20Hz自适应新原理发电机定子接地保护深入分析

20Hz 自适应新原理发电机定子接地保护深入分析姚晴林,赵 斌,郭宝甫,陈海龙(许继电气股份有限公司,河南省许昌市461000)摘要:提出了20H z 自适应新原理低电阻型定子接地保护,其整定值不是常数,能自适应地跟随单相接地点位置的变化而变化,无论发电机定子单相接地点位于何处,只要接地电流大于允许安全电流,新保护出口都能快速动作,克服了传统保护的缺点,显著提高了发电机运行的安全性。

分析了一些关键技术,如接地点零序电势的计算方法、动作联立各方程之间的关联,以及动作联立方程中不包含接地点位置 参数而为何 对保护特性有重大影响等问题。

关键词:发电机;定子接地保护;20H z 电源;注入式保护;自适应中图分类号:TM 764收稿日期:2009-03-09;修回日期:2009-08-06。

国家发明专利(ZL 200610017986.9)。

1 传统20Hz 定子接地保护特性及缺点当前国内外中性点经配电变压器接地的大容量发电机定子接地的首要主保护通常采用20H z 电源注入式保护(以下简称为传统20H z 保护),它的动作方程为:R g R g.set ,R g 为保护测量的接地故障点的接地电阻,R g.set 为保护的整定值,该整定值是运行人员以接地点位置 =20%处接地点电流大于允许安全电流时传统20H z 保护能动作为原则计算出来的,它是一个常数,不随 变化而变化。

为接地点距中性点之间的匝数占每相总匝数之比。

当 >20%,任一点单相接地时传统保护都会出现虽然接地电流已远大于允许安全电流但是此时的R g 却远大于传统保护整定值R g.set 的情况,导致传统保护拒动,这是传统20H z 保护在原理上的固有缺点。

2 20Hz 自适应新原理定子接地保护2.1 新保护的原理及编制软件的动作方程20H z 自适应新原理定子接地保护的接线与传统20H z 保护的接线相同[1-2]。

保护测量的接地电阻归算到配电变压器一次侧的值为:R g =n 2v 1Re Y(1)式中:Y 为保护测量的20H z 导纳归算到中性点配电变压器二次侧的值;n v 为配电变压器变比。

新保护的动作方程仍为:R g R g.set (2)但新保护的整定值R g.set 自适应随着接地点零序电势U 0d 的变化而变化,不是常数,这是新保护与传统保护的主要不同点。

以下详细分析新保护的特性。

发电机中性点经配电变压器接地,在定子绕组内部或机端以外机压系统内任一点单相接地时的50H z 零序网络见图1。

图中:U0d 为接地点的零序电势;U0为发电机机端的零序电压;I为接地点对地的零序电流;I0R 为发电机中性点对地的零序电流;I0C 为发电机机压网络对地的电容电流零序分量;C 0为发电机机压网络每相对地的总电容;R N =n 2v R n ,为发电机中性点配电变压器二次侧电阻R n归算到一次侧的值。

图1 发电机定子单相接地故障50Hz 零序网络Fig.1 50Hz zero sequence equivalent circuit of single phase grounding fault由图1可知:3I 0=3U 0d3R g +3R N -j 1C 03R N -j 1C(3)式(3)及图1中各物理量皆为50H z 的参数。

中国当前国家标准规定的发电机定子绕组单相第33卷 第22期2009年11月25日Vo l.33 N o.22N ov.25,2009接地时故障点的接地电流不能大于允许安全电流I y ,国家标准对I y 值有明确规定,例如发电机额定电压为18kV~20kV,其I y =1A 。

发电机定子绕组或机端以外机压网络任一点单相接地,当接地点电流3I 0 K k I y (对应R g R g.set )时,要求20H z 自适应新保护都能动作于跳闸。

K k 为可靠系数,考虑各种误差因素,取K k 为0.85~0.90。

新保护本质上的动作方程为:3I 0 K k I y 。

动作的边界条件为:3I 0=K k I y (4)将式(3)代入式(4),又考虑动作边界状态时式(3)中的R g =R g.set ,得3U 0d3R g.set +3R N -j 1C 03R N -j 1C 0=K k I y (5)设=3 C 0R N (6)将式(6)代入式(5)并化简,得自适应新原理定子接地保护的整定值R g.set 为:R g.set =U 20d K 2k I 2y -R 2N 2(1+ 2)2-R N1+2(7)式中:R N , ,K k ,I y 为整定值,当整定好后为不随运行工况变化的常数;U 0d 为随运行工况变化的实时值。

可见,R g.set 随U 0d 的变化而变化,其变化关系曲线如图2所示。

当U 0d 稍大时,式(7)等号右端根式中第1项U 20d /(K 2k I 2y)的值远大于其他项,所以R g.set 随着U 0d 的增加而近似地正比例增加,在R g.set -U 0d 坐标平面上近似为斜直线特性;只是当U 0d 较小时,R g.set 与U 0d 的变化关系呈现弯曲特性。

图2 以R g.set -U 0d 表达的自适应定子接地新保护动作特性曲线Fig.2 Action characteristic curve of self -adaptiv e statorgrounding protection expressed by R g.set -U 0d以下分析U 0d 的数学方程(见图1)。

新保护检测50H z 的3倍零序电压UJ =3U为取自发电机出口电压互感器开口三角侧归算到电压互感器一次侧的值。

新保护检测50H z 的3倍零序电流IJ =3I0R为发电机中性点配电变压器一次侧的电流。

I 0=I0R +I0C =I J 3+jUJ 9R N(8)U0d =U0+3R g I(9)将式(8)代入式(9),得U 0d =UJ 3+R g IJ +j R g UJ3R N (10)式中:R N , 为常数;UJ ,IJ为检测的实时值;R g 为以式(1)计算的实时值。

可见,U 0d随UJ,IJ ,R g 的变化而变化。

综上所述,式(1)、式(10)、式(7)及式(2)共4个方程联立就是20H z 自适应新原理定子接地保护编制软件的动作方程。

保护软件的计算步骤为:R g (见式(1))为20H z 系统计算的实时值,但该值数据可直接应用于50H z 系统(即20H z 与50H z 系统的R g 值相等);将UJ ,IJ 及R g 代入式(10)得50H z 系统检测的实时值U 0d ;将U 0d 代入式(7)得50H z 系统计算的实时值R g.set ;最后比较R g 与R g.set ,见式(2),判断保护是否动作。

需强调,式(7)表达的R g.set 是建立在接地点的电流3I 0等于或大于允许安全电流K k I y 时保护就动作的理论基础上的,所以图2动作特性斜直线上任一点的纵坐标为R g =R g.set ,保护处于动作的临界状态,这对应着3I 0=K k I y ;斜直线以下任一点的纵坐标为R g <R g.set ,为保护的动作区,这对应着3I 0>K k I y 。

2.2 中性点经配电变压器接地的发电机应用U 0d = U 方程上述式(1)~式(10)中都不包含接地点位置 参数,也就是自适应新定子接地保护动作特性(见图2)的软件编制不直接利用 参数。

但是, 改变时,保护的测量电压UJ =3U0以及测量电流IJ =3I0R会跟着改变,则保护计算的U 0d 改变(见式(10)),计算的R g.set 发生变化(见式(7)),保护的动作行为就改变了。

所以 与这种新保护的动作特性是有关系的,只是 因素隐藏在保护的测量电压UJ 及测量电流IJ 中而已,而在保护的软件方程中无 参数。

2009,33(22)众所周知,中性点不接地的发电机定子单相接地时,接地点的零序电势U 0d = U ,U 为故障相的相电压。

中性点经配电变压器接地的发电机定子单相接地时,采用故障分析中对称分量法进行实例计算所得的准确U 0d 稍大于以U 0d = U 公式计算出的U 0d ,二者之间的相对误差在0.025%~0.200%之间,误差大小取决于R n ,R n 越大误差越小,误差0.200%对应为R n =0.26 ,误差0.025%对应为R n =6.16 。

如此小的误差证明:中性点经配电变压器接地的发电机应用U 0d = U 方程是正确的。

2.3 将新保护动作特性曲线的横坐标U 0d 转化为由U 0d = U 可将图2动作特性的横坐标U 0d转换成 ,转换有以下2种方法:1)中性点经配电变压器接地的发电机定子单相接地时,三相相电压及线电压维持对称关系,所以可将故障相的相电压U 视为额定电压(常数),则 与U 0d 成正比关系,这样转换有近似性。

2)单相接地时保护能测量出U 的实时值,则U 0d ,U 两个实时值之比即为 实时值,这样准确。

以R g.set - 表达的新保护的动作特性见图3。

图3 自适应新原理定子接地保护与传统定子接地保护动作特性比较Fig.3 Action characteristic comparison between self adaptive and traditional stator grounding protection需要指出,将图2的横坐标U 0d 转换成 仅仅是为了分析论证该保护的动作特性更深入而已,能明显展示 的不同对保护动作特性的影响;而保护的实际动作行为完全依据式(1)、式(10)、式(7)及式(2)构成的联立方程所编制的软件,与U 0d 及 之间的转换无关。

2.4 折线型自适应定子接地新保护动作特性若选用的允许安全电流I y 较大,如I y =1A,图2中当 小时会出现R g.set <0的情况,这表示: 小,即使为R g =0的金属性单相接地,因U 0d 小,3I 0<K k I y ,R g >R g.set ,保护不动作是正确的,符合保护原则,不是拒动。

若降低I y 就不会出现R g.set <0的状态。

为了在 小时仍要求保护可靠动作,所以将保护的动作特性设计成折线型,折线以下为动作区,见图3中以实线画出的折线:在 在0~0.2范围内,动作特性为平行于 轴的水平线,其整定值R g.set.0是以 =0.2计算出的常数;在 >0.2区域,当 增大时,U 0d 增大,保护的整定值R g.set 按前述联立方程的规律自适应增大,保护的动作特性近似为斜直线。

图3还给出了新的20H z 自适应保护及传统20H z 保护的动作特性[3]比较,是依据某台中性点经配电变压器接地的发电机(P n =650MW,线电压U n =20kV)的有关实际参数计算绘制的。