厂用电快切对继电保护的影响

1、4X300MW机组厂用电快切过程分析及其对继电保护的影响摘要厂用电源快速切换技术近年来已经在大型发电机组厂用电系统中日益运用成熟，显示出它对确保机组稳定运行的优越性， 并已在生产实际中积累了正负 两个方面丰富的运行经验。本文较为详尽的分析了厂用电切换过程中的动态特征 并给出了工程计算的方法，并针对快切失败及快切过程中对电动机差动保护的影 响等现场实际问题提出了解决办法及建议。关键词300MW机组；厂用电；快切装置；继电保护；过程分析1厂用电源切换过程分析1.1厂用电切换的几种形式以往发电厂的厂用电源自动投入装置都为慢速切换，最广泛采用的是备自投BZT装置。随着大机组的迅速发展，高压电动机的容量

2、增加很多，300MW机组的给水泵容量已达到5500KW，锅炉风机的容量也达到2000KW以上。大容量 的电动机在断电后电压衰减较慢，残余电压的幅值很大，给厂用电源的切换带来 很多问题。如果在残压较大时重新接通电源，电动机将受到冲击而损坏。如果等到残压降低到很低，如30%以下，这样的电压对于重新投入备用电源而言，是安全的， 冲击降到了安全值以下。但是，要达到这样的条件，依照经验值，需要电动机群 衰减3秒以上的时间，这将对机炉运行参数的调整带来很大的影响，可能在厂用电切换过程中造成机炉运行失去稳定。因此，以快速切换取代慢速切换，对大型机组而言，势在必行。厂用电要在一两百毫秒内快速准确地实现切换，首

3、先要求断路器的快速分合特性。真空断路器、SF6断路器取代SN系列少油式断路器，以其快速高分断的性 质满足了厂用电快切的必备条件。当前的厂用电快速切换， 使用以下两种原理类型。 第一种是快速定时限切换， 第二种是判别压差、 相差、 频差的快速切换。 第二种原理的快切装置应用更为成 熟，更为安全，我厂 PZH-1 型快切装置就采用了第二种原理。1.2 单台异步电机失去电源后的等效电路。厂用电的切换过程是一个复杂的机电动态过程，这里，首先分析单台电机失 去电源后的等效电路。众所周知，异步电动机的定子和同步电动机的定子一样，具有对称的三相绕 组。异步电动机的转子是个圆形的磁导体，在其圆周上均匀地布置着

4、鼠笼绕组， 其结构与同步电机的阻尼绕组相似， 因此转子在电和磁的方面都对称， 这就决定 了它的d轴、q轴的电抗是相等的。这样，就可以把异步电动机视作一个没有励 磁绕组而仅有阻尼绕组的同步机。 所不同的是， 在鼠笼导条中会感应一个频率很 低的电势和电流，这是由异步电动机 2%5% 的转差率决定的。电动机的运行情况突然变化时，转子绕组磁链应保持不变，异步电动机也可以有一个与转子绕组合成磁链成正比的次暂态电势E” 0,以及同它相适应的次暂态电抗 x”。由异步电动机的典型相量图，可以知道，异步电动机的次暂态电势为：E” 0=U0-jI0x ”在数值上，近似的取为 :E” 0U0 I0x ” sin 川

5、式中U0、I0、书0是工况变化前瞬间的异步电动机的端电压、电流及其功率因数角。异步电动机转子只有一个阻尼绕组，在工况变化瞬间，其中所发生的电磁现象也应当和同步发电机交轴方向的一样，则可套用同步发电机交轴次暂态电抗的表达式即异步电动机的次暂态电抗为：XrsXad3丰凶丰凶耙|X"Xrs XadFor personal use only in study and research; not for commercial use式中Xs、Xrs、Xad分别为定子漏抗、转子漏抗以及定转子之间的互感。可以发现，次暂态电抗X''的表达式与异步电动机刚启动时的电抗相等，这并 非偶然

6、。刚启动瞬间，转子尚未转动，鼠笼绕组又是个短接绕组，这和双绕组变 压器副边短路时的情况一样，所以异步电动机的启动电抗又可以看作短路电抗。 反之，当电动机断开电源时，电动势由转子产生，定子开路，转子向定子侧反馈 电流，也可以看作是双绕组变压器副边向原边侧输送电流，此时的变压器短路阻抗就起到了异步电动机次暂态电抗的作用。异步电动机的次暂态电抗，实际上即为电动机的运行情况突然变化时，电机对定子基频电流所呈现的电抗。既然X''就是启动电抗它在数值上就等于启动电压 Ust与启动电流1st之比, 以标幺值表示，则为：X''启动*=1/I启动*由此，可以得到单台异步电机失去电

7、源后的等效电路:短路前瞬间异步电动机的等值电路后动瞬间异步电动机的等值电路For personal use only in study and research; not for commercial use1.3挂接在母线上的电动机群及负荷在失去电源后的动态过程异步电动机能够向负荷提供电流是电磁与机械惯性相互作用的结果。当外接电源电压高于异步电动机 内部感应电势时，电机从电网吸收功率，电磁力矩拖动机械力矩，做电动机运行；当外接电源低于异步电 动机内部感应电势时，机械力矩拖动电磁力矩，电机向电网输出功率，做异步发电机运行。而异步电动机 转为发电机运行，一般是由于接于定子绕组的电源电压失去、距定

8、子绕组电气距离较近处发生短路、电机 定子岀口残压较低等三种情况所致。应当注意的是，虽然异步发电机向电网输岀有功功率，但由于其不带 励磁绕组，必须要从网上吸收较多的无功功率。我厂6kv母线上所带的负荷，既有大型电动机组成的电动机群，还有各配电变压器下所带的常规负荷。在 母线的工作电源失去瞬间，这些电动机群由于机械惯性的作用，转入异步发电机运行开始向变压器下所带 的常规负荷输送电流。这个过程是一个电磁暂态过程，即异步电机的工作电流全部要发生转向，由输入变 输岀。而此刻异步电机的电气工作模型，即为上一章节所给岀的那样一一由次暂态电势串联一个次暂态电 抗组成。至于那些变压器负荷，尽管在失电瞬间这些综合

9、负荷的负荷特性、阻抗特性会发生一些变化，但我们研究 的恰好是一个短暂的失去电源又恢复电源的过程，完全可以使用电力系统短路计算时的归算方法，近似用 恒定阻抗表示，阻抗值由失电前潮流负荷端电压Ud和负荷功率Sd计算获得：Ng P畑电动机群由异步电动机运行转为异步发电机向变压器负荷输送电流这个电磁暂态过程，要产生非周期分量电流，根据一般的经验值，其衰减大约需要100ms,这取决于异步电机转子绕组电阻。与这个电磁暂态过程同步进行的，还有一个机电的动态过程。这个过程实际上就是各异步发电机向外输出电功率的同时，对 机械惯性转矩产生一个制动作用，进而降低了转速，转速的降低又线性的影响到电机的感应电势使之降低

10、, 电机端电压与频率跟着降低，使电磁输出功率进一步减小的一个动态机电过程。解析一个带有大容量电动机负荷的母线，失去电源后的残压衰减过程，需要使用大量的参数和变量。 首先，需要计算岀母线上所带的恒定阻抗，也就是变压器所带负荷Zd，其算法如上文所述。第二需要掌握主要异步电动机组的机械惯性时间常数 TJ。第三，需要知道被异步电动机拖动的机械负载的转矩特性。各机械负载，种类繁多，特性不一。其一般的 通用表达式可表示为：Mm=Ka+式中，a为机械负载转矩中与转速无关部分，也可称为静止阻力矩；B为负载转矩与转速有关的指数；K为异步电动机的负荷率。异步电动机组转子的运动方程式为：式中，s代表电机的转差率，M

11、e代表电磁转矩。Me在异步发电机运行时为Me=UIcos在电站辅机中，风机负荷的惯性时间常数 TJ远大于水泵负荷，所以尽管所有的异步电机开始时都在向变压器负荷恒定阻抗输岀电磁功率，但由于拖动风机负载的电动机其转差率的下降显著慢于拖动水泵负载的电机，后者电机感应电势的下降也就快于前者。这个机电暂态过程经过一段时间后，可以预见，共接于一条高压厂用母线上的各路电动机负荷，它们都在 向母线反馈电流，但是大容量的锅炉风机电动机将提供主要的部分，并且关系着母线残压的衰减水平。而 其他一些机械负载的电机将只输出很小的反馈电流，甚至接受风机电机的输入电流而成为异步电动机运行。2对我厂厂用电快切装置的评价2.1

12、 PZH-1型装置特点及功能我厂厂用电快切装置提供正常方式下的手动切换和非正常状态下的事故切换。切换的种类分为串联切换和 并联切换。串联切换即先跳开工作电源进线开关，再合上备用电源进线开关，或是与之相反，又叫做相继切换。事故 状态下快切装置由发变组保护启动，切换的方式就是先跳工作后合备用的串联方式。并联切换是备用电源与工作电源短时间并列，再跳开一侧进线开关。我厂正常方式下的手动切换就是并联切换。在PZH-1型快切装置内部功能上还有并联半自动切换与全自动切换之分。并联半自动就是在装置上启动切换后，自动经同期判别，在启机时，将工作进线开关合上与备用开关并列，在由运行人员手动跳开备用进线开关，停机时

13、则相反。并联全自动就是启动切换后，装置自动完成并列与跳另侧开关的操作，不需人员干预。除此之外，该装置还提供了不正常切换，是由母线非故障性低压引起的切换，它是单向的，只能由工作电源切换至备用电源，分为以下两种情况： 母线三相持续低电压，超过设置时间后，装置自动跳开工作电源，投入备用电源。 由于工作电源受控跳闸，或是误动跳闸，装置自动投入备用电源。在切换方式上，该装置设快速切换和慢速切换两种模式。快速切换就是在母线残压还没有下降之前，在设 定的频差、相差范围内，投上备用电源。慢速切换作为快速切换的后备，是在快速切换失败后，检查母线 残压，当残压降至（20%40%）的安全值时切换。在附加功能上，快切

14、装置配有以下几种闭锁与报警：保护闭锁为防止备用电源投入故障母线，将反映这一故障的厂高变分支过流保护、分支接地保护引入了装置作为保护闭锁，在保护动作时，快切装置立即关闭所有跳合闸岀口。去耦合及耦合闭锁并联自动切换时，如果由于某种原因使应跳开的断路器未跳开，就有可能造成两路电源长时间并列运行。当两电源并列时间超过 100ms,装置自动跳开后合上的电源，此项功能叫做去耦合；之后快切装置关闭所 有跳合闸出口，发出耦合闭锁信号。断线报警备用电源电压不正常， 装置都会发断线报警信号，不论是母线电压一相或两相电压低， 或是工作电源电压、 同时，断线报警存在时，装置不会自行启动切换。/备用变压器的一次接线运行

15、方式改变，如某些联络断路器断开后，弱联系的我厂 PZH-1 型快切装置的设定值为：允许频差.2Hz允许相差30°允许母线残压30%母线低电压65%母线低电压启动延时2.5 秒外部闭锁快切延时160ms并联切换合备用延时70ms在厂用电源切换中，由于启动系统所带负荷阻抗差异较大时，工作与备用电源之间的电压将存在一定的相位差，即“初始相角”。初始 相角的存在，使手动并联切换时两台变压器之间要产生环流，环流过大时对变压器是不利的。初始相角在20°时，环流的幅值大约等于变压器的额定电流。我厂在工作电源与备用电源进线的控制回路接线中，都 增加了同步检查继电器 BT-1B 进行闭锁。2

16、.2 对不同原理快切装置的评价 前面已经讲述过，接有成组电动机负荷的母线残压特性，是一个多参数、多变量的动态机电过程，它的较 精确的数学解析适宜于以各异步电机的转差率为变量，用步长迭代求解一个多元一次微分方程组。但在工 程实际中，多使用试验测得的大机组厂用高压母线典型残压特性曲线，如附图一。附图一中， A-A '作为不安全区域边界曲线的依据是基于以下的假设。设电动机群等效电动机的启动允许 电压为 1.1 倍电动机的额定电压；设母线上电动机组和低压负荷折算到厂用高压后的等值电抗Xm 与备用电源的内电抗Xs的比值为2 : 1。图中B、C两点是不安全区域边界曲线于母线残压的交点，分别对应着3

17、00ms和470ms，于是也可以认为工作电源断开后的300至470ms是不安全的，不能进行切换。考虑到机组的负荷工况变化，需要对此边界曲线留有一定的安全裕量，修正后得到了B-B '的安全区域边界曲线，由曲线与残压特性曲线的交点可以看出，工作电源断开后的240ms内投入备用电源开关是安全的，这就是上文所述的第一种定时限厂用快速切换原理。同样可以看出，工作电源断开后的500ms后利用同期捕捉技术延时切换也是可行的， 同期捕捉延时切换当前已在一些微机型厂用电快速切换装置中应用成熟了。 定时限厂用快速切换虽然实现简单，但是一方面机组负荷情况变化不定，另一方面事故情况下的厂用母线 电压不可能与经

18、验曲线那样吻合，所以，不检相角、频差就在240ms内快速投入备用电源开关，恰恰有可能碰巧合在了不安全区域内。内蒙古达拉特电厂的厂用快速切换，就发生了在备用电源开关合上后启动/备用变压器分支过流保护动作，导致快切失败，说明了这种原理应用的局限性。我厂 PZH-1 型厂用快切装置采用的是检相差、频差的第二种原理的快速切换，虽然装置的构成与接线较复 杂，在几年来近百次的使用中，整体效果还是不错，快切成功率很高。在 #4机组试运期间发生失磁保护动 作跳机过程中，虽然发电机出口电压及厂用高压母线电压出现大幅度波动，该装置也能保证以慢速切换确 保了厂用电不失压，经受了考验。但是， PZH-1 型装置在我厂

19、的应用也暴露出了厂用快速切换装置的一些不足之处，还有与其进行配合的继 电保护方面的问题，总结如下。问题一：厂用电事故切换过程中，炉引风机、一次风机差动保护频频误动。问题二：PZH-1 型装置在其早期的使用中曾发生误跳备用电源又延时合上备用电源，导致厂用高压母线失压。3 厂用快切对电动机差动保护误动影响的分析及解决3.1特点经多次观察，我们发现差动保护误动有以下特点：1. 差动保护误动仅发生于两台风机电机，5500kw的电动给水泵电机虽偶尔在厂用切换时运行，却从未有差动保护误动发生。2. 差动保护误动仅发生于机组满负荷事故停机的厂用快切过程中，在平时机组带18万kw负荷手动并联切 换厂用时，从未

20、发生过误动。3. 由于锅炉风机电机的差动保护误动发生于汽轮发电机组打闸停机的事故处理过程中，尤其是引风机的突 然跳闸，扰乱了运行参数的调整，给整个热力系统的稳定和设备的安全停机制造了障碍及不安全因素。3.2厂用切换中的电流变化尽管我们关心的是残压问题，差动保护实际上却是一个电流量的保护，下面，我们首先对引风机、一 次风机在厂用切换时的电流变化进行了分析。工作电源跳开，备用电源合上前瞬间的风机电机电流。参照附图一的母线残压特性，依据我厂厂用快切相角偏差30°的定值，可以看出相角偏差30°的时刻大约在100ms左右。从上文中我们已经知道，此时电磁暂态过程已经结束，反映转子磁链守

21、恒的次暂态 电势E''已经开始随转速下降。由于水泵电机的感应电势相比风机电机的感应电势衰落快，所以近似计 算中不考虑水泵电机提供给变压器负荷的反馈电流，此时的厂用高压母线就可以简化为引风机（2800KW ）、一次风机（2000KW ）、送风机（900KW）三台电机反馈电流给四台变压器的恒定阻抗负荷。2d =根据公式，6.33Xn= 40 士 1.0依次计算四个恒定阻抗，取 6.3kv，40MVA为标幺值计算的标准，这时阻抗基准为，则根据查到的变压器负荷潮流（单位：MVA ），有：6一爭锅炉变 ZL=°1川"=180 Z 37° |&宁汽机变

22、 ZJ- 0 236 -爪 E =口4 Z 37 °公用变ZG= 0刃2 =64三37°6,罗除尘变 ZC= ° 29 - jO.2175Z 37°根据各风机启动电流的标幺值求出其次暂态电抗X"=引风机参数为2800kw , le=313A , cos© =0.895，启动电流6倍，则归算至标幺值的 lxl2x(_L)axO.S95 =X" X=6 2.86 31.90一次风机参数为2000kw , Ie=218A , cos© =0.88，启动电流6.5倍，则归算至标幺值的J_x2.x(-L)3 x0.83 =X

23、J J 尸/ 2.06.32.46送风机参数为900kw，Ie=101A，cos© =0.908，启动电流6.24倍，则归算至标幺值的$=6 24 0 9 *3，5.87这时得到了如下的等效电路图:Z1 曙 ZjZtS 2c母线残压Um可先按照残压特性曲线 30°相角差，即刚好达到定值最恶劣允许条件时来确定，查曲线 应在0.90/ -30 °左右。随即可以得到流过恒定阻抗的反馈电流为：Ifn=T =0.90/2647-0.034其中 Z=ZL / ZJ / ZG / ZC=26.47由于几台风机电机感应电势的衰减率很接近，则可以把它们的次暂态电抗并联后合成一台等效

24、电机, 使用一个等效的电势，如图：ZcXHU止STSE=lm X X' ' x II X' ' y/ X ' ' s+Um=0.034 X 1.9/ 2.46/ 5.87+0.9=0.9374接着可以求得吸风机反馈电流IxJ = X、=0.0374/1.9=0.0197为了校核我们求出的此时刻的等效的感应电势E是否正确，可先求出厂用切换前的各个风机次暂态电抗E”0=U0-jI0x U0-I0x ” sin ©引风机_1-xlxo.2|46=10= U0-I0xJT an<|>=313 60.95 8这里，178是引风机电机厂

25、用切换前瞬间的负荷电流安培值。一次风机.0.475 =0-U0-I0x;r Slll(p= 218 6.50.950这里，147是一次风机电机厂用切换前瞬间的负荷电流安培值。送风机&巧 11- xx 0.419 =EJT 0=UQ-I0x dn(r 6.240.957这里，65是送风机电机厂用切换前瞬间的负荷电流安培值。从计算结果可以看出，三台风机的厂用切换前的次暂态电势均比母线残压相角差达30°时风机的合成感应电势E要高一些，这体现了衰减的过程，也表明残压特性曲线在此是适用的。备用电源开关合上后的风机电机电流。仍然使用三台风机等效一台异步电机的模型，并且已经知道，启/备变的

26、短路阻抗Xs归算到6kv后为0.165，可以绘岀等效电路图：llOlorW设 X=X ' ' x/ X ' ' y/ X'' s=1.1,则备用电源开关合上后，电磁暂态过程结束后的稳态电流为:g-EZE 。诧0.165+ 1.1吸风机自启动电流八 = 0.0287IX八=1 X 耳=0.0495 X 19现以吸风机为例，分析在备用电源开关合闸前后的异步电动机电流变化情况，等效电路图中的分析都是在感性电路中，所以认为电流滞后于电压 90°,这并不影响分析，可以绘出相量图如下：1 1.I(则鸭f侥甩电骨ZTO-1图中开关合闸前的电流，由于是

27、输岀，要在滞后感应电势 90°的基础上再反相一次。最后得到的吸风机电 流在暂态过程前后反馈电流 Ix '与自启动电流Ix ''的相角差是150 °，由此可以写出电流的表达式为：tt际氏八 ”1卍 Z150" - IxJJ = 0.0495-HO.0197 - 0.0495)式中第二项即代表衰减的直流分量，其衰减时间常数决定于异步电动机的转子回路电阻，由于异步电动机 的转子回路电阻一般较大，其衰减过程也会在100ms内结束。进一步计算后可知的吸风机电流有名值表达式为1Ix=314+ C125Z ISO'5 -314) C并且可以计算出

28、非周期分量的起始有效值为427A，相对电动机313A的额定电流是很大的。上面以吸风机为例，分析岀了带风机负荷的异步电机在厂用快速切换的过程中，仍有可能遭受衰减较快但 绝对数值较大的非周期分量，这是一次系统方面的因素，可以导致CT饱和，但这也是较难解决的系统方面的固有问题。3.3二次回路方面发现的问题在二次回路方面，我们也发现风机电机的空间位置离配电室较远，从风机电机尾部CT引出的二次电缆到开关柜差动保护安装处的距离，一次风机约120米，吸风机约200米；而电机首部 CT就安装在开关柜本体处。这样，一方面，差动两侧CT的输出阻抗很不一致；另一方面，CT电流进入保护装置还需经过一级中间变流器的二次

29、变流，两侧中间变流器的原边侧阻抗角不一致，在传输电机一次侧岀现的非周期分 量时，进入差动保护内部的首尾侧二次电流就会有较大的偏差，增加了误动可能性。以上的分析，在生产现场实际也曾发生过。国内一家大型石化企业的电气系统，每当高压母线上的一 台大容量电动机启动时，在距离开关室几百米远处的一台运行电动机，其差动保护就会误动。其误动的原 因主要就是上面所分析的情况所致。3.4差动保护装置上发现的问题。我厂大容量电动机采用了珠海万力达公司生产的MCD-10型电动机差动保护装置，该装置在国内首次采用了标积制动原理。该原理的引入，使得当区外故障或正常运行时，标积量表现为很大的制动作用；而区内故障时，标积量为

30、零或负值，从原理上讲能够有效地对大型电动机相间短路提供灵敏保护。由于我厂6kv高压厂用系统采用了中阻接地， 在电动机的差动保护配置上采用了两相4CT的接线形式，即差动相为A、C相。*A*电流相乘并经滤波处理后为K（室中K为比例系数,设电动机首部二次电流为11，尾部二次电流为I2，则保护的动作量为,为正值时，表现为制动量。©为11与I2的相位差），标积量内部故障时，标积量为零，而动作量又很大，装置迅速可靠的动作。当区外故障或正常运行时cos©#1,标积量表现为很大的制动作用，而此时动作量为零，装置可靠动作。装置的构成原理图参见附页 2。从装置原理图可看到，其元件主要由“标积回

31、路”、“差动回路”和“逻辑判别及执行回路”辅助以“电流电压转换回路”、“整流滤波回路”和“记忆保持回路等构成”。为实现标积原理采用了四象限模 拟乘法器。通过分析及试验，我们发现了装置实现原理上的以下缺陷。当厂用快切合上备用电源开关后，岀现了大量的非周期分量，此时动作量的不平衡电流值完全可能达到我 厂保护定值0.4倍的额定电流。标积制动回路的整流滤波模块在四象限模拟乘法器之后，带有大量非周期分量的电流信号首先进入乘 法器。我们知道，非周期直流分量影响下的正玄波电流通过零点的相位会发生很大的偏差，同样，四象限 模拟乘法器对于输入信号过零点时的状态最为敏感。这个标积量中，cos©决定标积量

32、的正负，也就是反映制动量的质，厂用快切冲击产生的分周期分量使本应 相位完全一致的电机首端电流信号与尾端电流信号在某些时刻不同时过零，则cos©为负值，就会失去对差动保护岀口的制动作用，使保护岀口逻辑满足而发生误动。3.5问题的解决从以上几个方面的分析及暴露岀的问题，我们提岀了改进方案，就是采用传统差动保护原理的、抗非周期电流能力强的新型电动机差动保护。在设备最后的选型中，我厂选定了 WPD 240 型电动机差动保护测控装置。其理由如下： 该保护系采用 32 位微机的新型保护，在软件设计上采用了自适应算法和浮动门槛技术，并采用有效的 冗余设计，能克服电动机在自启动、各种外部断路故障时可

33、能出现的非周期分量电流、高次谐波电流的影 响，防止误动作；内部断路故障时，装置能灵敏可靠动作，且精确度高。装置硬件采用有效的冗余设计，采取了多种可靠的隔离措施，安全性好，稳定性强，并具有优良的抗干 扰能力。目前，我厂已经对两台机组共10台MCD-10型差动保护完成了更换，新投入使用的WPD 240微机型电动机差动保护测控装置运行半年来，工作稳定可靠，很好的解决了厂用快切中保护误动的问题。4 PZH-1 型厂用快切装置造成母线失压的分析及思考PZH-1 型厂用电快速切换装置在我厂 #1 机组首次使用的不到一年内曾造成 6KVB 段高压厂用母线两次失 压。这不得不使我们对厂用电安全可靠切换在确保机组稳定运行中的作用特别加以重视。两次失压的事故经过比较相似，机组在打闸停机过程中由发变组保护启动了快切装置，厂用电成功的由工 作