西门子模块6ES515-2AM02-0AB0型号介绍
| 永磁机匝间短路导致主变差动保护误动作分析 |
| 0 引言 某电厂300MW汽轮发电机采用发电机—变压器组单元制接线，发电机出口直接连接主变压器、高厂变。在某一次并网前，运行人员在励磁调节器FCR方式，即手动恒磁场电流调节方式下，刚刚合上励磁机和发电机的磁场开关，进行空载50％启励升压时，发电机电压表指针瞬间满偏指示，超过额定电压，发电机—变压器组差动、主变差动和高厂变差动动作，机组全停。经检查，未发现发电机、变压器、高厂变以及相关连线有故障，通过测量永磁体副励磁机(permanentmagnetic generator，缩写为 PMG，以下简称永磁机)定子绕组直流电阻发现，A，B，C相直流电阻分别为4．427mΩ，2．016mΩ，4．426mΩ，永磁机B相有匝间短路。永磁机匝间短路在主变差动和高厂变差动、发电机—变压器组差动保护区外，这3种差动保护误动作的直接原因是永磁机匝间短路引起的主变压器、高厂变过励磁。 1 励磁调节器同步信号低压强励的特点 这套励磁调节器是瑞典ABB公司的HPC840型微机励磁调节器。这种调节器在国外大多用于自并激励磁系统，具有同步信号低压强励功能。强励的同步信号低电压判据是：当同步信号电压低于整定值时(整定值通常为小于额定电压值的80％)，强励动作。对于自并激励磁系统，同步信号都是取自发电机出口的励磁变压器电压，同步信号电压低于额定值的80％，意味着发电机电压低于额定值的80％，此时，为了系统稳定、机组安全，发电机有必要进行强励，这个强励判据对于自并激发电机是合理的。 在国内常见的3机励磁系统中，采用这个判据就会产生问题。如图1所示，3机励磁系统的同步信号都取自副励永磁机出口电压，当副励永磁机出口电压低时(例如永磁机匝间短路)，同步信号电压低，会导致误强励。 因为该机组是高起始响应3机励磁系统，具有强励顶值电压高、速度快的特点[1]，一旦发生误强励，足以导致发电机瞬间过电压。
3个电压的相量图如图2所示，ùAB，ùBC比额定值要小，空间角度不对称。同步信号取样值是永磁机的三相线电压，同步信号电压值也远远小于正常值，满足了同步信号低压强励的判据，引起励磁调节器误强励，从而导致发电机空载过电压。
3 建议 |
1 变电站概况
220kV不夜城变电站位于上海市新客站的东南面，主要供电对象是围绕火车站为中心的现代化商业网点及办公设施，并能改善上海北部及西部电网的潮流分布，为220kV电网解环分片运行创造条件。本站终规模为3台240MVA主变，电压等级为220／110／35kV，220kV电缆进线三回(有部分架空线)，11OkV电缆出线6回，35kV电缆出线30回。
本站属于终端站性质，220kV采用带断路器的线路变压器组接线，户内布置，本期有两回架空—电缆进线，220KV主变和断路器均为国产设备11OkV部分为单母线三分段接线，本期四回电缆出线，配电装置采用国产SF6气体绝缘全封闭式组合电器(GIS)，户内布置；35kV采用单母线六分段接线，配电装置采用西门子公司的8DA1O真空开关柜，户内布置，一次性配置齐全。
本站二次设备除蓄电池、交直流屏、故障录波器等采用国产设备外，控制、测量和保护装置均采用德国西门子公司的LSA67变电站自动化系统设备。
2 自动化系统的主要设计原则
2．1本站按无人值班来设计，初期为少人值班，待取得一定的运行经验后将逐步过渡到无人值班，接受西郊集控站的控制。
2. 2采用分布分散式结构的自动化系统，将自动化系统的输入、输出单元分散布置在一次设备附近，取消常规的控制屏。
2．3除各电压等级的接地闸刀为手动操作外，所有的断路器、隔离开关均可由自动化系统实行远方遥控操作和就地手动操作。
2．4除主变温度和直流系统电压测量采用直流变送器分别转换为0—20mA的直流信号送至自动化系统外，交流电流电压采样直接接入系统，取消常规的变送器。
2. 5自动化系统具有符合上海电网运行习惯的五防操作软件，该操作联闭锁功能在站控主机上实现。
2．6保护装置与自动化系统相对独立，微机保护与自动化系统建立数据通信，电磁型保护以空接点的方式接入系统。
2．7系统与集控站、调度端系统有统一接口的通信规约。
2．8充分考虑到无人值班的要求，消防系统的报警信号能通过站内自动化系统远传至集控站。
3 自动化系统结构
3．1系统结构
由于本站220kV部分采用户内装配式布置，11OkV部分采用GIS，35kV部分采用开关柜，均为户内布置，一次设备基础较好，故自动化系统采用分散式布置，将各间隔的测控单元布置在一次设备附近。系统结构采用分布式结构，分间隔层和变电站层。自动化系统结构框图见下图：
由上图可见，该系统结构符合国际电工委员会(IEC)关于变电站自动化系统分为站级和间隔级两层结构的技术规范；用于站级和间隔级功能微处理器化和分散安装(地理上的分散和功能上的分布)。
站级主单元、间隔级I／0单元、保护单元之间彼此相对独立，各自均可单独运行，相互之间依赖参数化方式达到组态的灵活性和可能性。
3．2站级主单元
站级主单元6MB5515是6MB测控系统的核心，它的工艺和性能决定了整个自动化系统的技术水平。主单元通过串行通信模块和光缆插箱一起组成星形耦合光纤链路，以完成主单元同间隔级各I／0单元交换信息的任务。
主单元插箱还可插入各类智能过程模件AE／AR、DE、BA等实现模拟量输入、开关量输入、开关控制命令输出等功能，这类过程模件是对间隔级I／O单元功能的一种补充。可见6MB5515单元同现场间隔级单元通信的N个光纤接口可以在物理上形成分散式结构，又能通过I／0过程模件的集中接入若干过程信息，实际上这种配置为集中与分散相结合的测控系统。
3．3间隔级I／O单元
6MB52I／0单元主要完成开关量、模拟量、脉冲量的采集，执行主单元的命令及与保护单元交换信息的功能。
35kV6MB52测控单元和保护装置一起分散安装于35kV开关柜上，形成所谓地理上的分散式结构， 11OkVI／0单元和保护装置按照间隔来组屏，安装于110kV GIS室内主变部分的6MB52测控单元与保护装置一起组屏，安装于计算机监控室内；这种分散式的布置减少了控制电缆的使用量，既节省了投资，又减少了施工的工作量。
3．4保护系统7S／7U
在整个自动化系统中，7S／7U既是独立工作的保护装置，又与整个自动化系统构成非常密切的信息联系，保护装置既可以安装在开关柜上，又可以单独组屏。微机保护与测控系统的联系通过光纤通信实现，保护装置并不受控于测控系统。电磁型保护的信号通过空接点发至6MB52测控单元或MU主单元。
3．5自动化系统的容量及规模
本站自动化系统的控制对象多，信息量大，容量及规模见下表一：
3．6后台SCADA系统
本站后台SCADA系统采用南京中德公司的NSCNT200，该系统采用一种“一机多型”的设计方法，可通过各种功能模块的有机组合，组成不同规模、不同用途的系统。系统的基本运行平台为bbbbbbSNT4．0多窗口、多任务操作系统，彻底摆脱了“在线功能”和“离线功能’，相分离的概念。在系统正常运行而不退出的前提下，用户可以进行各种操作而不影响系统的正常运行。
3．7集控站及自动化系统通道
集控站设在220kV西郊变电站，集控站SCADA系统为南京自动化研究院系统所的SD—6000。本站自动化系统可以向集控站和市区地调发送信息，集控站采用IEC870—5—101POLLING规约，市区地调端采用SCl8016．0版本规约。向集控站和地调端传送信息时，具有主／备通讯口，且做到双发单收。在集控站的后台机上能实现对本站所有的一、二次设备进行监视、测量、控制的功能。
本站与西郊集控站之间全线敷设光缆，构成集控站-受控站之间的主通道。敷设一条从本站至市调的光缆，利用现有光缆构成迂回备用通道。
4系统功能
本站终为无人值班，作为受控站，接受西郊集控站的控制。自动化系统的功能如下：
4．1数据采集和处理
通过间隔级I／O单元采集来自变电站运行过程中产生的模拟量、开关量、脉冲电度量及主变温度等，对所采集的输入量进行数字滤波等处理，产生出可供应用的电流、电压、有功功率、无功功率、电度及功率因数等各种实时数据。系统还能对实时数据进行统计、分析、计算等。
4．2控制功能
本站的所有断路器等设备有三级控制。级控制(高优先级)的控制权在设备就地，当操作人员将远方／就地切换开关放在就地位置时，将闭锁所有远方遥控功能。第二级控制(次优先级)的控制权在本站的主处理机。当设备远方／就地切换开关放在远方位置时，在人机会话单元上能遥控断路器和隔离开关等设备，还能闭锁来自集控站的操作命令。第三级控制权在西郊集控站，在集控站的主处理机上可遥控本站所有断路器，在集控站不遥控本站的隔离开关。
4．3人机会话
通过后台主机的两台20英寸的彩色CRT和其它人机联系工具，显示各种信息画面，主要内容包括变电站主接线、所有设备的位置状态、变位信息、保护设备动作及复归信息、各测量值的实时数据及各种报警信息在人机界面上能方便地生成和维护各种所需的画面及数据库，还可制作各种报表，报表数据的定义、格式能方便地修改在人机界面上还能打印告警、SOE及操作信息等。
4．4保护
微机保护通过光缆接入间隔级测控单元，测控单元再通过光缆与自动化系统前置机相连，系统能与保护进行双向数据通信。保护装置向系统传送保护动作信号、整定值组别、保护运行监视等信号。电磁型保护则通过空接点将动作信号输入至自动化系统。在本站的计算机监控室和集控站的人机会话单元上实现微机保护整定值的组别切换、投／切及复归等功能。
本系统除具备以上功能外，还具有事件记录、运行记录、设备管理、运算、可编程、自检和自恢复等功能。基本上实现了远动“四遥”及无人值班功能。
5 几点体会
5．1保护与测控单元的关系
从技术的发展情况来看，在中低压系统，保护与测控单元二者合二为一是发展趋势，西门子公司的新推出的7SJ531，其功能相当于7SJ512+6MB52，但价格相对来说要低得多，该装置能独立完成保护、遥测、遥信、遥控等功能。ABB公司的SPACOM系列、国内也有一些厂家都是利用一套装置实现多个功能。而电流互感器厂家也已推出适合这一发展的电流互感器产品，在额定电流以下，保证0．5级的测量精度，在短路电流时达到10P25的保护次级要求，保护与测控合一在技术上已无障碍。
由于中低压回路数量很多，如能将保护与测控装置合二为一，则可避免大量的重复配置和投资，使得自动化系统的价格大大下降。
保护和测控合二为一的大限制来源于我们现行的运行体制，由于目前保护和自动化运行人员各自为政，使得在设备选型和管理上造成比较大的困难。但保护和测控合二为—的装置在国外已有成熟的运行经验，保护继电器既作为传统的微机保护，又起到了遥信、遥测、遥控的作用，充分发挥了计算机的优势，它使装置综合利用了各种信息，简化了接线，降低了造价，既简单又适用，使变电站的总体自动化水平明显提高，尤其适合于在数量较多的中低压回路中使用。技术的发展，对我们的现行运行体制提出了挑战，要求我们打破原有的分工界限，为全面提高上海电网的自动化水平提供有利的外部条件。目前保护和测控合二为—的装置已在35kV人民站自动化系统中得以应用，这将是一个有益的尝试。
5. 2 工程实践中的经验教训
由于本站是上海电网第—座实现真正意义自动化的220kV变电站，控制对象多，信息量极大，所选用的设备是进口设备，各方面对自动化系统系统的理解也不同，在工程实践过程中积累了一些经验教训，自动化系统也有—些不足之处，在此一并指出，希望能在今后的工程中有所借鉴。
5．2．1信息表
从设计的角度来看，由于自动化系统不同于常规的变电站控制系统，它涵盖了整个变电站的二、三次系统，牵—发而动全身，往往一个小小的改动将带来大范围的修改。
在本站自动化系统与微机保护的设计过程中，将微机保护所能发出的信息几乎都送至自动化系统，这样微机保护的信息非常全面，便于运行人员掌握保护的运行情况，但也有不利之处：—方面使得系统数据库的容量大大增加，浪费了宝贵的系统资源。另一方面也使得有些并不重要的保护信息送至自动化系统，容易产生“信息污染”，从而影响了运行人员的分析判断。微机保护上传的信息量也应该予以筛选。
信息表的确认至关重要，事关运行单位的运行习惯，故设计、运行、调度及施工等单位应和自动化厂家加强合作和交流，经多方讨论后慎重地确认自动化信息表，确认后尽量减少修改，以减少信息表参数化的工作量，避免重复工作。
5．2．2 SOE分辨率
山于间隔级测控单元6MB52I／0不带时标，SOE的分辨率为lOms。只有将信号直接接入站控主单元 6MB55MU才能实现lms的SOE分辨率，但此类信息占总的信息量的极小部分，大部分信息是通过6MB52测控单元上传的，当MU接收到信息时才加上时标，但此时标并非事件发生的准确时刻，不便于事故分析。
5．2．3分段自切及按周波减载
由于LSA67为全放射星形耦合光纤网络结构，MU对每个间隔级遥测、遥信均要进行巡检，巡检时间为500ms以上，故通过MU实现分段自切及按周波减载等综合保护功能时，导致动作时间的不确定性，可能会造成误动或拒动，本工程中的此两项保护功能不能采用微机保护装置，从而影响了整个系统的自动化水平。11OkV及35kV自切采用了常规的电磁型继电器，其动作和报警接点接入自动化系统。低周减载由安装在主变保护屏上每段两只(两轮)周波继电器构成，该继电器的动作及报警接点接入主单元，按周波减载功能在自动化系统的主机上实现。按周波减载人机会话单元能提供方便的人机界面，供运行人员对35kV的每—路出线在线设置轮，第二轮跳闸和停用跳闸。
5．2．4故障录波
由于目前微机保护的故障录波功能还不能取代专用故障录波器，而自动化系统的采样分辨率也不够高，需配置专用故障录波器。由于故障录波通道录取数据量大，传输信息占用通道时间长，不宜通过自动化系统通道上传至地调或集控站，而应采用专用的电话通道上传，故障录波器的动作及故障信号通过空接点接入自动化系统。
目前—些国外公司及部分国内厂家的的自动化产品可实现lms的SOE分辨率，也具有专用的微机型分段自切及按周波减载装置，为提高自动化水平和便于故障分析，在今后的设计中可以逐步选用。
5．3变电站自动化的推广价值
上海电网的变电站自动化水平在近几年取得了较大的进步，但在应用自动化技术和实现变电站无人值班方面尚与发达国家乃至国内沿海省市电网有较大的差距，这与作为我国大的城市电网的地位很不对应，亟需借鉴他人的经验的基础上，根据自身的特点，积极稳妥地推行变电站自动化，实现变电站无人值班，以改变落后面貌。
220kV不夜城变电站采用了自动化系统后，中低压部分保护和测控单元就地配置，大大节省了控制电缆和现场施工量，但由于进口西门子公司的自动化设备，价格较高，远远高于省却的设备费用，但如果在投运后能做到无人值班，集控站能控制多个量和操作班、减少保护现场调试，设置整定值等工作量，以达到减人增效的目的，使自动化设备的效益得到体现。目前220kV西郊集控站已与本站自动化系统同步投入运行，徐行集控站正处于建设阶段，已积累了—些设计、运行和管理经验。