发电机中性点接地与定子接地保护

我国早期电力发展滞后 , 电力网小 , 单机所占 比重较大 ,1 台机突然切除 , 对电网冲击大 , 严重 影响用户负荷 。由此可见 , 受电力系统的限制 , 采 用消弧线圈接地 , 是与当时我国的国情相适应的 , 有其合理的因素 , 也积累了较成熟的经验 。
随着改革开放 , 我国电力系统得到了迅速发 展 , 单机容量占所接入的系统容量比重越来越小 。
Ct , 如 b 分析 , 判据不会发生变化 , 保护灵敏度不
会下降 。由于忽略电抗是与实际不相符的 , 结论必
然相反 , 是不能成立的 。
3 结论
发电机中性点经消弧线圈接地与经配电变高阻 接地 , 无论对电力系统的影响还是从过电压看 , 技 术上均可行 。由于计入接地变的电抗 , 发电机定子 接地采用三次谐波保护灵敏度不会下降 。接地变励 磁回路经推导 , 是可以忽略的 , 而接地变对地电容 相对电抗值不宜忽略 。计入接地变对地电容 , 对结 果影响不大 , 结论不变 。从利于减小发电机故障范 围和经济角度看 , 配电变高阻接地更具有优势 , 发 电机定子接地保护具有与消弧线圈接地相同的三次 谐波保护灵敏度 , 是设计中的优选方案 。
高阻接地 , 要求瞬时跳闸的运行方式 , 有利于 保护机组 , 虽然较消弧线圈接地定子电流增大 , 发 电机还是允许的 。由于瞬时跳闸 , 不会对发电机造 成危害和影响 。 113 过电压问题
引起发电机组过电压主要有传递过电压和谐振 过电压 。对消弧线圈接地 , 如配合不当 , 理论上有 通过电容的静电耦合和电感的电磁耦合 , 在故障回 路形成工频电压传递 , 引起过电压的可能 ; 当容抗 与感抗接近时 , 如果发生单相接地或断路器不同期 操作 , 会在发电机相接的变压器或 PT 之间出现谐 振过电压 , 危及发电机绝缘 。但由于这些情况设计 中有所考虑 , 实际发生的几率很小 , 尚未发现因采 用消弧线圈接地引起危险过电压的实例 。
采用配电变压器的高阻接地 , 由于故障电流要 大于消弧线圈接地 , 一般故障保护作用于瞬时停 机 , 这对目前的电力系统是允许的 。利用变压器变 比关系和过载特性 , 并联的二次电阻可以做的很 小 , 变压器容量仅为消弧线圈容量的 1/3 ～ 1/6 。 因而采用高阻接地 , 具有装置占地面积小 , 便于布 置 , 较为经济的特点 。有人担心 , 会投入新装置的 开发研制费 , 其实变压器和电阻在设计和制造上并 不存在难题 , 国内已有生产 。 112 对机组本身的影响
(8 +
( m = U K % ·K) a1 当忽略变压器电抗时 , m =0 , 代入上式 ,
解得
Ct >
1 8
Cf
时,
判据小于 1 成立 。
b1 当忽略 Ct 时 , Ct =0 , 代入上式 , 解得
m >0 1065 , 判据小于 1 成立 。在这里 , m = U K %
·K , 一般 U K % =3 %～8 % , K =3 ～6 , m >9 % ,
《东北电力技术》2000 年第 1 期
发电机中性点接地与定子接地保护
NeutralGroundin gofGeneratorsand Groundin gProtectionforStators
东北勘测设计研究院 (130021 ) 朱杰民 王 丽 王雪松
摘 要 关于国内大中型发电机中性点接地方式主要有两种 。一种采用消弧线圈接地方式 , 另一种采用配电变压器二次 侧并联电阻的高阻接地方式 。专家对两种接地方式的意见并不相同 。本文对此进行了简要分析比较 , 着重对采用配电变接 地方式时 , 发电机定子三次谐波保护动作判据进行了推导 , 结果表明不会因采用配电变接地使保护灵敏度下降 , 并且认为 该种接地方式是经济可行的优选接地方式 。 关键词 发电机 接地方式 定子接地保护 灵敏度 三次谐波
加交流或直流低于工频的信号电源 , 或采用三次谐 波保护 (保护范围为发电机定子靠中性点侧 50% ) , 与零序保护构成发电机定子 100% 接地保 护。 212 接地方式对定子接地保护的影响
就新建的电厂 (站) 来说 , 采用消弧线圈或高 阻接地 , 继电保护均可实现 , 影响不大 。对于采用 三次谐波保护 , 两种接地方式都有误动的报道 , 主 要是采用的保护动作方程复杂 , 调整不当 , 以及保 护装置性能不良等因素造成的 。当采用微机保护 后 , 这一状况将会大大改观 。认为发电机中性点经 配电变高阻接地 , 降低了接地保护动作的灵敏度和 可靠性的理由是不充分的 。 213 三次谐波保护动作判据分析推导
采用高阻接地 , 由于电阻增大了回路的阻尼 率 , 对过电压的幅度和陡度有明显的阻尼作用 , 防 止了传递过电压和避免了谐振过电压产生的可能 。 一般来说 , 保证过电压不超过 216 倍相电压 。
依据发电机单相接地动态过电压实验曲线如图 1 所示 。有的意见认为单相接地过程中频率维持在 额定值附近 , 动态过电压消弧线圈接地比高阻接地 要低 , 并且故障瞬时跳闸必然造成频率偏离额定 值 , 不如采用消弧线圈接地为好 。其实前者是相对 故障情况下的过电压 , 持续时间短 。从图 1 曲线 看 , 既使高阻接地 , 过电压也在 215 倍相电压左 右 , 更何况是瞬时功机 。如果说瞬时跳闸必然造成 频率偏离 , 又恰好发生谐振 , 那么消弧线圈电感接 地远比高阻接地方式动态过电压要高 , 发生的几率 要大 。实践中 , 由于故障瞬时停机频率偏移引发谐 振的尚未见报道 , 而由于单相接地故障继发相间短 路的实例却较多 。所以为避免发电机故障扩大 , 应 选择瞬时跳闸 , 并且以高阻接地引起过电压为低 , 可能性也小 。
图中 Y N 、Y S 分别为发电机中性点和机端三相 对地导纳 , Cf 、 Ct 分别为发电机定子和端部所联 设备每相对地电容 , R为变压器二次侧并联电阻
— 71 —
图 2 发电机中性点经配电变压器高阻接地的三次谐波等效电路
折 算到一次侧值 , XT为变压器感抗 , Rg为定子 接地时过渡电阻 。
通过对发电机三次谐波机端电压 U S 与中性点 电压 U N 的分析推导 , 得出正常运行 U S / U N <1 , 当故障情况下 , U S / U N >1 。取 U S / U N 作为定子 接地保护动作判据 , 理论上是可行的 。在实际中也 有采用集成模块的微机保护 , 利用该判据构成三次 谐波保护成功的实例 。
由于消弧线圈接地允许单相接地故障继续运 行 , 对绝缘的破坏严重 , 会缩短绝缘材料的寿命 。 又因电弧燃烧的不稳定性 , 引起过电压增大 , 有发 生匝间短路等继发性故障的可能性 。发电机出现一 点接地 , 意味着机组其它绝缘部分也有问题 , 这种 故障一旦发展成继发性故障 , 就会烧坏定子绝缘和 铁芯线棒 , 造成较大损失 。这一点得到了专家的共 识 , 并且实例较多[2] 。避免瞬时故障停机带来的 好处 , 与对机组的严重影响相比 , 得不偿失 , 可见 消弧线圈接地的优点几乎不存在了 。
件 , 装设反应定子绕组单相接地保护并动作于跳闸 停机 , 显得尤为必要和重要 。一般定子绕组单相接 地保护采用零序电压或电流分量 , 保护范围能达到 定子绕组的 85% ～95% 。采用三次谐波过滤装置 特性较好的 , 保护范围就大 , 但仍存在死区 。为了 达到 100% 定子接地保护 , 除少数在机端接配电变 或 PT 实现外 , 多数在采用零序保护后 , 再利用叠
假设| |
YN| YS|
<1
,
则|
Y N | 2 -|
Y S | 2 <0
上述关系反之亦成立 。只要我们证明| Y N | 2 -
|
Y S | 2 <0
,
则 US
UN
=
| |
YN| YS|
<1
成立 。
对 于 变 压 器 高 阻 接 地 , 有 电 容 电 流 IC =
3 U Nω ( Cf + Ct ) , 二次侧并联的接地电阻 R = [3ω ( Cf + Ct) ] -1 。
— Leabharlann Baidu1 —
单机故障瞬时停机 , 对系统的冲击将很小 , 同时由 于系统备用容量大于故障单机容量 , 也不会使用户 停电 。特别是近年来 , 电厂 (站) 自动化水平大大 提高 , 采用 “无人值班 , 少人值守”进行设计的水 电站已成为现实 。采用消弧线圈接地 , 故障时延长 停机 2h 组织人力抢修 , 已变得不太现实 。从故障 对机组的影响看 , 意义已不大甚至是不可取的 。
有人推导发电机配电变高阻接地动作判据大于 1, 认为某保护灵敏度下降 , 其原因是未计入接地 变感抗 。虽然未见有关计入变压器感抗的论述或推 导计算 , 但实际配电变感抗不可能为零 , 也没有必 要对配电变降低感抗设计 。
2 发电机定子接地保护
211 定子接地保护方式 由于发电机组是电力系统中最重要的电气元
[
3ω(
1 Cf
+
Ct )
+j
3UK 3 ( Cf
% +
·
Ct
K
) ω]
-
1
+
j9ωCf / 2
=
3ω( Cf + Ct) 1 + 27 m 2
(1
-
j3
3 m)
+
j9ωCf / 2 = (1 + 27 m2) - 1{3ω( Cf + Ct) - j[
9 3ωm ( Cf + Ct) - 9(1 + 27 m2)ωCf / 2]}
所以 | Y n | 2 - | YS | 2 = (1 + 27 m2) - 2{ 9ω2 ( Cf +
Ct) 2 +[ 9 3ωm ( Cf + Ct) - 9 (1 + 27 m 2) ωCf / 2 ]2}
-[ 9ωCf / 2 + 9ωCt ]2 = 9ω2 (1 + 27 m 2) - 2{ ( Cf +
发电机中性点经消弧线圈接地 , 在我国得到了 广泛应用 , 实践证明也是可行的 。那么为什么还要 采用配电变压器二次侧并联电阻的高阻接地 (以下 称高阻接地) 方式呢 ? 当然有的电厂 (站) 是因为 发电机组进口 , 中性点接地随之配套采用了高阻接 地方式 , 但这不是根本原因 。在数量上 , 这种接地 方式逐年增多 , 如广州抽水蓄能 、隔河岩 、二滩 、 李家峡和三峡等水电机组 , 均先后采用了高阻接地 方式 。汽轮发电机组采用这种接地方式的也为数不 少 , 这种情况是由于多方面因素形成的 。
1 两种接地方式的分析比较
111 与电力系统的关系 消弧线圈接地为大家所熟知 。因为消弧线圈是
一种可调式电抗器 , 在发电机单相接地时 , 抵消发 电机组的电容性电流 , 将发电机故障点的电流限制 在发电机允许的范围内 。消除间歇电弧引起的过电 压 , 允许发电机组带故障继续运行 2h, 便于组织 抢修或减负荷停机 , 从而避免或减小了对系统的冲 击和对用户的影响 。
永远成立 。
c1 当考虑变压器电抗和 Ct 时 , 可取Δ = (1
-9 3 m ) Cf - ( 8+243 m 2) Ct 作为判据成立与 否的判别式 , Δ <0, 判据小于 1 成立 。
由于部分大中型发电机机端并没有加装冲击波
吸收电容器 ,
所以
Ct
<
1 8
Cf
的情况还是有的 。但
既便如此 , 由于变压器电抗值的存在 , 即使忽略
Ct) 2 + 9 [ 3 m ( Cf + Ct) - (1 + 27 m 2) Cf / 2 ]2 9[ (1 + 27 m 2)( Cf / 2 + Ct) ]2} = 9ω2 (1 +
27 m 2) - 1 ( Cf + Ct) [ (1 - 9 243 m 2) Ct ]
3 m ) Cf -
配电变压器容量 (取过载系数 K) S N = U N ·IC/ K = 3 U 2Nω( Cf + Ct) / K 所以变压器感抗
XT
=
U
K
%
U
2 N
SN
=
U K % ·K 3 ( Cf + Ct) ω
由图 2, 得中性点侧导纳
Y N = ( R + j3 X T) - 1 + j9ωCf / 2 =
图 1 发电机单相接地动态过电压 1 ———消弧线圈为纯电感的谐振接地方式 ; 2 ———每相对地电容为分布参数并有串联小电阻的谐振接地方式 ; 3 ———计及附加串联小电阻的谐振接地方式
计入配电变感抗 (取阻抗电压降 U K %) , 忽 略励磁回路导纳 , 发电机经配电变压器高阻接地的 三次谐波等效电路如图 2 所示 。