8 9MW发电机组继电保护分析63

900MW发电机变压器组 继电保护配置及特性浅析

沈渭铭

<上海外高桥第二发电有限责任公司 200137）

摘要：本文介绍了900MW发电机变压器组的继电保护配置方案和特点，以及部分主保护的动作原理及作用。其中

着重分析了7UT差动保护，7UM失磁、失步、定子接地保护的工作原理和接线方式以及7UW50跳闸矩阵的简介和其在整套保护中的作用。

关键词：继电保护装置；配置；特性；浅析

1概述

外高桥第二发电厂的两台发电机分别于2003年和2004年并网发电，经过几年的运行时间考验，证明所配置的继电保护装置性能稳定、可靠、合理符合国家电力行业对大型发电机组继电保护装置的标准和规定。由SIEMEMS公司制造的发电机变压器组主要电气参数是：发电机输出额定容量900MW，额定电压27KV，额定电流21383A,发电机中性点经接地变压器接地。主变是容量为3×340MVA的双圈变，电压为525KV/27KV,接线方式YN

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Δ-11，接入500KVGIS升压站，采用3/2接线方式。厂用电系统为两台56MVA三圈变，其电压等级是27KV/10.75KV/3.15KV，其中10KV、3KV侧为中阻接地方式。该机组配置了SIEMENS公司生产的7SJ60、7RW60系列电流、电压流保护装置，7SJ500系列过流保护装置，7UT500系列差动保护装置，7UM500系列多功能保护装置以及GE公司生产的DTP-30

多点差动保护装置，构成了对发电机组安全、可靠、全方位、双重化保护。

2发变组保护配置原则

发变组保护配置主要考虑可能发生的各类电气短路故障和异常运行情况进行配置。各类电气短路故障主要有：定子绕组相间短路、单相接地、机端不对称短路、因励磁回路故障引起的发电机失磁、变压器内部故障以及发变组出口断路器闪络。而异常运行情况通常包括发电机失步、过激磁、意外突加电压、逆功率等。

考虑超大型发电机变压器组对继电保护配置要求可靠性高，主保护采用双重化冗余配置，如由发电机差动保护、主变差动保护及发变组差动保护组成了对发电机、主变的双重保护，发电机失磁、过激磁、逆功率、频率都配两套保护装置，而发电机定子接地保护则由90%接地保护装置和100%接地保护装置构成双重保护。对于次要的电气故障及异常运行工况如转子一点接地保护、失步保护、负序过负荷保护、后备过流保护以及主变高压侧接地电流、接地电压保护等均配置一套的保护装置。每台高厂变配置两套差动保护，变压器每侧配过流保护，中、低压侧各配接地保护。以上

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所叙的每个保护继电器均由两路的直流电源接入<通过二极管一路导通，另一路截止备用）使每套保护装置的工作可靠性大大提高。

3发变组保护配置及动作设置

保护装置编号/型号 F10 / 7UT512 保护类型 87G 40 32REV 59 81 81 49 R 59/81 81 81 50N 87 50/51 50N 51 50N 87 50 87 49 59/50 40 81 21 32REV 46 78 59/81 87 50/51 50N 50/51 50N 87 49 87 50 保护意义 发电机差动保护 失磁阻抗1 逆功率1 过电压1 低频1段 高频1段 过负荷 100%定子接地 转子接地 过激磁 U/F 1 低频2段 高频2段 主变500KV侧接地 主变500KV零序电流 主变差动 高厂变B 10KV侧过流高厂变B 10KV侧接地过流 高厂变B 3KV侧过流高厂变B 3KV侧接地过流 高厂变A差动 高厂变A 27KV侧过流 高厂变B差动 高厂变B过荷 突加电压 失磁阻抗2 低频3段 后备阻抗 逆功率2 负序过荷90%定子接地 失步保护过激磁 U/F 2 主变差动保护动作处理 全停 全停 全停 全停 全停 全停 解列 全停 全停 全停 全停 全停 全停 解列 全停 全停 全停 全停 全停 全停 全停 全停 告警 解列 全停 解列 全停 全停 解列 全停 解列 全停 全停 全停 全停 全停 全停 全停 告警 全停 全停 F11 / 7UM515 F12 / 7UM511 F13 / 7SJ511 F14 / DTP-30 F15 / 7SJ511 F16 / 7SJ511 F17 / 7UT513 F18 / 7UT513 F19,F20/7RW60,7SJ60 F21 / 7UM511 F22 / 7UM516 F23 / 7RW60 F24 / DTP-30 F25 / 7SJ511 F26 / 7SJ511 F27 / 7UT513 F28 / 7UT513 高厂变A 10KV侧过流高厂变A 3KV侧过流高厂变A 10KV侧接地过流高厂变A 3KV侧接地过流 高厂变A差动 高厂变A过荷 高厂变B差动 高厂变B 27KV侧过流表格说明：本表格未将发电机、主变、高厂变的非电量保护列入，全停意义：跳主变500KV开关<2个）、高厂变A/B

10KV，3KV开关、灭磁开关，关闭主汽门，启动厂用/备用电源自动切换装置，

500KV断路器失灵启动。解列的意义由主汽门关闭使逆功率保护动作再跳主变500KV开关<2个）、灭磁开关，带厂用段设备孤岛运行及500KV断路器失灵启动。

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4部分保护的基本原理、特点和作用

4.1差动保护用于保护发电机、主变压器、厂用变压器设备内部的相间短路故障。它的主要动作特性是灵敏可靠的比率制动差动保护，有适用于变压器接线绕组组别补偿、二次、高次谐波制动、CT饱和附加制动、差动速断保护等功能，保护动作门槛值主要考虑躲过外部故障所引起的不平衡电流，第一制动斜率可选0.15～0.3使保护具有较高的灵敏性，第二制动斜率考虑在大故障电流情况下既要动作灵敏度大于或等于2，又要保证不会因不平衡电流增大而引起的误动可选0.5。二次高次谐波制动整定应考虑在变压器空载充电、合闸、操作时所产生的非周期分量<主要为二次谐波）时闭锁差动保护。差动速断保护的动作值应兼顾躲过变压器空载励磁涌流，又要在变压器内部短路时具有灵敏度且能迅速动作。

7UT 系列保护装置的动作原理及技术特性如下： 技术特点：

(1> 电流动作、制动方程：Idiff=|I1+I2|、Istab=|I1|+|I2| (2> 比率制动式差动保护，两段制动特性 (3> 二次谐波制动、三次<或五次）谐波制动 (4> 交叉闭锁

其中：

a段：差动保护灵敏动作门槛

b段：小制动区。防调压、CT变比差异造成的不平衡电流

c段：大制动区+附加制动区4.2失磁保护用于保护发电机因励磁系统故障而引起的机端电压下降过度、进相无功过大，及同步电机因异步运行而引起的转子局部过热，7UM511保护装置对失磁现象检测定子三相电流和三相电压信号进行处理计算出正序系统导纳，形成定子回路判断依据，同时还对励磁电压信号进行处理，构成转子回路判断依据。 失磁保护的导纳计算：

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SIEMENS发电机失磁的静稳、动稳动作边界示意图：

动态稳定边界固有静态稳定边界理论边界P定子极限VPIfSNN转子极限VN;SNX'd2VNXd2QXd: 同步电抗X‘d: 暂态电抗过励磁低励磁

保护装置的模拟动作曲线：

通常三段导纳参数可取以下的值： λ1 =

α1 = 80°；λ2 =

α2 = 90°

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λ3 =或α3 = 100°～110° 其中Xd 为发电机同步直轴电抗。

4.3失步保护用于防止因系统振荡<包括危及输电稳定性的功率摆动）而引起同步电机过载的有功功率摆动，其基本原理是通过可靠的阻抗测量检测功率摆动，对系统、机端的复阻抗矢量进行判断分析并根据阻抗矢量变化率以及功率摆动的中心位置来确定动作行为。

失步保护装置的阻抗特性和整定参数的示意图：

4.4100%定子接地保护7UM515保护装置通过发电机中性点接地变压器对定子接地电流和接地电阻分别进行检测，中性点接地变压器次级绕组接一电阻测取接地电压再从接地变压器次级绕组串接一电流互感器测取接地电流，其中接地电流的检测可以保护发电机定子线圈的80%～90%的范围，但在中性点处无灵敏度，故需依靠外加一个20HZ的电源注入接地变压器次级绕组使之产生一个偏压。保护装置通过付利叶运算将电流、电压中的20HZ分量进行计算这样可以计算出发电机的接地电阻，消除了发电机中性电接地的盲区。该保护最大的特点是运行时带有频率为20HZ偏压电源，且不受系统频率偏移及定子接地部位的影响<包括定子中性点接地）因而能有效保护定子从机端到中性点任何位置的接地故障。

100%定子接地保护方案：

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20Hz发生器G20Hz辅助电源(DC or AC)带通滤波器接地变压器UN3500V3ab负荷电阻RLK500V200V保护Ik7UM62GS3 ~abCT(400A / 5A)中性点变压器

<该保护装置可提供两种接入方式，即从P.T.开口三角或从中心点接地变压器副边接入，外二电厂是从中心点变压器ab处接入）

4.5转子一点接地保护主要反映励磁系统的接地故障，虽然一点接地对发电机不构成危害，但若发展成两点接地部分转子绕组将被短路使转子本体烧伤、气隙磁通失平衡引起震动。由于考虑转子接地对超大型机组的危害更大，故在一点接地情况较严重时就动作于跳闸。保护装置有一外加低频<1HZ～8HZ）方波控制电源，一端通过2个高阻分别接入励磁回路另一端连接低值电阻接地，通过转子回路对地电容构成接地检测并根据接地电阻的大小分为告警段和跳闸段。 转子一点接地保护的实际接线图：

4.6过激磁保护用于检测可能的对变压器产生危害的超过变压器容许的过励磁情况。变压器的工作磁通密度B与电压、频率比V/f成正比43 / 9

4.7负序过负荷保护用于检测不对称负载而产生的反向旋转磁场<双倍频率作用于转子）所产生的转子表面感应涡流造成转子端部和槽锲内局部发热，保护原理是将基波量分解成对称分量，只对负序分量进行检测。保护设定时限段和反时限段，其中反时限段的特性按照热微分方程式计算：

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其中Θ为最大允许温升，τ为温升热力时间常数，I2为实际负序电流。

在实际应用不需要知道允许温升，而只需整定最大连续允许负序电流和允许时间即可。 4.8逆功率保护用于保护汽轮机，当主汽门误关闭或机组MFT动作关闭主汽门而断路器未跳开时发电机将变成电动机运行吸收系统有功致使汽轮机尾部叶片发热，造成损害。保护装置通过检测16个交流周期的有功功率进行精确计算，保护带有CT误差角校正设置，可以计算出很小的逆功率，实际应用中可根据主汽门是否关闭的情况设置不同的逆功率跳闸时间。

5保护跳闸分配装置<矩阵）简介

由SIEMEMS公司生产的7UW50保护跳闸分配装置<跳闸矩阵），每块保护屏配一个7UW50跳闸矩阵，矩阵可输入28个<纵向）保护继电器的跳闸回路，每个跳闸输入回路可通过插入连接二极管自由选择输出，最多输出10个不同的跳闸出口。每个跳闸输入回路还带有跳闸插件<相当于跳闸压板）和表示投入指示的发光二极管。该装置由A、B、C、D、E、F、G、H、J、K

横向母线<类似于跳闸小母线）分别对应于10个不同的跳闸出口均有动作信号指示，便于故障分析、记录，可通过保护柜内的复置按钮或远方复归信号

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7UM62 7UT61 装置故障 报警 保护投退插头（红） 二极管插头（黑）

保护跳闸分配装置原理图

6保护装置运行、总体性能评价

由SIEMEMS公司生产的7UM500系列、7UT500系列、7SJ600系列等继电器组成的900MW发变组保护装置保护功能齐全、配置合理，继电器可在面板操作调试或经通讯线外接PC调试，继电器动作精度高，具有实时显示故障信息和存储故障信息功能，具有较强的自检、装置异常闭锁功能。在两三年的实际运行中，保护装置工作稳定、可靠，其操作和调试方便，尤其是保护跳闸分配装置<矩阵）的设计非常优秀，保护装置的投退方式通过发光二极管显示，而保护装置中的某套保护功能则通过插针<替代压板）进行投退运行，使保护装置的投运和退出的操作十分便捷和可靠。7UT5系列的保护装置液晶显示窗较小且无背光，一台发变组配置了较多的继电保护装置，其功能的集成度方面有待于升级换代，目前SIEMEMS公司生产6系列保护装置已在逐渐得到应用，其在功能和显示窗等方面的性能要优于5系列的保护装置。

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