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摘要：本文以某电站水轮发电机一次负序过负荷保护误动作事件为源点，介绍了发电机电气制动的基本原理及特性、保护装置负序电流采样原理、负序过负荷保护原理，分析了保护误动的原因，总结了发电机电气制动对发电机负序过负荷保护及其他相关继电保护运行的影响。并提出了解决方案。
关键词：电气制动；继电保护；负序过负荷；处理措施
1、引言
某电站装机容量240MW，配置2台法国ALSTOM原装进口的冲击式水轮发电机组，在电网中，主要担任调峰、调频的任务。为了满足电网调峰、调频所需的快速开停机性能，机组停机过程采用电气制动技术，较大程度地改善了机组正常停机运行工况，缩短停机时间。但电气制动系统的使用，也带来了新问题：电气制动投入后，机组的电气连接方式发生改变，对继电保护的测量、逻辑判断产生了影响。若不合理解决，将会影响机组的正常运行产生。发电机负序过负荷就是该电站受到电气制动影响后误动作的保护功能之一。
发电机负序电流在定、转子气隙间产生的负序旋转磁场，在转子表层感生倍频电流后，会在转子端部等分流较大的部位形成局部高温而灼伤转子，甚至导致护环松脱，造成机组严重破坏。此外，由负序磁场产生的2倍交变电磁转矩会使机组产生100 Hz振动，引起金属疲劳和机械损伤。鉴于负序电流以上危害，发电机配置负序过负荷保护反应于定子绕组负序电流大小而动作，以保护发电机转子，防止表面过热损坏。
本文从电气制动原理、保护装置负序电流采样原理、负序过负荷保护原理等方面入手，查找某水力发电机组停机过程中电气制动后负序过负荷保护误动作的原因，分析发电机电气制动对负序过负荷保护等继电保护的影响，并提出了关于解决方案的建议。
2、故障经过
2.1误动保护相关情况
某电站机组额定容量为120MW，额定电压为13.8 kV，额定电流为5578 A，对应二次值为3.78 A（若无特殊说明，以下电流均以二次值表示）。根据相关整定要求，机组保护装置中投人反时限负序过负荷保护功能，启动电流I2szd=0.50A，长期允许负序电流I2l=0.2A，发热常数A=20。2013年11月26日10时36分，在2#机组停机电气制动过程中，2F发变组保护屏B套发电机反时限负序过负荷保护动作，电气事故停机流程启动。
2.2 检查试验情况
分析故障录波图，发现三相电流幅值、相位均正常对称，未见异常。检查上位机事故时电流采样，三相等幅对称。两者相互核实，基本确认故障时一次回路未有异常，保护属于误动作。
在CT 111（负序过负荷保护用CT）本体二次侧出线端加1A、2A、3A三相电流，检查保护触摸屏采样，相位、幅值正确，确定二次回路及采样通道良好。对发变组保护装置发电机反限负序过负荷保护进行校检，未见异常。
在CT 111、CT 110（备用）二次回路串接电流表，做对比试验。开机至空转后停机，在电气制动投入时，观察保护装置电流通道采样，发现A、B套发变组保护装置发电机机端及及中性点三相电流周期性大幅波动，正序电流恒定为1.92A负序电流恒定为0.68A（大于负序电流启动值），零序电流为0。同时，对比串入回路的电流表测值，负序过负荷保护用CT回路及备用CT回路串接电流表测值都十分稳定，无负序电流，无幅值波动现象。
3、原因分析
3.1保护装置动作逻辑及原理分析
机组负序过负荷保护动作逻辑如下图1所示。
图1：机组反时限负序过负荷保护动作逻辑
反时限保护由三部分组成：①下限启动，②反时限部分，③上限定时限部分。
上限定时限部分设最小动作时间定值。
当负序电流超过下限整定值I2szd 时，反时限部分起动，并进行累积。反时限保护热积累值大于热积累定值保护发出跳闸信号。负序反时限保护能模拟转子的热积累过程，并能模拟散热。发电机发热后，若负序电流小于I2l 时，发电机的热积累通过散热过程，慢慢减少；负序电流增大，超过I2l 时，从现在的热积累值开始，重新热积累的过程。
根据以上保护逻辑及装置电气制动中采集的负序电流值（0.68A）可知，当电气制动投入后，反时限负序电流保护已启动热量累积，只要达到设定值，即动作跳闸。据了解，在保护误动前，相关人员正在在对机组的空载震动情况进行检查。在2个小时内，进行了3次空转到停机之间的状态转换。由此做以下判断：由于状态转换集中频繁，散热不及，在此前3次状态转换过程中，迭加生成较高的热积累值。在保护误动的这次电气制动过程中，热量在前面基础上继续累积，在制动过程结束前达到了热量设定值，保护动作。监控接到动作信号，启动电气制动停机流程。
据此结论，保护装置逻辑正确，判断无误，保护误动与保护装置逻辑判断无关。保护误动的直接原因是保护装置负序电流采样异常。
3.2保护装置负序电流采样异常原因分析
对2#机组保护装置运行期间的电流采样数据分析发现：保护装置的负序电流采样异常只发生在电气制动阶段且每次都发生，正常运行发电时，从未出现。由此我们判断，故障情况和电气制动的投入有密切关系。
3.2.1电气制动工作原理及特性分析
发变组保护选用南瑞的RCS-985型微机发变组保护装置。保护装置中负序电流的测量需要使用负序滤波器或负序滤波算法，负序电流测量结果与测量对象频率有关，如果发电机频率异常时装置采用频率跟踪技术，自动调整采样频率，自适应频率范围为42-55Hz，以保证在频率异常状态下负序电流计算准确性。若发电机频率低压42Hz或大于55Hz，装置不能自适应调整采样频率，计算将产生很大的误差。在电气制动时发电机定子三相被短路，这时采用机端电压互感器电压测频回路将失去测频信号，装置默认频率为50Hz。当转速降至50％至60％ 的额定转速投入电气制动时，装置采样频率不能自适应跟踪发电机频率，按照公式（3）将计算出负序电流，如果大于负序过流保护定值及延时，负序过流保护将动作。
由此结论：保护装置所测量到的负序电流并不是一次设备上真正存在的负序电流，而是因为电气制动投入时机组的定子电流频率很低，超出保护保护装置的自适应范围，采用默认频率测量计算负序电流，不能正确测量负序电流大小所致。
4、电气制动停机对继电保护的影响和处理措施
4.1 电气制动系统对其他保护的影响
除了负序过负荷保护外，差动保护也同样受到电气制动的影响。由于电制动短路开关DZK位于发电机差动和发变组差动保护之内，电制动时，相当于三相短路故障，在纵差保护回路中将形成低频不平衡电流，该电流即发电机定子绕组中的制动电流，约为6700A，为1.2倍发电机额定电流，大于发电机和发变组差动保护的设定值（0.3倍额定电流），所以在差电流和频率的影响下，会导致发电机和发变组差动保护误动。此外，电气制动时，电流回路含有大量的谐波成分。反映以上故障特征而动作的保护在电气制动期间都有可能出现误动。
4.2电气制动引起继电保护误动的防范措施
在电气制动停机过程中是先合上制动短路开关DZK，然后进行相关操作，因此可以利用短路开关DZK的辅助接点闭锁相关保护。电气制动过程中，机组开关一般都是跳开的，为了增加可靠性，也可用机组出口开关位置信号和电气制动短路开关合机组出口开关分双节点闭锁的方法。
某电站保护中引入短路开关DZK的辅助接点作为发电机、发变组差动保护、发电机负序过流保护的闭锁条件，在正常停机电气制动过程中闭锁跳闸出口及发信，而在正常运行时不闭锁。经过几年运行，目前情况良好。
参考文献：
[1]许时章．电机学【M】．北京：机械工业出版设，1996.
[2]陈海龙，赵斌.三峡右岸电站电气制动停机对继电保护的影响.水电站机电技术，2004（4）（专辑）：28～30.
[3]RCS-985大型水轮发电机变压器成套保护装置技术和使用说明书. 南瑞继保 2010（3）：51～53.
论文作者:杨万伟
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
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