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摘要：結合《繼電保護和安全自動裝置技術規程》、《大型發電機變壓器繼電保護整定導則》、《二十五項反事故措施》等 技術規程、規范的要求，以及汕尾電廠兩臺 600 MW 機組的工程實踐，對大機組發變組保護雙重化、發電機保護、變壓器保 護、500 kV 升壓站的系統保護、廠用電保護、廠用電源切換裝置、勵磁系統等自動裝置的配置、整定等應用中的若干問題 進行了粗淺的討論，供設計和運行單位參考。
0 引言
汕尾電廠#1、#2 機組電氣系統簡介：發電機 為 QFSN—600/2， kV， MW; 22 600 主變壓器為 720 MVA， (52522.5%) kV/22 kV;廠高壓變壓器 2 臺，其 中一臺為 40/25-25 MVA 三相分裂繞組變壓器，一臺 為 32.5 MVA 雙繞組變壓器，(2281.25%) kV/6.3 kV;兩臺機組共用一臺備用變壓器，40/25-25 MVA 三相分裂繞組變壓器，11081.25%;500 kV 升壓 站為 3/2 接線,500 kV 出線兩條; 發電機出口設開關; 每臺機組 3 段 6 kV 母線;發變機、變壓器、高廠變、 勵磁變保護采用美國 GE 微機保護。
1 關于發變組保護雙重化
自《二十五項反措》(以下簡稱《反措》)頒 發以來，對保護雙重化的含義，從保護生產廠家、 設計部門到保護應用單位曾一度引起不少爭論。例 如：《繼電保護和安全自動裝置技術規程》(以下簡稱《技規》)規定："對 300 MW 及以上汽輪發 電機變壓器組，應裝設雙重快速保護，即裝設發電 機縱聯差動保護、變壓器縱聯差動保護和發電機變 壓器組共用縱聯差動保護;當發電機與變壓器之間 有斷路器時，裝設雙重發電機縱聯差動保護"。同 時《技規》2.1.11 中規定："為了便于分別校驗保 護裝置和提高其可靠性，主保護和后備保護宜做到 回路彼此獨立"。而《反措》規定："100 MW 及以 上容量的發電機變壓器組微機保護應按雙重化配 置(非電氣量保護除外)保護。在雙重化配置中的 每套保護均應含完整的差動及后備保護"。從以上 規定可知《技規》強調的是保護區間的雙重化，主 后備保護二次回路獨立，而《反措》強調的是裝置 的雙重化。
如果要同時滿足《技規》和《反措》的要求， 即需配置兩套發電機保護、兩套主變保護、兩套發 變組保護，且每一套保護的主保護和后備保護 CT 分開，在保護區間雙重化后的兩套保護的主保護和 后備保護的 CT 獨立，包括計量用 CT 后，在機端至少要加裝 7 組 CT; 而在主變高壓側還要裝設有兩組 T 區保護 CT 和關口計量 CT，這樣在主變高壓側就 要裝設至少 10 組 CT。而現場的安裝條件是難以滿 足保護對 CT 數量的要求。借鑒線路微機保護、國 外發變組保護的集成度已經很高，主保護與后備保 護共用 CT 也有了相當長時間的運行經驗，汕尾電 廠采用了保護裝置的雙重化，主備保護共用 CT 和 PT，沒有配置發變組大差。
《反措》中明護雙重化配置的電氣主設備 有：發電機、主變壓器、啟動變壓器保護宜采用保 護雙重化配置。但是，對高壓廠用變壓器和勵 磁變壓器保護是否采用雙重化配置，沒有明確規 定。高壓廠用變壓器的運行時間遠大于啟動變壓 器，其重要性也不亞于啟動變壓器。因此，對高壓 廠用變壓器保護，也按雙重化配置。
汕尾兩臺的 600 MW 發變組保護配置為：電氣 量保護配置為 2 套完整的發電機保護、2 套完整的 主變壓器、2 套完整的高廠變保護，1 套非電氣量 和勵磁變保護，每套保護裝置均包括"主保護+后 備保護"。
2 關于發電機匝間保護
汕尾電廠發電機每相有兩個并聯分支，但每相 的并聯分支在中性點沒有引出端子，無法裝設單繼 電器式橫差保護。根據《技規》規定："50 MW 及 以上發電機，當定子繞組為星形接線，中性點只有 三個引出端子時，根據用戶和制造廠的要求，也可 裝設專用的匝間短路保護"。考慮到汕尾電廠發電 機存在同槽同相繞組，因此裝設了縱向基波零序過 電壓保護和負序功率閉鎖元件組成的匝間保護。發 電機匝間保護按雙重化配置，兩套匝間保護 3U0 分 別取自匝間保護專用 PT 的兩個二次開口三角形繞 組。
關于匝間保護 CT 變比的選取問題，《大型發電 機變壓器繼電保護整定導則》中建議的電壓動作值 門 檻 為 2 ～ 3 V ， 如 果 匝 間 保 護 的 PT 變 比 為 (UN/ 3 )/100 V，那么該值是表征保護動作門檻值 為一相繞組的匝間短路比為 2%～3%。但很多設計選 取的 PT 變比為(UN/ 3 )/(100/3)，由于 PT 變比增 大，如果仍以 2～3 V 來整定，保護動作的門檻值則 變為一相繞組的匝間短路比為 6%～9%，保護的動作 區會縮小。
3 關于轉子接地保護
根據《技規》規定："100 MW及以上的汽輪發 電機，應裝設勵磁回路一點接地保護裝置，并可裝 設兩點接地保護裝置"。汕尾電廠采用的GE發變組 保護沒有轉子接地保護，轉子接地保護(見圖1)采 用ABB勵磁系統自帶的向轉子疊加50 Hz電源的交流 電橋原理的轉子一點接地保護，該保護的動作原理 是R、CX、及轉子接地阻抗組成一個電橋，轉子接 地阻抗越小，則在電壓繼電器動作線圈上產生的電 橋的不平衡電壓越大，當該電壓大于動作門檻設定 值時，轉子接地保護動作。原設想再裝設相同原理 的一套轉子接地保護或國內常用的切換采樣(乒乓 式)原理的轉子接地保護以實現轉子接地保護的雙 重化，但由于正常運行時兩套接地保護之間相互影 響，正常運行時也只能投入一套，因此汕尾電廠只 裝設了一套發電機轉子一點接地保護。同時參考60 萬kW及以上的大機組轉子接地保護的實際運行情 況，在轉子一點接地后動作跳閘，因此沒有配置轉 子兩點接地保護。
圖 1 轉子接地保護原理圖
4關于廠用電切換的方式選擇
汕尾電廠發電機出口裝設了斷路器，機組啟動 時從 500 kV 系統經主變倒送電到廠用電，無需專用 的啟動變。兩臺機組配置一臺備用變作為機組檢修 時用的電源，由于容量有限，備用變帶不了一臺機 組的廠用電負荷，因此 6 kV 工作電源切至備用 電源是按慢切來設計的，即在母線低電壓保護切除 大部分電機負荷后投入備用電源。由于 6 kV 母線的 負荷中有機組的保安電源，如果采用快切，對保安 電源的恢復是有好處的。經過考慮備用變容量和保 安電源可靠性的需要，只對接有保安電源的 6 kV 的 一段母線的備用電源的切換采用快切方式，而其它 二段 6 kV 母線段采用了慢切方式。
5關于 CT 和保護電流回路的選型
由于 500 kV 系統和大容量發電機組的一次時間 常數大，短路電流有較大的暫態非周期電流分量， 電流互感器暫態飽和嚴重，因此 500 kV 系統和大容 量發電機組宜選用 TPY 級 CT，并按外部三相短路 C-O 工作循環(暫態誤差按不超過 5%)或外部線路 單相重合閘 C-O-C-O 工作循環(暫態誤差按不超過 10%)來校驗 TPY CT 的暫態誤差是否滿足要求。因 為 P 級 CT 對剩磁不作限制，電流互感器在嚴重飽和 后還可能有很大的剩磁，剩磁在正常運行時不易消 除，在再次短路時，將嚴重影響電流互器器的暫態 特性,在差動保護二次側產生較大的差流，易引起 保護誤動，如沙角 C 廠的 500 kV #2 主變 T 區保護 采用的是英國的 X 級 CT(相當于我國的 PX 級 CT， 這類電流互感器的準確限值是由一次電流為穩態 對稱電流時的復合誤差來確定的)，在 2005 年 1 月 30 日在 500 kV 沙香線線路故障時，引起#2 主變 T 區保護誤動引起#2 機組全停。為此本廠在 500 kV 線路保護、T 區保護、主變差動及發電機差動保護 選用了 TPY CT。
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由于制造工藝及現場安裝位置所限，主變差動 保護低壓側 CT 只能選取二次側為 5 A 的變比為 25000/5 的 TPY 的 CT，高壓側的 TPY 只能選取二次 側為 1 A 的 2000/1 A 的 TPY CT。雖然可以在二次 側加裝輔助互感器解決 CT 二次額定電流不一致的 問題，但無疑會引起二次回路的復雜和影響差動保 護的可靠性(二次側輔助互感器在大的短路電流時 有可能飽和)。由此要求保護具有 1 A 和 5 A 兩種 CT 的交流采樣模塊和較高的差動平衡系數。
6 關于主變零差保護
由于汕尾電廠主變高壓側中性點為分級絕緣， 絕緣電壓為 35 kV，因此主變中性點采用固定接地 方式，考慮變壓器高壓繞組常見故障為單相接地 短路，而零序差動保護的不平衡電流小，動作整定 電流小，對單相接地短路有比相間差動保護(主要 反應相間、 匝間短路， 對單相接地也有一定靈敏度) 更高的靈敏度，因此在主變高壓側增設了比率制定 的零序差動保護。 由于在升壓站 GIS 內汕尾電廠 CT 選用的是 TPY 型 CT;由于中性點套管大小所限，在 主變本體上的中性點套管 CT 只能選用 5P 級 CT; 如 果要在中性點安裝 TPY 型 CT， 則只能安裝在變壓器 本體外。經過與設計院協商，綜合考慮安裝位置和 投資， 零差保護終采用了主變本體中性點套管 5P 級 CT。因此，考慮非周期分量對兩種 CT 的傳變影響，在零差保護投入運行時先投入信號，在積累一 定的運行經驗后，確定是否投跳閘。
7關于 500 kV 采用 T 區保護還是短引線保 護的問題
汕尾電廠 500 kV 升壓站主接線為二分之三接 線，I 期工程為兩串。汕尾電廠 500 kV 升壓站在二 次接入系統審查時，確定采用串內短引線保護。但 由于串內安裝位置所限，串內每個 CT 只有兩個保護 用 TPY 二次繞組，因此，每套發變組差動必須和每 套短引線保護共用 CT 的二次繞組，這樣在變壓器檢 修或變壓器保護校驗而變壓器所在的一串開關繼續 運行時，需要在二次端子排上短接變壓器差動保護 用的 CT 回路，并需要投入短引線保護，二次回路復 雜，易引起"三誤" 。根據《技規》中的規定： "為 了便于分別校驗保護裝置和提高其可靠性，主保護 和后備保護宜做到回路彼此獨立" 。經過與設計院協 商，終采用串外式 CT，線路保護與 T 區保護在二 次回路上分開，變壓器差動保護和 T 區保護在二次 回路上分開， 保證了保護的二次回路簡潔; 區保護 T 正常投入，不存在 T 區保護和主變差動保護的投切 操作; 計量 CT 回路不用取用和電流， 二次回路簡潔。
8電弧光原理的母線保護
《技規》中沒有規定 6 kV 單母線要裝設母線電 流差動保護， 而且一般電廠 6 kV 母線上的負荷較多， 安裝在 6 kV 開關柜內的 CT 二次繞組一般只有一個 保護用二次繞組和一個計量用二次繞組，也不便裝 設母線電流差動保護，一般 6 kV 母線的短路在設計 上是由所接的工作變壓器或備用變壓器低壓側開關 的分支過流保護來動作。而這些分支過流保護的動 作時間是按與下級電源系統逐級配合來確定的， 由于 火力發電廠的廠用電電源分級較多， 保護在時限上逐 級配合使 6 kV 廠用分支過流保護的動作時間有時可 達到 1～2 s 左右，如此長的動作時間在 6 kV 母線短 路,短路電流又比較大的情況下，對高壓廠用變壓器 來說是非常不利的。因此，汕尾電廠在每個 6 kV 開 關柜內裝設了電弧光保護作為母線短路時的保護， 其 動作原理是在每個開關柜內裝設有光感應探頭和 光電轉換器，當有電弧光時，光感應探頭的光信號 通過光電轉換器轉變為電信號，電信號動作于出口 繼電器跳開母線的電源開關。該保護的動作時間不 超過 100 ms， 可以大大縮短母線短路時的切除時間。 使用該保護應注意的幾個問題：由于測量電弧光的探頭相當靈敏，用一般的手電簡的光線照后均可觸 發，因此廠家一般配有母線電源開關過電流閉鎖裝 置。對開關母線室有觀察孔，此電流閉鎖定值應大 于一臺電機起動時流過母線電源開關的總電 流值，以防止電機啟動的同時(電廠電機啟動相對 比較頻繁)運行維護人員打開母線照明燈或用電筒 檢查母線引起的誤動。另外，對采用備自投或快切 的母線接線方式，電弧光保護動作后應閉鎖母線的 備自投或快切裝置。
9 關于勵磁系統的過電壓保護值的選取
圖 2 滅磁和過電壓原理圖
汕尾600 MW機組勵磁系統為自并勵系統，勵磁 系統選用的是ABB公司的UNITROL 5000。該勵磁系 統滅磁時的原理(見圖2)為：當磁場開關斷開時， 通過磁場開關輔助觸點動作于K1和K2繼電器，K1和 K2的輔助觸點導通后，通過V3二管上的電壓觸發 可控硅二管V1，V1導通滅磁SiC電阻進行滅磁。
該勵磁系統在轉子發生過電壓時的釋能原理：當發 生正向過電壓時，正向過電壓通過V3、V4、V7觸發 V1000過電壓觸發單元，V1000導通后，加于V8二 管的反向電壓使V2可控硅導通從而接通SiC電阻進 行釋能以消除過電壓;當發生反向過電壓時，反向 過電壓通過V8、V6、V5觸發V1000過電壓觸發單元， V1000導通后，加于V3二管的反向電壓使V1可控 硅導通從而接通SiC電阻進行釋能以消除過電壓。 對勵磁系統滅磁電阻的選擇在《大型汽輪發電機自 并勵靜止勵磁系統技術條件》中5.5條規定：在強 勵狀態下滅磁時發電機轉子過電壓值不應超過4～ 6倍勵磁額定電壓值。同時規定轉子過電壓保護電 阻的選取應使發電機轉子過電壓保護動作值應高 于強勵后滅磁和異步運行時的勵磁電壓值。以上規 定是針對滅磁電阻和過電壓電阻沒有共用(國內很 多勵磁廠家滅磁電阻和過電壓電阻分開的)的情 況。但是，國外如ABB的勵磁系統、英國RR公司勵 磁系統的滅磁和過電壓保護共用一個SiC電阻，只 是滅磁和過電壓的觸發回路不同(見圖2) 。此SiC 電阻的阻值只能按一個原則選取，從保護發電機轉 子的角度來考慮按前者即稍低值來選取，取2 200 V 值設定。 參考文獻
[1] 繼電保護和安全自動裝置技術規程[Z].
[2] 大型發電機變壓器繼電保護整定導則[Z].
