大型水轮发电机出口厂用分支保护配置分析改进

大型水轮发电机出口厂用分支保护配置分析改进

王树柏刘世泽刁国锋

甘肃刘家峡水电厂甘肃永靖731600

摘要：大型水利发电机组的厂用分支一般有断路器配置、断路器与限流熔断器组合配置，针对厂用分支发生短路故障时保护存在问题，比较其保护配置的差异、保护动作后果，分析了限流熔断器的特性与保护配合关系，完善大电流闭锁元件的逻辑功能，使之起到限流熔断器的后备保护作用，最后给出了一个应用示例。

关键词：厂用分支；限流熔断器；继电保护；大电流闭锁

1引言

随着大型水利发电机组在电力系统中的不断增加，发电机出口短路电流越来越大，机组出口厂用分支配置的传统断路器逐渐不能满足电路电流开断要求，目前开始采用限流熔断器方案限制短路电流，来达到快速切除故障、保护发电机的目的。随着一次设备的改变，继电保护的相应配置和配合关系也有所改变，本文就此进行比较和分析。

2断路器配置

2.1保护配置

对于大型水电机组厂用分支变压器，其保护配置一般与普通变压器基本相同，根据《继电保护及安全自动装置技术规程》规定，水电机组出口厂用分支变压器一般采用差动保护和三段式过流保护。同时为保证变压器高压侧断路器开断电流不超过断路器的额定开断电流，设置了大电流闭锁元件，当短路电流大于断路器开断电流时闭锁断路器分闸功能。

大电流闭锁元件动作值，应根据短路电流计算确定。当厂用分支变压器高压侧短路时，将远大于厂用断路器的额定开断电流，断路器强行分断将引起断路器爆炸，因此设置大电流闭锁元件，根据高压侧断路器的额定开断电流取1.5倍的可靠系数设置电流定值，当达到该定值时，瞬时闭锁高压侧断路器分闸。

差动保护作为厂用分支变压器的主保护，当区内发生短路故障时，跳开厂用变高、低压侧断路器，切除故障，动作时间与大电流闭锁元件配合，应大于大电流闭锁元件固有动作时间。保证在发生故障时，当故障电流小于断路器开断电流时，由断路器瞬时切除故障，当故障电流大于断路器开断电流时，不再动作于断路器跳闸，而由发电机解列灭磁停机来切除故障电流。

三段式过流保护作为厂用分支变压器内部故障和厂用母线故障的后备保护，首先以较短时限跳开变压器低压侧母联断路器，隔离故障点以缩小故障范围，如果故障在区内继续存在，以较长延时动作跳开厂用变高、低压侧断路器，从而切除故障，如果故障还未切除，则以长延时动作于机组全停。

2.2存在问题

根据上述分析，在厂用分支变压器低压侧发生短路故障时，差动保护和过流保护能够按照保护设计原则有选择性的动作切除故障点；但在厂用分支变压器高压侧或其引出线上发生故障时，由于短路电流很大，超出了厂用系统正常设计的短路电流水平，厂用保护和起后备作用的发变组保护均不能以最短时间切除故障，有可能对发电机、变压器等设备造成冲击损坏。

3断路器与限流熔断器组合配置

采取断路器与限流熔断器组合方案，能够限制短路电流，快速切除故障点，一次系统图见图1。相应地需要完善厂用保护中大电流闭锁元件的动作逻辑，作为限流熔断器的后备保护。当限流熔断器拒动时，增加大电流闭锁元件启动机组保护的动作出口，快速停机，达到保护厂用分支变压器、主变及发电机等设备的目的。

3.1限流熔断器原理

限流熔断器由FS、FU、FR及相应的控制装置组成。FS即桥体，作用是通过正常的额定电流，当故障时在控制装置的作用下断开故障电流，FU为小电流的熔断器，其作用是限流截断、产生弧压，并发出信号，FR为氧化锌非线性阀片，作用是限制操作过电压，吸收能量，并快速将电流衰减至零，最终中断电源点提供的故障电流。

当发生短路故障，电流上升时，控制装置通过检测di/dt等条件判断是否达到动作值，动作后在3ms时间内开断FS，故障电流转由FU供给短路点，在此过程中FS断口不会燃起电弧，易于绝缘恢复，电流在FU中经0.5ms熔断，短路电流被截止，FU产生的弧压使得FR导通，由于FR的非线性特性，所通过的故障电流快速衰减，达到切除故障的目的。限流熔断器动作具有快速性，在第一个半波内短路电流未及升至最大值时及切除故障，达到了限流目的。

3.2断路器与限流熔断器的配合关系

采用断路器与限流熔断器组合能满足正常运行和故障动作要求，正常操作由断路器进行，较小短路电流的故障由断路器切除，较大短路电流由限流熔断器切除，限流熔断器只要有一相动作，则联跳断路器，此时断路器不切断故障电流。

3.3限流熔断器加断路器配置方案的主要特点

优点：不会发生机械拒动；动作快，使发电机等主要设备不受峰值电流的冲击；使得断路器只用来开断额定电流和一般较小短路电流，延长使用寿命和检修周期；限流熔断器与断路器联动，可快速切除厂用分支故障，发电机可以继续发电，经济效益好。

缺点：设备本身的运行监视手段减少；对控制装置的防干扰要求较高；限流熔断器动作后，需要厂家专业人员更换桥体FS和熔丝FU，不能及时恢复，停电时间较长。

3.4完善厂用保护中大电流闭锁元件的动作逻辑

断路器与限流熔断器组合方案基本满足一次系统故障对厂用保护的要求。但该装置对产品硬件技术和工艺要求较高，考虑拒动情况，对原有的大电流闭锁元件动作逻辑进行完善，在闭锁断路器的同时增加启动机组保护停机的出口，在限流熔断器正确动作时，电流在10ms内被断开，大电流闭锁元件可靠返回，当限流熔断器发生拒动时，电流不能被快速切除，大电流闭锁元件将启动快速停机，达到保护厂用分支变压器、主变及发电机等设备的目的。

4实际应用

陕西某电厂，机组为发变组单元接线，主变高压侧设断路器，与110kV线路连接，发电机出口带厂用分支，配置断路器与限流熔断器组合。机组配置单套发变组保护，厂用分支变压器配置过流保护及大电流闭锁元件一套。

该机组厂用分支厂用变压器高压侧电缆接头绝缘损坏，先发生C相接地，后发展为A、C两相接地短路，限流熔控制装置动作、10ms之内断开桥体FS及熔丝FU，同时启动厂用分支断路器跳闸，断开了故障点，发电机机端电压和电流经过约5个周波后恢复正常，机组继续正常运行。故障录波图见图1。

此例中，故障短路电流超过厂用分支断路器的额定开断电流，如按照传统配置，则将以较长延时动作于机组停机；采取断路器与限流熔断器组合配置方案后，该故障不影响机组正常运行，仅需要及时更换限流熔断器相关附件即可再次投入运行。

5结论

1）采用断路器与限流熔断器组合方案，可以瞬时切除厂用分支变压器高压侧短路故障，保证发电机继续正常运行。

2）完善大电流闭锁元件的动作逻辑，可以防止断路器在大电流下开断，同时在限流熔断器拒动时瞬时联动机组停机，加快了保护动作时间，降低了发电机等主设备运行风险。

参考资料

[1]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术.中国电力出版社

[2]GB/T14285继电保护及安全自动装置技术规程.中国电力出版社

[3]DL/T5164—2002《水力发电厂厂用电设计规程》.中国水利电力出版社

[4]DL/T5186—2004《水利发电厂机电设计规范》.中国水利电力出版社