機臨界失步即=1800時，發(fā)電機吸收的無功功率最大，根據公式（3），該點對應=900，則可知發(fā)電機靜穩(wěn)邊界對應于=900時該點對應750，在單臺機情況下，經系統(tǒng)穩(wěn)定計算此時發(fā)電機機端電壓約為80%的額定電壓。 根據公式（3）有以下等式成立：Us2/ XdUf*ISin得出在發(fā)電機處于靜穩(wěn)邊界時，發(fā)電機吸收的無功電流I= Us2/ (Xd* Uf*Sin)。 取標幺值：Us=1.0,Uf=0.8,Xd= X

8、d Xt Xs,其中Xd=2.0（根據發(fā)電機廠家資料），Xt=0.132（220KV等級下對應二次值為9.875歐）,Xs=0.169（220KV等級下對應二次值為12.7065歐），則發(fā)電機吸收的無功電流標幺值為 I*=1/（Xd* Uf*Sin）=1/（2 0.132 0.169）*0.8*Sin750=0.562。 在220KV等級下發(fā)電機額定電流的標準值為I=706000/3*23000=17722安，則對應二次標準值為I=17722/(23000/5)=3.85安。 綜合以上計算，在發(fā)電機處于靜穩(wěn)邊界時，發(fā)電機吸收的無功電流I=3.85*0.562=2.165安，取特性角=-90度。

9、在考慮一定裕度后，本保護取I=1.89安，特性角=-900。 RXEDK2H為低電壓繼電器，按一臺機情況下在發(fā)電機處于靜穩(wěn)邊界時，機端電壓約為80%的額定電壓整定。經計算,按我省電網1999年底接線方式,在后石電廠一臺發(fā)電機情況下發(fā)生失磁,當機端電壓降為80%額定電壓，機組吸收無功功率約為280MVAR時，延時0.4秒跳閘。 64G2型號RAGEK：發(fā)電機100%定子接地保護。動作于發(fā)信。    本保護為ABB公司生產的集成電路保護，由三個電壓繼電器組成，27N3為三次諧波低電壓繼電器，59N為基波過電壓繼電器，電壓監(jiān)視繼電器用來在機組停役時退出本保護。

10、國內常見的發(fā)電機100%定子接地保護，采用比較發(fā)電機中性點和機端的三次諧波電壓的大小來判別是否在發(fā)電機中性點處發(fā)生接地故障    1。本保護27N3所接的電壓取自發(fā)電機中性點接地變壓器二次側，變比為23KV/190V，它判別發(fā)電機中性點的三次諧波電壓的大小，在?UN3?<UDZ時動作，其理論依據如下： 由于發(fā)電機氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在定子繞組中感應的電勢除基波分量外，還含有高次諧波分量，每臺發(fā)電機總有約百分之幾的三次諧波電勢，以E3表示；發(fā)電機的對地電容可等效地集中發(fā)電機中性點N和機端S,每端為0.5CW；發(fā)電機端引出線、升壓

11、變壓器、廠用變壓器以及電壓互感器等設備的每相對地電容CE等效放在機端；發(fā)電機中性點接地變的阻抗為RN;則發(fā)電機的等值電路如圖四所示： 發(fā)電機中性點的三次諧波電壓UN3=?ZN?*U3/(?ZN XCL?)     （4） 從公式（4）可知，UN3隨發(fā)電機的運行工況（即U3大?。┒?，但只要中性點附近發(fā)生接地故障，UN3總要減少，金屬性接地故障時恒有UN3=0。設在發(fā)電機空載時，其中性點的三次諧波電壓為UN3Min，則要求UDZUN3Min。    圖四：發(fā)電機的等值電路 對于本電廠，經測量#1發(fā)電機的對地電容CW=

12、0.42uF/相；發(fā)電機端引出線、升壓變壓器、廠用變壓器以及電壓互感器等設備的每相對地電容CE=0.1402uF/相；在發(fā)電機定子接地電流為7.83安培的情況下，其中性點接地變的阻抗RN=1.696歐，二次值為0.115歐；在發(fā)電機空載時，其三次諧波電壓U3Min=0.5%UE, 在發(fā)電機滿載時，其三次諧波電壓U3Max=1.4%UE, UE為發(fā)電機額定電壓。 根據以上參數進行阻抗計算，1/2CW=0.21uF，1/2CW CE=0.3502 uF, RN=1.696歐。對應XCN=-j1684, XCL=-j1010, ZN=842-j848。 則在發(fā)電機空載時，其中性點的三次諧波電壓為UN

13、3Min =?ZN?*U3 Min /(?ZN XCL?)=1195 *0.5%UE/2040=0.293% UE。 取兩倍的可靠系數，則本保護的動作值(二次值)為： UDZ=0.5*0.293%UE/NPT =0.1465%*（23KV/3)*190/23KV=0.161V,故取整定值UDZ=0.2V。    根據UDZ=0.2V，對應的三次諧波電壓一次值為0.2*23KV/190=0.1823% UE；本繼電器的基波制動系數為80，則該三次諧波電壓值對應的基波分量小于0.1823% UE*80=14.6% UE。因此27N3繼電器保護85.4100%

14、范圍內定子繞組發(fā)生的接地故障。 在發(fā)電機滿載時，其中性點的三次諧波電壓為UN3Max =?ZN?*U3 Max /(?ZN XCL?)=1195 *1.4%UE/2040=0.82% UE，設在距離中性點X處發(fā)生接地故障，27N3繼電器感受的電壓為UN3=X UE*1.4%/ NPT=0.2V,得X=0.2*3/(190*1.4%)=13.0。 從以上計算可知，發(fā)電機滿載時，本繼電器保護87100%范圍內定子繞組發(fā)生的接地故障。 電壓監(jiān)視繼電器所接的電壓取自機端PT，整定90%的發(fā)電機額定電壓，在測量電壓低于90%發(fā)電機額定電壓，并延續(xù)4秒后，將100%定子接地保護退出。 78G1型號GSY5

15、1A：發(fā)電機失步保護（偏移阻抗圓）。動作于全停。 78G2型號CEX57E：發(fā)電機失步保護（直線方向阻抗阻）。動作于全停。 50N型號PJC11AV：主變中性點零序過流繼電器（用于閉鎖發(fā)電機失步保護）。 發(fā)電機的失步保護采用經典的阻抗圓（帶偏移特性）、兩條阻擋線組成，對于本電廠的發(fā)電機組，在2000年最大運行方式下，歸算到23KV電壓等級，系統(tǒng)的等值阻抗為0.127065歐，變壓器的阻抗為0.0987歐，發(fā)電機的直軸暫態(tài)電抗為0.213歐，從以上參數可知，在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，振蕩中心往往落在發(fā)變組內部，使機端電壓大幅度波動，廠用機械難以穩(wěn)定運行，可能造成停機、停爐或爐膛爆炸，同時振蕩電流在較長時

16、間內反復出現，使發(fā)電機的大軸遭受周期性的振蕩扭矩，可能使大軸扭傷或縮短運行壽命1。    圖五：失步保護工作原理    本保護為GE公司生產的集成電路保護，由GSY51A,CEX57E,PJC11AV三個繼電器組成，其中CEX57E繼電器構成直線方向阻抗特性，GSY51A繼電器構成偏移阻抗圓特性，PJC11AV繼電器起零序閉鎖作用，對失步保護的要求是及時檢測出非穩(wěn)定振蕩故障，保護可靠動作，在短路及穩(wěn)定振蕩時應不動作。為準確地應用本繼電器，需要了解以下的參數：發(fā)電機的失步特性，發(fā)電機的最大滑差系數，本系統(tǒng)的最快振蕩周

17、期等特性和振蕩電流水平。其動作特性分析如圖五可知： 正常運行發(fā)電機工作點為S1（S2）,短路后阻抗向量末端為D,短路后阻抗躍變軌跡為1，不會使失步保護誤動，曲線2為穩(wěn)定振蕩的阻抗軌跡，雖然進入GSY51A繼電器動作圓內，但即退出圓外，不會使失步保護誤動。在高壓系統(tǒng)一點接地發(fā)展到兩點接地，其阻抗變化軌跡為由G1到G2點的軌跡4，可能使失步保護誤動，為此在主變高壓側中性點接有一個反映接地故障的零序過流繼電器50N，當發(fā)生接地故障時，50N瞬時動作，將失步保護出口回路斷開，起到閉鎖失步保護的作用(該保護定值按偏移圓阻抗特性的末端發(fā)生接地故障有靈敏度整定)。CEX57E繼電器是一種具有歐姆單元特性的高

18、速感應杯式元件，其兩條動作特性線整定與輸電線路阻抗特性平行，并以發(fā)電機電勢和系統(tǒng)電勢角差達到120度時進入該繼電器動作區(qū)和電勢角差達到260度離開該繼電器動作區(qū)作為該兩條動作特性線的整定依據。GSY51A繼電器包含一個偏移圓特性的歐姆型距離元件，整定其正向偏移為變壓器阻抗加上后廈線距后石電廠側60%的線路阻抗，反向偏移區(qū)約為3倍的發(fā)電機直軸暫態(tài)電抗，在該范圍內振蕩阻抗軌跡曲線3穿過整個直線和圓特性，失步保護可靠動作。若振蕩中心落在上述范圍以外時，本失步保護可靠不動作，由系統(tǒng)振蕩解列裝置來切除機組，兩者之間可能失配。由于該繼電器在等值系統(tǒng)和發(fā)電機電勢角差達到260度動作，加上開關動作時間，實際的開關開斷振蕩電流是在電勢角差達到330度左右，經計算，該發(fā)變組出口