几种发电机100%定子接地保护的应用

几种发电机100%定子接地保护的应用孙　琦(上海阿海珐电力自动化有限公司　上海市　201315)【摘要】　简要介绍几种发电机100%定子接地保护装置的原理、应用效果和试验维护。

【关键词】　100%定子接地保护　原理　运行比较　应用和维护【数据库分类号】　SZ090　概述单相接地是发电机常见的故障,发电机接地保护是发电机的主保护之一。

我国G B/T142582 2006《继电保护及安全自动装置设计技术规程》规定:“100MW及以上大型发电机必须装设100%定子接地保护”。

在1995年12月“大机组继电保护调研工作会议”上,针对当时100%定子接地保护运行中出现的问题,又提出:“对由基波和三次谐波零序电压构成的发电机定子接地保护基波段和三次谐波段分开,三次谐波段只投信号”。

在实际应用中,在确定具体的发电机定子接地投运方式时,应了解该发电机实际的单相接地电容电流,由此确定发电机定子接地保护的合理投运方式,即确定保护是投跳闸还是投信号。

为确保大型发电机的运行安全,定子接地保护的设置应确保在接地故障发生时不使单相接地故障电流发展成为相间或匝间短路电流,应使单相接地故障处不产生电弧或者使接地点电弧瞬间熄灭。

这个不产生电弧的最大接地电流被定义为发电机单相接地的安全电流。

我国发电机单相接地的安全电流标准原来沿用苏联标准。

规定接地电流大于5A时接地保护作用于跳闸,小于5A时保护投信号。

随着大容量发电机组在电力系统中的投运台数逐年增长,大容量发电机组在电力系统中处于更为重要的地位,对接地保护技术提出了更高的要求;随着发电机制造中电工材料质量、工艺水平的大幅度提高,发电机运行的水平可以上升也能够上升到一个更高的台阶;根据对大容量发电机组在运行中出现的问题的分析来看:5A的定子接地电流,不是一个安全的接地电流。

所以,国标G B/T1428522006《继电保护及安全自动装置设计技术规程》中对发电机定子接地电流允许值应按制造厂的规定值,如无制造厂提供的规定值可参照表1所列数据。

目前,我国的接地保护的设计、制造、安装、调试和运行维护基本遵循上述标准和规定。

设计时保护装置保护的接地点故障电流一般不超过安全电流,以确保定子铁芯的安全;保护范围力求覆盖整个定子绕组;保护区内任一点接地故障争取有足够高的灵敏度;故障时暂态过电压数值尽可能小,不能威胁发电机的运行安全。

1　当前电网中运行的几种100%定子接地保护当前,我国电网中运行着多国、多种型号的100%定子接地保护。

如:收稿日期:2007203215。

表1　发电机定子绕组单相接地故障电流允许值发电机额定电压/kV发电机额定容量/MW 接地电流允许值/A 6.3≤50410.5汽轮发电机50～100水轮发电机10～100313.8～15.75汽轮发电机125～200水轮发电机40～22521)18～20300～6001 注:1)对于氢冷发电机2.5A盘山2×500MW 、伊敏2×500MW 、营口2×300MW 、汕头2×300MW 、绥中2×800MW 发电机组安装有前苏联БРЭ1301.01型发电机定子接地保护装置;山西河津、福建后石等电厂运行着瑞士ABB 公司的REC 2216/GIX104型等数字接地保护装置;山西漳泽发电厂苏制210MW 发电机组上匹配了苏制EP31310型100%定子接地保护装置;一些发电厂配备了南自公司的WFBZ 201、许昌的BD 210型等100%定子接地保护装置。

这些保护装置大约有以下几种不同类型。

图1　中性点双频保护信号定子接地保护装置1.1　中性点双频保护信号定子接地保护装置这种定子接地保护装置的原理框图如图1所示。

被保护发电机中性点通过匹配变压器接地,接地保护信号中基波零序电压取自发电机中性点P T ,能保护发电机机端到中性点90%～85%的范围。

三次谐波取自发电机机端P T 和中性点P T ,保护中性点附近10%～30%的绕组。

用负序电压闭锁不对称故障。

基波段和三次谐波段共用一继电器出口跳闸。

图2　保护信号分别取自机端和中性点的100%定子接地保护装置1.2　保护信号分别取自机端和中性点的100%定子接地保护装置这种定子接地保护装置的原理框图如图2所示。

被保护发电机中性点通过匹配变压器接地,接地保护基波零序电压取自发电机中性点P T 。

保护的电源和三次谐波信号取自发电机出口V 型接线P T 的二次专用线圈电压。

用基波零序电压U N 和三次谐波电压U S 之差作为三次谐波组件的工作电压,用基波电压U N作为三次谐波制动量。

负序滤过器信号取自P T 的二次专用线圈电压。

1.3　外加低频注入电源的100%定子接地保护装置这种定子接地保护装置的原理框图如图3、图4所示。

图3　外加12.5Hz 低频注入电源的100%定子接地保护装置图4　外加20Hz 低频注入电源的100%定子接地保护装置发电机中性点接匹配变压器,变压器二次接有抽头的阀片电阻,外加低频信号注入电源,注入到配电变压器的二次电阻和发电机定子绕组内。

定子接地保护由95%定子接地保护和100%定子接地保护两部分组成。

保护范围覆盖整个定子绕组。

机端的接地故障由95%定子接地保护切除,中性点接地故障由100%定子接地保护切除。

图5　机端母线匹配变压器100%定子接地保护装置1.4　机端母线匹配变压器100%定子接地保护装置这种定子接地保护装置的原理框图如图5所示。

发电机在机端母线上设置1台匹配变压器,其二次绕组采用不对称接线,通过匹配变压器在发电机电势中感应出固定的中性点偏移电压△U 用于100%定子接地保护。

以上几种保护装置的信号源的来源是各不相同的,取得保护信号设备也是不同的,以各自的方式分离、综合信号,去实现100%定子接地保护的目的。

2　几种100%定子接地保护原理的特点2.1　中性点双频保护信号定子接地保护装置这种接地保护是基于发电机三次谐波电压在正常运行和故障运行时变化趋势正好相反,基波零序电压3U 0在单相接地时接地点离中性点越远电压值越高的特点而设计的。

发电机正常运行时中性点三次谐波电压U N 3总是大于机端三次谐波电压U D 3,只有发电机出线端开路时U N 3=U D 3。

而在发电机中性点单相接地时,中性点三次谐波电压U N 3为零,机端三次谐波电压U D 3等于相电压。

发电机机端单相接地时中性点三次谐波电压U N 3等于相电压,机端三次谐波电压U D 3等于零,中性点的三次谐波电压U N 3随着接地点离开中性点的距离越大三次谐波电压越高,而机端三次谐波电压U D 3随着接地点离开中性点的距离越大三次谐波电压越低(如图6所示)。

图6　U N3和U D3随接地点α变化的变化曲线 基波零序电压动作值一般取10V ～15V 能保护发电机机端到中性点90%～85%的范围。

三次谐波电压保护采用比较幅值的方法实现。

动作量为发电机中性点三次谐波电压和机端出口三次谐波电压差值的绝对值,即|U N 3|-|U D 3|。

制动量为发电机中性点三次谐波电压绝对值,即|U N 3|。

制动系数κ取合适的值。

用负序电压对不对称故障实现闭锁。

三次谐波电压保护是保护发电机中性点附近10%～30%绕组的定子接地故障。

基波零序电压保护和三次谐波保护合成后保护区域有5%～25%的重合区。

保护的动作特性为:发电机在正常运行方式时不考虑泄漏电阻的影响,机端和中性点三次谐波电压U D 3和U N 3都和相电压E 3同相。

由于动作量|U N 3|-|U D 3|很小,制动量|U N 3|相对较大,保护可靠闭锁不动作。

而发电机定子绕组发生金属性接地时,动作量|U N 3|-|U D 3|接近于相电压E 3,而制动量|U N 3|在靠近中性点区域已变得很小,保护动作更加灵敏。

2.2　保护信号分别取自机端和中性点的100%定子接地保护装置零序基波电压保护按躲过发电机相电压曲线正弦波畸变所产生的不平衡量和高压侧单相接地短路通过变压器耦合电容传递到发电机的零序电压整定,动作电压取15V ,能保护发电机机端到中性点85%的范围。

保护采用5.5V 负序电压及延时2s 作为防止高压侧故障对接地保护影响的闭锁。

三次谐波组件用基波电压U N 和三次谐波电压U N 3之差作为三次谐波组件的工作电压。

保护动作量为发电机中性点三次谐波电压和出口三次谐波电压绝对值的差值,即|U N 3|-|U D 3|。

制动量为发电机中性点三次谐波电压绝对值,即|U N 3|。

三次谐波电压保护可保护发电机中性点附近0～30%的绕组。

基波零序电压保护和三次谐波电压保护合成后保护区域有15%的重合区。

保护装置采用了较好的三次谐波接地保护原理而具有较高的动作灵敏度,装置元件由运算放大器构成,出口速度快,灵敏度高。

2.3　外加低频注入电源的100%定子接地保护装置定子接地保护由95%定子接地保护和100%定子接地保护两部分组成。

保护范围覆盖整个定子绕组。

机端的接地故障由95%定子接地保护切除,中性点接地故障由100%定子接地保护切除。

发电机正常运行工况时仅有很小的低频信号电容电流注入到定子绕组内,不会影响发电机的运行。

当中性点附近有接地故障且接地故障电流小于5A 时,低频信号电流骤增,100%定子接地保护按预定逻辑动作。

当中性点附近有接地故障且接地故障电流大于5A 时,低频信号电流中断,中性点配电变压器二次绕组上的基波零序电压作为95%定子接地保护的动作量切除故障。

保护整定值设置为:95%定子接地保护5V/1.00s 跳闸,100%定子接地保护5k Ω/2.00s 报警,1k Ω/1.00s 跳闸。

保护外加的对地信号电流很小,对发电机三相电压的对称性几乎没有影响,也不会增加中性点的附加绝缘电阻。

装置中仅存在加入的低频信号,清除了低频信号的所有倍频信号的干扰,保护动作可靠性高。

测量精度比较高,保护线性度好,能按设定的定值和出口逻辑动作。

2.4　机端母线匹配变压器100%定子接地保护装置保护配置了1台匹配变压器,接于机端出口母线上,其二次绕组的接线是不对称的,通过匹配变压器的不对称接线在发电机电势中感应出固定的中性点偏移电压△U。

发电机正常运行时,机端电压是对称的,而发电机电势是不对称的。

由于发电机定子绕组对地绝缘,△U不能在绕组-地-匹配变压器之间感应出环流,保护不能动作。

当定子绕组接地时,则形成了接地电流,感应到接于开口三角绕组的保护回路中,即使在中性点处接地,偏移电压最小,为△U。

选择合适的动作电流,定子接地保护也能可靠动作。

在定子绕组其它点接地时,保护回路中形成的电流更大,保护更能可靠动作。

零序电压保护,保护85%以上的定子绕组。

100%定子接地保护,保护从中性点到50%的定子绕组接地故障。