弹指间 刹那芳华:发变组保护双重化配置的最新发展

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【供稿】中国电气论文网
【作者】 沈全荣1，郑玉平1，童明光2
【中文关键词】发变组保护双重化配置的最新发展    沈全荣1  郑玉平1  童明光2
【添加日期】 2005-4-20
【更新日期】 2005-4-20
【全部正文】 （1.国电自动化研究院继保所，江苏省南京市 210003；2.华能威海电厂，山东威海市 264200） 摘 要：从双重化概念阐明了满足《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求继电保护实施细则》双主双后的机组保护最佳配置方案。从现场运行方便和实际应用来分析主后一体化保护装置的优点，主后一体化方案彻底解决了困扰主设备保护误动率高的问题，强调了数字技术（硬件和软件）的发展和制造质量是机组保护双重化配置的前提，文中对机组保护双重化遇到的问题进行了分析。 关键词：发变组保护　反措　双重化 0　引言 由于继电保护大量采用了数字技术，继电保护技术得到了巨大的发展，为电力系统的安全运行提供了保障。最新硬件技术的发展，尤其是DSP技术的采用[3]，为彻底改变机组保护正确动作率长期偏低的现状提供了契机，2002年初国家电力公司颁发了138号文《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》继电保护实施细则（以下简称反措实施细则），正是应因数字技术的发展及电力系统的需要。《反措实施细则》出台后，针对主设备保护尤其是机组保护的配置出现了不同的解读，引起了概念上的混乱。 1　双重化配置的含义及反措相关内容解读 文献[1]中指出：“保护的双重化，指的应当是配置两套独立、完整的保护装置”，“近年来，微机式变压器保护逐渐得到应用。一般这种保护应具有主保护与后备保护的全部功能。因此，比较合理的配置方式是实现这种保护的双重化，即采用完全相同的两套微机式保护，分别由不同直流母线段来的熔断器供电。这种保护方式，可以获得很好的运行效果。上述的微机保护双重化方案，也应当实用于发电机组的保护。” 可见，应用于机组保护的双重化配置方案的含义，应该是配置两套独立、完整的发变组保护装置。 《反措实施细则》2.11条款：继电保护双重化配置是防止因保护装置拒动而导致系统事故的有效措施，同时又可大大减少由于保护装置异常、检修等原因造成的一次设备停运现象。 《反措实施细则》在此总则上针对发电机变压器组保护在6.3中提出了双重化配置的要求：100MW及以上容量的发电机变压器组微机保护应按双重化配置（非电气量除外）保护。 （1）每套保护均应含完整的差动及后备保护，能反应被保护设备的各种故障及异常状态，并能动作于跳闸或给出信号。 （2）发电机变压器组非电量保护应设置独立的电源回路（包括直流空气小开关及其直流电源监视回路）,出口跳闸回路应完全独立，在保护柜上的安装位置也应相对独立。 （3）两套完整的电气量保护和非电量保护的跳闸回路应同时作用于断路器的两个跳闸线圈。结合《反措实施细则》和双重化概念，需要认真分析机组保护的双重化配置方案。 双重化的提出是基于强化主保护、简化后备保护的原则。对于机组保护来讲[2]，发电机差动保护只能保护发电机内部相间故障，其他发电机内部故障如定子接地、转子接地、匝间故障，异常运行故障如定子过负荷、转子表层过负荷、失磁、失步、低频、逆功率、过电压过励磁、误上电等差动保护不能反应，因此这些保护不能认为是后备保护，传统方案这些保护只配置一套，而机组大部分故障均为异常运行故障，安全性不能满足反措要求，因此需强化发电机异常运行故障保护，需要双重化配置。 对于机组保护来讲，真正的后备保护，只有主变零序电流电压保护，发变组阻抗保护或发电机复合电压过流保护。当发变组发生内部故障时，差动保护（定值一般为0.3的额定电流）不能动作，这些保护更不能反应，比如阻抗保护，分析清华大学的发电机变压器内部故障仿真计算结果，主变、发电机大部分内部轻微故障由于电压不能下降，阻抗保护不能反应，而复压电压过流保护同样存在灵敏度不够的问题，因此后备保护主要是作为区外故障的后备，可以适当简化。后备保护配置方案：主变侧配置零序电流电压保护，发电机侧配置复合电压过流保护或阻抗保护即满足要求。 机组保护功能很多，回路复杂，采用先进的数字技术，把众多的继电器功能集成，完成双主双后配置，是一个因繁化简的工作，是必然的趋势。 2　双主双后保护误动的分析 2.1　机组保护运行情况及误动分析 1995年国家电力调度中心等机构组织了机组保护南北调研，调研了全国58座电厂100MW以上机组157台，结果如下：正确动作率60.6%，误动原因主要为：运行部门责任、制造质量不良以及原理不完善。以下就几种情况进行分析： 运行管理责任主要由接线错误、误操作、定值整定不合理等造成的，而这些错误的发生与保护配置方案有密切的关系。以往机组保护方案，由很多个装置组成一套机组保护： ① 装置之间TA需要串接，TV需要并接，容易导致TA断线、TV断线而造成误动； ② 装置数量多，装置损坏几率高，检修几率高； ③ 回路繁杂而不清晰，继保人员带电检修时易出现误碰现象而导致误动； ④ 装置数量多，整定操作、管理复杂。 要改变当前的面貌，必须采用主后一体化双主双后的配置方案，大大简化回路，减少装置数量，降低运行管理的难度，提高运行的安全可靠性。 制造质量差的改变需要认真分析，由于数字式保护采用了大量的电子元器件，因此存在故障的几率，需从三个方面来解决： ① 最重要的为严格的现代化生产管理体系和防静电生产环境，大量减少装置元器件的故障几率； ② 采用高性能的芯片，简化硬件设计方案，减少误动的几率； ③ 在以上基础上采用合理的硬件设计方案，比如独立的启动元件，即双CPU与门出口逻辑，可以杜绝因装置故障造成的误动。 原理不完善可以通过分析原因、完善保护判据来解决，一般不宜采用简单地提高定值（尤其是差动保护）来解决问题。采用数字式主后一体化保护后，一个发变组单元的数据全部引入装置，可以更方便地采用新的判据，完善保护原理，防止区外故障及其他情况下保护误动的发生。 2.2　双重化配置与误动几率的分析 机组保护双重化配置后，一些观点认为本来机组保护误动几率高，《反措实施细则》却要求配置双重化，这是矛盾的，同时认为保护数量增加了一倍，误动几率增加了一倍，其实，这正是解决问题的关键所在： （1）原理不完善即使只配置单套，也会误动，比如差动保护没有采取抗TA饱和措施，区外故障在TA饱和后必然误动，因此原理问题的误动与双重化配置无关，原理不完善导致的误动可能性在双重化配置后并没有增加； （2）对于保护装置元器件损坏引起的故障，保护装置数量多少是关键，由于故障几率是每个元器件故障几率总成，装置数量多则所用元器件也多，故障及误动几率就高。对于主后一体化方案，由于采用了高性能大规模集成电路的芯片，一套发变组保护采用的装置数量最少，因此因器件质量引起的误动几率最小。所以双主双后的前提是采用主后一体化方案。 （3）由于机组保护采用了双重化配置，单套保护采用采用双CPU结构，两个CPU系统相互闭锁出口，因硬件故障导致的误动几率大为减少。 由此可以看出主后备保护一体化设计思想最好地符合《反措实施细则》有关条例，既可以防止拒动又可以减少误动的几率。真正体现了反措的精神。 3　机组保护拒动的分析 3.1　同样是1995机组保护的南北调研，并没有内部短路故障差动保护拒动的情况，可见对于机组保护来讲，双重化配置方案，配置了双套差动保护，内部故障拒动的情况已经解决。 拒动可分为原理不完善或灵敏度差、装置损坏等情况。 原理不完善可以通过寻找合理的判据、可靠的新原理来解决，也可通过不同原理的保护来减少拒动的情况。对于机组内部故障，清华大学对三峡机组的一万多次计算结果分析，总有几次故障保护不能反映，存在死区。因此需在保证可靠性的前提下适当降低定值或采用新原理来提高灵敏度。 装置的损坏则需通过提高制造质量和双重化配置来解决，提高质量减少了装置的损坏，双重化配置则消除了因装置损坏可能导致的拒动。 3.2　双重化配置与拒动的分析 由于传统的的机组保护只配置了一套发电机异常运行保护，而机组发生异常运行的情况比内部短路故障的几率大得多，因此双重化配置降低了拒动的几率； 对于双重化配置的方案，电源、电流电压回路、保护装置均是独立的，正常运行时同时投入运行的，除了转子接地故障外，每一种故障双套保护均能同时反应，不存在拒动可能； 对于双重化配置，一套保护短时退出运行，另一套保护仍可反映全部故障，不会拒动；而一套保护短时退出运行时，另一套保护同时发生故障的可能性几乎没有，这主要是由于采用了先进的硬件技术和现代化生产管理体系，制造质量大大提高，一套保护装置故障退出运行的几率非常小，完全可以不考虑两套保护装置同时损坏。 4　双主双后不同方案的比较 针对《反措实施细则》，出现了不同的机组保护双重化配置方案，如图１为主后一体化双主双后保护配置方案，A屏、B屏为两套发变组电量保护，C屏为非电量保护。
图１　机组保护双主双后配置方案１ 从图中可以看出主后一体化保护配置方案： ① 方案简洁，双套保护防拒动，单套保护防误动，概念清晰； ② 每一套机组保护ＴＡ、ＴＶ只需接入一次，回路简单，ＴＡ、ＴＶ断线几率低，即使偶而发生ＴＡ、ＴＶ断线，查找非常简单。 ③ 机组保护所有数据共享，可以实现新判据，故障录波功能强大。 如图２为另一种配置方案，从图中可见每一套机组保护包括两个保护装置，每个装置包括部分保护功能，A屏、B屏为两套发变组电量保护，C屏为非电量保护
图２　机组保护双主双后配置方案２ 从图中可以看出： ① 方案复杂，屏柜配置拥挤，没有实则性提高； ② 每一套机组保护ＴＡ串联接入两个装置、ＴＶ需并联接入两个装置，回路复杂，ＴＡ、ＴＶ故障几率大为增加，查找也麻烦； ③ 由于每一个装置输入量有限，不能做到机组保护所有数据共享，故障录波数据不全。 一些观点认为，一套机组保护因各种原因暂时退出运行时，余下的一套保护采用多个装置能提高可靠性，这其实是不对的： 一套机组保护因各种原因退出运行，比如TA、TV异常检查时，剩余一套机组保护，只有一组直流电源供电，只采用一组ＴＡ、ＴＶ的数据，配置一套出口，采用多个装置不但没有提高可靠性，反而由于装置数量多、回路复杂，故障几率高，降低了可靠性。 现有的制造技术已使保护装置的质量大大提高，在一套机组保护暂时退出运行时，完全可以承担一段时间的运行。 5　国外保护配置方案的发展趋势 从国外机组保护发展的趋势来看，具有保护功能双重化的趋势，在应用DSP技术的基础上，单个装置的功能集成也来越高，“Dual two out of two”概念即为代表（如图３），每个保护对象配置两套保护系统，每套保护系统单独可以出口，每套保护系统配置两个子系统，两个子系统与门出口，这种配置方案彻底解决了机组保护拒动和误动的矛盾。
图3　“Dual two out of two”方案简图 6　机组保护双重化配置需解决的几个问题 6.1　发变组差动的配置 传统机组保护差动保护方案包括：发电机差动、主变差动以及发变组差动，实现内部故障双重化配置，新的方案一般配置双套发电机差动、主变差动，发变组差动是否需要配置成为焦点。 对于发变组单元，发电机差动反应发电机内部相间故障、主变差动反应主变内部故障，对于一点在发电机内部、一点在主变内部的故障，如发电机差动采用循环闭锁式以及主变差动两相动作才允许出口的保护原理，可能会拒动，此时发变组差动可以正确动作。 厂变高压侧TA如只有小变比TA，厂变高压侧内部严重故障可能会导致发变组差动误动，因此，发变组差动建议差到厂变低压侧。 对于300MW及以上的机组，建议保留发变组差动，可以反应一些特殊故障，考虑到发变组差动范围大，各侧TA特性差别大，可以适当提高定值，增加安全性。 6.2　高厂变差动的双重化配置 发变组保护双重化配置后，一些设计方案把高厂变独立出来，配置单套差动保护和后备保护，对于发变组单元，高厂变高压侧一般不设断路器，高厂变是发变组的一部分，如高厂变保护只配置一套差动保护，在差动保护回路和装置出现问题时，影响发变组的安全运行。在发电机、主变保护双重化配置的情况下，高厂变差动没有双重化配置不符合反措的要求。 6.3　高厂变高压侧TA配置 对于双重化配置方案，一套保护中不同保护功能可以共用一组TA，但高厂变高压侧TA的配置仍成为焦点。实际工程中有以下几种方案： 方案1：配置四组TA，小变比TA用于厂变差动，大变比TA用于主变差动、发变组差动。 方案2：配置两组小变比TA，差动共用一组TA，厂变高压侧内部严重故障时，TA饱和，可能导致发变组差动、主变差动误动，对于发变组单元，厂变内部故障时，厂变差动保护动作于全停，此时发变组差动、主变差动也动作于全停，结果一样。 方案3：配置两组大变比TA，差动共用一组TA，厂变差动两侧调整范围较大，差动保护需要考虑两侧TA的差别。 以上三种方案均可以满足双重化配置的要求，其中方案2、方案3的回路比较简单。 6.4　匝间保护如何双重化配置 对于大型火电机组，一般发电机中性点不能引出用于横差保护的零序TA，匝间保护通过专用TV的开口三角零序电压来实现，由于专用TV只有一组，发电机匝间保护双重化配置在回路上不能独立，解决方法是一套发电机匝间保护采用专用TV，另一套发电机匝间保护采用故障分量负序功率方向匝间保护，不需要专用TV，这样，两套发电机匝间保护在回路上完全独立。在机组并网前发生匝间故障，故障分量负序方向匝间保护不能动作，但考虑到机组匝间故障几率很低，且另一套采用专用TV的匝间保护能够反应，因此，此方案可以满足要求。 6.5　定子接地保护双重化的问题 定子接地保护由基波零序电压和三次谐波电压原理组成，均采用了机端开口三角零序电压、中性点零序电压，机端开口三角零序电压、中性点零序电压一般只设一组，新建工程可以配置两个机端开口三角零序电压，但中性点零序电压仍只有一组TV。因此，实际工程中，定子接地保护中性点侧零序电压只能共用一组，针对这组TV，机组保护一般需要具备TV断线检测的功能，防止这组TV断线后，机组在无定子接地保护情况下运行。 外加电源注入式定子接地保护一般只配置一套保护。 6.6　转子接地保护双重化配置方法 转子接地保护原理包括外加电源及采样切换原理等，由于测量回路本身内阻的影响，不能两套同时投入，运行时只能投入一套运行，但保护配置可以按双重化配置，其中一套正常运行时投入，另一套退出，当运行的一套转子接地保护退出时，可以投入另一套转子接地保护。不影响机组的安全运行。 7　结论 《反措实施细则》提出了主后保护双重化配置的要求，是基于硬件技术的发展，对机组保护的配置方案提出了高要求，并且指明了发展方向，结合文中分析可以得出以下几点结论： （1）对于双主双后的配置要求，主后一体化保护装置是最好的方案，双套保护防拒动，单套保护防误动，系统中保护均为主后一体化装置，运行安全可靠，已被实践所证明； （2）TA、TV以及直流电源均按双重化配置，主后一套机组保护采用多个装置完成，增加了回路的复杂性，增加了误动的几率； （3）机组后备保护（过流、零序、阻抗）只能作为外部故障的后备； （4）主后一体化保护方案，由于做到了机组数据共享，可以实现新的判据，提高保护装置的性能。 （5）机组保护双重化配置遇到的问题，应根据具体情况，进行分析并设法解决。 参 考 文 献 1 王梅义. 电网继电保护应用. 北京：中国电力出版社，1999. 2 王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用. 北京：中国电力出版社，1996. 3 沈全荣，何雪峰，沈俭等. 大型发变组微机保护双重化配置探讨. 电力系统自动化. 2002年第26卷第10期 沈全荣（1965-），男，硕士，从事电力系统继电保护的研究和开发工作。 郑玉平（1963-），男，教授级高级工程师，从事电力系统继电保护的研究和开发工作。 童明光（1964-），男，总工，高级工程师，从事电力系统继电保护的研究和管理工作。
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