大型發(fā)電機(jī)諧振引起的定子接地保護(hù)誤動(dòng)原因分析

高鵬，梁基重，董乃芬

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

大型發(fā)電機(jī)諧振引起的定子接地保護(hù)誤動(dòng)原因分析

高鵬，梁基重，董乃芬

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

針對(duì)山西省內(nèi)多起大型發(fā)電機(jī)諧振引起定子接地保護(hù)誤動(dòng)的故障，介紹了故障發(fā)生時(shí)的情況，從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈擋位選擇、發(fā)電機(jī)出口電壓互感器等方面入手，分析了導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)誤動(dòng)的原因，最后提出避免大型發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)誤動(dòng)的措施和建議。

發(fā)電機(jī)；定子接地保護(hù)；誤動(dòng)

0 引言

近年來，山西省電力系統(tǒng)發(fā)生多起大型發(fā)電機(jī)諧振引起定子接地保護(hù)誤動(dòng)故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)停運(yùn)，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。保護(hù)動(dòng)作后，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)電氣試驗(yàn)，結(jié)果顯示發(fā)電機(jī)定子絕緣正常。對(duì)保護(hù)進(jìn)行校驗(yàn)，其二次回路定值、動(dòng)作邏輯均符合要求。本文對(duì)多起發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)誤動(dòng)故障進(jìn)行分析，找出引起保護(hù)誤動(dòng)的原因，并提出相關(guān)措施建議，避免大型發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)誤動(dòng)作，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈位置不當(dāng)引起保護(hù)誤動(dòng)

1.1 故障現(xiàn)象

某電廠1臺(tái)捷克產(chǎn)500MW發(fā)電機(jī)A，在電機(jī)正常運(yùn)行過程中，帶負(fù)荷480MW。發(fā)電機(jī)接地保護(hù)突然動(dòng)作、發(fā)電機(jī)退出電網(wǎng)運(yùn)行。故障指示，發(fā)電機(jī)A定子單相接地。系統(tǒng)出線電壓互感器PT（Potential Transformer）的開口三角變電壓為14 V，達(dá)到單相接地保護(hù)動(dòng)作電壓，保護(hù)動(dòng)作。停機(jī)后，對(duì)發(fā)電機(jī)A本體做各種電氣試驗(yàn)，包括定子線棒交直流耐壓試驗(yàn)，全部試驗(yàn)順利通過，沒有發(fā)現(xiàn)任何絕緣問題，判定發(fā)電機(jī)A不存在定子接地問題。

本機(jī)組曾更換1臺(tái)單相主變壓器。更換以后，發(fā)電機(jī)出線PT的開口三角變出現(xiàn)8 V電壓。此電壓低于繼電保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作電壓，但是，此電壓已接近保護(hù)動(dòng)作電壓（12 V）。在沒有調(diào)整此電壓的情況下，發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行。事故當(dāng)天天氣為雨天，發(fā)電機(jī)對(duì)地電容受空氣濕度影響，介電常數(shù)發(fā)生改變，三相不平衡度更加嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓偏移更加嚴(yán)重，致使保護(hù)動(dòng)作。

1.2 原因分析

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式，大多采用諧振接地方式或高電阻接地方式[1,2]。諧振接地方式時(shí)，中性點(diǎn)接入的消弧線圈L與發(fā)電機(jī)對(duì)地電容3 C0處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，其等效電路圖如圖1所示。

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)出線PT的3 U0為三相相電壓之和，當(dāng)三相相電壓幅值相等時(shí)，3U0為零。實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)三相電容量不會(huì)完全相同，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的不平衡會(huì)造成發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓產(chǎn)生偏移，造成三相相電壓幅值不相同，導(dǎo)致在PT開口三角處產(chǎn)生零序電壓，引起零序電壓保護(hù)誤動(dòng)。圖2為發(fā)電機(jī)相電壓變化矢量圖。

圖1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的等效電路

圖2 發(fā)電機(jī)相電壓變化矢量圖

圖3 發(fā)電機(jī)A的PT開口三角變電壓與消弧線圈檔位特性曲線

1.3 采取措施

在空載情況下，對(duì)發(fā)電機(jī)A做試驗(yàn)，改變發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈擋位，測量發(fā)電機(jī)出線PT的開口三角變電壓，其特性曲線如圖3所示。此發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電抗器為連續(xù)可調(diào)式、調(diào)整鐵芯間隙式電抗器。按照試驗(yàn)曲線，調(diào)整中性點(diǎn)消弧線圈擋位，降低中性點(diǎn)電壓，發(fā)電機(jī)重新啟動(dòng)、并網(wǎng)，恢復(fù)正常發(fā)電。

2 發(fā)電機(jī)出口PT引起鐵磁諧振

2.1 故障現(xiàn)象

某國產(chǎn)300MW發(fā)電機(jī)B大修后，在并網(wǎng)時(shí)，三相相電壓嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作，無法并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)過多次并網(wǎng)都無法成功。并網(wǎng)過程中出現(xiàn)一種現(xiàn)象，每次并網(wǎng)發(fā)電機(jī)出線避雷器都有一相動(dòng)作，但有時(shí)另一相也有動(dòng)作情況，但大多數(shù)只是其中一相動(dòng)作，無法完成發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。

2.2 原因分析

在電力系統(tǒng)中，鐵磁諧振是一個(gè)常見的故障。當(dāng)產(chǎn)生某種沖擊擾動(dòng)時(shí)，如斷路器的突然合閘、電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時(shí)接地等，都可能使一相或兩相對(duì)地電壓瞬間升高，致使電壓互感器的鐵芯飽和，激磁電感下降。在某些情況下，電壓互感器的非線性電感和系統(tǒng)的對(duì)地電容產(chǎn)生鐵磁諧振。系統(tǒng)發(fā)生PT諧振時(shí)產(chǎn)生的過電壓并不高，不會(huì)危及系統(tǒng)設(shè)備的正常絕緣，但諧振具有穩(wěn)定性，若不采取措施消除就會(huì)持續(xù)存在[3]。

在含有鐵芯的電感元件的回路中，由于鐵芯會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時(shí)電感不再是常數(shù)，它是電流或磁通的非線性函數(shù)。在滿足一定條件時(shí)就會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象，這是一種非線性諧振。簡單地說，鐵磁諧振是電路由于鐵芯飽和而引起的一種躍變，這一躍變使得電路由原來的電感性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙菪怨ぷ鳡顟B(tài)，在躍變過程中電流激增，電壓也隨著增加，從而產(chǎn)生了過電壓。

為了分析鐵磁諧振過電壓，先討論最簡單的有鐵磁元件的振蕩電路，如圖4所示。圖4中非線性電感及線性電容元件的伏安特性分別為圖5中UL曲線及UC直線。

圖4 串聯(lián)鐵磁諧振電路

由圖5可見，當(dāng)ωL＞1/ωC時(shí)，電流為感性的，ΔU=UL-UC；隨著回路電流增大，鐵芯飽和，電感降低；當(dāng)ωL＜1/ωC時(shí)，電流為容性的，此時(shí)ΔU=UC-UL。由回路的電勢平衡關(guān)系ΔU=|UC-UL|可知，回路的工作點(diǎn)為ΔU曲線與外加電壓E水平線的交點(diǎn)，在圖示的參數(shù)條件下，有a、b、c 3個(gè)交點(diǎn)，這3點(diǎn)都可決定回路的工作狀態(tài)，但其性能是不一樣的。

首先要分析的是各點(diǎn)的電氣性能。圖5中a點(diǎn)是穩(wěn)定工作點(diǎn)。假定由于偶然的因素使電流稍許上升一點(diǎn)，相應(yīng)的UL和UC都要上升，而UL上升比UC快，ΔU=|UC-UL|值也要上升。這時(shí)E低于電流上升后的ΔU值，維持不了這個(gè)電流，于是電流逐漸下降，直到a點(diǎn)才恢復(fù)平衡。假定由于偶然的因素使電流稍許下降。UL和UC都要下降，UL下降比UC快，|UC-UL|=ΔU＜E，電源電壓高于這時(shí)的ΔU值，迫使電流逐漸上升，回到a點(diǎn)才恢復(fù)平衡。用同樣的方法分析b、c點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圖5中的b是不穩(wěn)定工作點(diǎn)，c是穩(wěn)定工作點(diǎn)。

圖5 串聯(lián)鐵磁諧振電路伏安特性

如果外加電壓從零上升，電流相應(yīng)地從零上升，可以斷定一定會(huì)在a點(diǎn)穩(wěn)定下來，因?yàn)椴豢赡艹霈F(xiàn)越過a相應(yīng)的電流而達(dá)到c的電流這種情況。而當(dāng)電感經(jīng)受了巨大的電流沖擊（如突然合閘的巨大涌流，或巨大的短路電流），使得達(dá)到不穩(wěn)定的b點(diǎn)，這時(shí)就可能轉(zhuǎn)到c點(diǎn)（這就取決于過渡過程的激烈程度），此時(shí)UL和UC的值都較大（過電壓），電路便發(fā)生了鐵磁諧振，c點(diǎn)即為諧振點(diǎn)。由于c點(diǎn)的穩(wěn)定性諧振狀態(tài)可以“自保持”，能維持很長時(shí)間而不衰減。

由于發(fā)電機(jī)三相對(duì)地電容的不平衡，鐵磁諧振一般發(fā)生在三相中的一相或者兩相。

2.3 采取措施

通過試驗(yàn)，在開口三角PT串接一電阻，改變PT中的電流，使PT的電感量改變，改變了諧振點(diǎn)，使發(fā)電機(jī)不產(chǎn)生諧振，這時(shí)可以并網(wǎng)發(fā)電，但是接一電阻會(huì)使發(fā)電機(jī)保護(hù)受到一定影響。最后采用調(diào)整發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電抗器和更換發(fā)電機(jī)出口PT的方法，使故障得到解決。

3 防止發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)誤動(dòng)的措施和建議

a）大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地消弧線圈作用是補(bǔ)償對(duì)地電容電流，降低發(fā)電機(jī)短路電流容量。其擋位位置的選擇會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓偏移程度，甚至影響發(fā)電機(jī)單相接地保護(hù)。通過對(duì)發(fā)電機(jī)單相接地試驗(yàn)，消除理論值與實(shí)際需要補(bǔ)償值之間的誤差，選擇合適的消弧線圈的補(bǔ)償位置及補(bǔ)償配置，可以有效解決由于發(fā)電機(jī)相電壓不平衡引起的單相接地保護(hù)動(dòng)作誤動(dòng)現(xiàn)象。

b）發(fā)電機(jī)出口處選用勵(lì)磁特性飽和點(diǎn)較高的電磁式電壓互感器[4]。

c）減少同一系統(tǒng)中電壓互感器中性點(diǎn)接地的數(shù)量，除電源側(cè)電壓互感器高壓繞組中性點(diǎn)接地外，其他電壓互感器中性點(diǎn)盡可能不接地。

［1］吳湘黔，高尚政，馬曉紅.發(fā)電機(jī)消弧線圈擋位的選?。跩］.高電壓技術(shù)，2007，3（12）：211-213.

［2］汪雁，王曉瑜，錢冠軍，等.發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的位移電壓［J］.高電壓技術(shù)，1999，25（3）：84-85.

［3］賀秋麗，余奎，李如琦，等.鐵磁諧振及其消除原理分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，36（2）：320-324.

［4］中華人民共和國電力工業(yè)部.DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合［S］.北京：中國電力出版社，1997.

Analysis of Resonance-caused Stator Ground Protection M al-operation of Large Capacity Generator

GAO Peng，LIANG Ji-chong，DONG Nai-fen
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Focusing on the faults of some large capacity generator stator ground protectionmal-operation in Shanxiprovince，this paper briefly introduces the situations when the faults occurred.It analyses the causes leading to generator stator grounding protection mal-operation from the the aspects including gear selection of arc suppression coil at generator neutral point and voltage transformer at generator outlet.At last，themeasures and suggestions for avoiding large capacity generator stator grounding protection mal-operation are put forward.

generator；statorgrounding protection；mal-operation

TM307

B

1671-0320（2014）04-0006-03

2014-03-18，

2014-06-02

高鵬（1985-），男，山西祁縣人，2010年畢業(yè)于清華大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事高壓電氣設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作；

梁基重（1985-），男，山西平遙人，2010年畢業(yè)于西安交通大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)，工程師，從事高壓電氣設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作；

董乃芬（1954-），男，山西太原人，1978年畢業(yè)于山西大學(xué)光電子專業(yè)，高級(jí)工程師，從事發(fā)電機(jī)絕緣監(jiān)督工作。