周荣斌，余 冬，张武洋

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

发电机出口断路器失灵保护方案改进研究

周荣斌1，余 冬1，张武洋2

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

对现阶段常规机组配置的失灵保护进行了研究，并在硬件回路和软件逻辑上进行了改进，在一定程度上完善了发电机出口断路器失灵保护方案。

发电机出口；断路器；失灵保护；直流监视

从机组启动、保护主变及减少对电网的影响考虑，大型水轮机组及大容量火电、核电机组一般都装设发电机出口断路器 （GCB）。为防止直流接地，尤其是直流两点接地或单一的开入监视在硬件回路故障时，保护装置误判断路器失灵开入置“1”，导致断路器失灵保护误动，对电网及电厂产生严重后果。目前很多继电保护厂家GCB失灵保护大多经相电流、负序电流进行闭锁，在发电机内部发生严重故障时，会产生较大故障电流，GCB失灵保护可以可靠动作。但对于定子接地、逆功率等保护动作并在GCB失灵时，由于故障电流较小，经电流判据的GCB失灵保护将出现拒动［1］。同时，发电机出口断路器由于连杆断裂造成单相失灵时，由于发电机中性点经接地变高阻接地，此时单相故障电流可能小于断路器失灵保护电流判据而不能启动断路器失灵保护，导致发电机故障不能切除。

1 GCB失灵保护逻辑现状

现有的GCB失灵判据通常取三相断路器跳位辅助接点串联用于判断断路器位置，通过保护动作开入与电流判据做与门判断断路器失灵，常规配置的GCB失灵保护逻辑如图1所示。根据 《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》相关规定，正序电流一般整定为1.2～1.3倍额定电流，负序电流整定为0.1～0.2倍额定电流。根据电厂及调试人员现场反馈，当GCB跳闸，如定子接地、转子接地、励磁故障保护动作跳闸、GCB三相及单相拒动时，发电机出口断路器失灵保护可能无法动作［2］。而对于某些机械故障导致某一相机构拒动时，故障电流很小，可能小于保护整定的 “失灵相电流”、“失灵负序电流”，GCB失灵保护也无法动作。

2 GCB失灵保护硬件设计方案

图1 常规失灵保护逻辑

为防止长电缆直流接地后电容电流导致保护装置误开入，引起误启动失灵保护动作，其他屏保护动作接点经大功率重动继电器后输入。开入回路采用双开入，2个开入量同时置 “1”，才认为该失灵开入有效，外部设计回路如图2所示。

图2 硬件启动回路

由于大型机组均为双套保护配置，单个保护装置开入硬件回路异常，另一套保护依然可正确动作，因此，双开入设计方案并不会造成2套保护拒动［3］。

如直流正端接地后，在动作接点的输出端再发生接地将导致动作接点被短接，给本屏有其他保护动作的假象，从而误启动失灵保护，因此保护装置配置2个直流电压光耦监视回路，如图3所示。

图3 光耦监视回路

保护装置对光耦监视1和光耦监视2取与门，当无接地时，保护动作接点开入，此时监视回路1、2均动作，GCB失灵保护直流监视开入为“1”，失灵启动经失灵电流低值。当直流发生一点接地后，其中1个监视回路被短接，接点返回，此时保护装置失灵电流经失灵电流高值闭锁。

3 GCB失灵保护逻辑改进

在对GCB失灵保护硬件回路改进的基础上，对GCB失灵保护内部逻辑进行改进。完善其应对定子接地、转子接地、励磁故障等保护动作下的失灵情况。

3.1 三相断路器失灵判据

与常规GCB失灵判据相比，改进后的逻辑为防止断路器辅助接点动作不可靠或电缆接线松动，导致断路器实际跳开，而误认为仍然处于合位的情况，以三相有流判据代替GCB辅助接点开入，增加直流光耦监视开入。当保护动作接点开入置“1”、机端三相有流判据满足、保护软硬压板及控制字投入、直流电源正常时，机端电流最大相大于失灵相电流低定值或机端负序电流大于K倍的正序电流时，经延时启动失灵保护，逻辑如图4所示。

图4 三相失灵逻辑I1——表示机端正序电流；I2——表示机端负序电流

对失灵相电流可能小于额定电流的某些故障，如发电机定子绕组单相接地、定子绕组匝间短路等，当断路器失灵时，为保证相电流元件可靠动作，失灵相电流低定值应按小于发电机组正常最小负荷电流计算 （为提高安全可靠性，相电流元件可采用双重化与门判据），取0.8倍最小负荷电流，一般大型发电机组正常最小负荷电流小于0.5倍额定电流，因此取0.2～0.4倍额定电流［4］。机组出现异常或故障时，发电机保护跳闸出口方式分全停或程序跳闸，当三相开关失灵，最终进入发电机进相状态，此失灵相电流低值需在发电机安全进相试验时可靠动作，当直流监视开入异常时，逻辑图与图1一致。

3.2 非全相断路器失灵判据

通常GCB由于电气或机械联动，不考虑非全相运行情况，但在实际运行中，曾出现过由于机械连杆断裂导致GCB非全相的情况。由于发电机侧为小接地系统，单相拒动时，失灵相电流将无法正常启动GCB失灵保护，因此，对于此类情况造成的GCB失灵大型机组一般在机端断路器的上下两侧都配有三相TV。通过比较两侧TV自产零序电压大小判断GCB两相或单相失灵，如图5所示。断路器处于合位t1后，投入不一致判断，断路器在分位时退出。当出现不一致后开放时间t2，开放时间满足大于失灵保护时间即可。其中GCB两端3U0差大于αUn，用于判断是否出现机构三相不一致 （如机械连杆断裂），导致某一相或某两相拒动。由于需要借助GCB两端TV自产零序电压判断是否出现不一致，当判断出机端TV断线时，该判据应退出，机端TV断线判别本身有延时，本处不设置延时。

图5 非全相失灵逻辑3U0——两侧自产零序电压；Un——机端额定电压；a——可整定系数

图6 失灵直跳逻辑判据

考虑机端TV断线闭锁GCB两端3U0差大于aUn判据，增加中性点零序电压作为补充开放失灵保护，如图6所示。当机端出现两相或单相失灵时，保护动作接点开入，中性点零序电压大于正常不平衡电压，开放断路器失灵保护［5］。中性点零序电压判据缺陷：在发生单相接地时，故障相失灵时，断路器失灵保护无法开放，可增加直跳逻辑定子接地保护动作后，t时间后断路器跳闸位置接点未返回启动失灵保护跳闸。

4 结束语

分析了以发电机机端相电流、负序电流为判据的常规GCB失灵保护缺陷，根据发电机断路器失灵相别，分为三相失灵和非全相失灵，提出结合电流电压为判据的新思路。保护动作接点动作后，通过判断三相有流确定三相失灵后，降低电流保护定值提高三相失灵保护灵敏性。通过机端两侧TV自产零序电压幅值比较及中性点零序判据为补充，判断开关非全相失灵，启动失灵保护。目前常规电厂配置断路器失灵保护的发电机保护装置一般只接入机端一侧TV，随着数字化电站保护的应用，该保护原理将得到应用，完善大型电厂发电机出口断路器失灵保护［6］。

［1］ 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用 （第二版） ［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［2］ 谢创树.核电厂发电机出口断路器失灵保护设计 ［J］.电力系统自动化，2014，38（6）：123-127.

［3］ 张海燕.双母线三分段接线方式母线及断路器失灵保护设计问题的探讨 ［J］.东北电力技术，1996，17（4）：22-26.

［4］ 高春路.断路器断口闪络保护和断路器失灵保护整定计算［J］.电力系统自动化，2012，36（22）：115-119.

［5］ 朱杰民.发电机中性点接地与定子接地保护 ［J］.东北电力技术，2000，21（1）：17-19.

［6］ 陈东霞.500 kV莞城变电站失灵保护的实现 ［J］.东北电力技术，2006，27（12）：22-25.

Research on Improvement for Breaker Failure Protection Scheme of Generator Outlet

ZHOU Rong⁃bin1，YU Dong1，ZHANG Wu⁃yang2
（1.Nari⁃Relays Electric CO.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211100，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper focuses on the research of failure protection configuration at the present stage of conventional unit and makes im⁃provements in hardware circuit and the software logic.Failure protection scheme of circuit breaker outler are improved to various certain extents.

Generator outlet of breaker；Breaker failure protection；DC monitoring

TM561

A

1004-7913（2015）11-0049-03

周荣斌 （1981—），男，学士，工程师，从事电气主设备继电保护研究工作。

2015-08-10）