發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器短路電阻和短路電抗測算方法

林彤，王昀帆，王睿，陳俊

（1.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂清 325609；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

目前，國內(nèi)的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)大多經(jīng)接地變壓器接地，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓一般取自接地變壓器的二次負(fù)載電阻抽頭，當(dāng)接地變壓器的短路阻抗較大時(shí)，基波零序電壓定子接地保護(hù)定值整定應(yīng)考慮短路阻抗的影響，需要知道接地變壓器的短路電阻和短路電抗值才能核算該保護(hù)的保護(hù)范圍[1]。但接地變壓器銘牌上一般只提供短路阻抗，而沒有短路電阻和短路電抗的大小，并且短路阻抗銘牌值往往與實(shí)際值還存在一定的誤差。

當(dāng)然，可通過短路試驗(yàn)來測量變壓器短路阻抗（也稱為伏安法）[2]，將二次繞組先短路，一次繞組再加電壓，電壓從零逐漸升高，到一次繞組電流為額定值，停止升壓，測量一次側(cè)電壓和輸入功率，由一次側(cè)電壓除以一次電流即為短路阻抗，由輸入功率除以一次電流的平方即為短路電阻，由短路阻抗和短路電阻即可求得短路電抗值。實(shí)際上現(xiàn)場并不進(jìn)行接地變壓器的短路試驗(yàn)。

為了測量接地變壓器的短路電阻和短路電抗，本文提出一種新方法，通過模擬發(fā)電機(jī)定子單相接地故障試驗(yàn)，來確定中性點(diǎn)零序電壓與機(jī)端零序電壓之間的比例關(guān)系，為基波零序電壓定子接地保護(hù)整定計(jì)算提供依據(jù)，同時(shí)完成發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的短路電阻和短路阻抗的間接測量。

1 接地變壓器短路阻抗測算新方法

1.1 基本研究思路

發(fā)電機(jī)定子單相接地故障時(shí)，機(jī)端和中性點(diǎn)工頻零序電壓一次值近似相等，因此，模擬發(fā)電機(jī)定子單相接地故障，通過發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置記錄故障時(shí)的機(jī)端零序電壓和中性點(diǎn)零序電壓波形數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓PT變比以及接地變二次負(fù)載電阻值，即可求得發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的短路電阻和短路電抗值[3]。

1.2 定子單相接地故障試驗(yàn)方法

圖1 考慮短路阻抗的接地變模型Fig.1 Grounding transformer model considering short circuit impedance

圖2 機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓波形Fig.2 Terminal and neutral zero-sequence voltage waveform

停機(jī)狀態(tài)下在發(fā)電機(jī)機(jī)端PT處設(shè)置單相接地點(diǎn)，投他勵(lì)電源，緩慢遞升勵(lì)磁電流，直到發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓超過發(fā)電機(jī)基波零序電壓定子接地保護(hù)動(dòng)作定值，由發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置記錄故障時(shí)的機(jī)端零序電壓和中性點(diǎn)零序電壓波形數(shù)據(jù)，根據(jù)錄波數(shù)據(jù)可計(jì)算出機(jī)端零序電壓與中性點(diǎn)零序電壓基波幅值的比例關(guān)系，為基波零序電壓定子接地保護(hù)的整定計(jì)算提供依據(jù)，同時(shí)為中性點(diǎn)接地變短路電阻和短路電抗的計(jì)算做準(zhǔn)備。

1.3 短路電阻和短路電抗計(jì)算方法

考慮短路阻抗后的中性點(diǎn)接地變壓器的等效電路如圖1所示，其中rn為接地變壓器二次負(fù)載電阻值，rk和xk分別為接地變壓器的短路電阻和短路電抗二次值，為中性點(diǎn)零序電壓。

圖3 k1和k2計(jì)算值Fig.3 K1 and K2 calculated values

圖4 短路電阻和短路電抗計(jì)算值Fig.4 Short-circuit resistance and short-circuit reactance calculation value

發(fā)電機(jī)定子單相接地故障時(shí)，機(jī)端零序電壓和中性點(diǎn)零序電壓工頻分量近似相等，可得

上式中：a(k)和b(k)分別為余弦分量和正弦分量，N為工頻每周波采樣點(diǎn)數(shù)，x(k)為離散采樣值。

將式（4）和式（5）帶入式（3），得

根據(jù)以上方程組可求得

從而可得短路電阻rk和短路電抗xk計(jì)算式：

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以樂清電廠4號發(fā)電機(jī)為例，驗(yàn)證本文提出的接地變壓器短路阻抗測算方法。

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器型號為DC-140/20，容量Sn為140kVA，一次額定電壓Un為20kV，變比為20kV/230kV，二次負(fù)載電阻rn為0.22Ω，短路阻抗銘牌值為6.05%，機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓相關(guān)系數(shù)為1.33。在4號發(fā)電機(jī)上模擬定子單相接地故障，手動(dòng)增加勵(lì)磁直到基波零序電壓定子接地保護(hù)動(dòng)作，記錄下了故障時(shí)的相關(guān)電壓波形。

發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)的機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓波形如圖2所示。

依據(jù)圖2所示的機(jī)端和中性點(diǎn)對地零序電壓波形數(shù)據(jù)，由式（9）和式（10）可求得k1和k2值，如圖3所示。

圖3中，n為采樣點(diǎn)數(shù)，前24點(diǎn)過渡過程，為24個(gè)點(diǎn)以后的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)窗，可見，k1和k2分別約為0.769和0.072，帶入式（11）和式（12）可求得接地變壓器的短路電阻rk和短路電抗xk二次值如圖4所示，分別約為34Ω和158Ω左右。

采用JLZ-2004阻抗測試儀實(shí)測4號發(fā)電機(jī)接地變壓器的短路阻抗，短路電阻和短路電抗約為34.84Ω和162.7Ω?？梢?，測算值和銘牌值兩者基本吻合，考慮到接地變壓器的銘牌參數(shù)存在誤差，發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓測量也存在一定的誤差，本項(xiàng)目提出的測量方法可以滿足工程要求。

3 結(jié)語

本文提出了一種發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器短路電阻和短路電抗測算方法，通過模擬發(fā)電機(jī)定子單相接地故障，由發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置記錄故障時(shí)的機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓，利用發(fā)電機(jī)定子單相接地故障時(shí)，機(jī)端一次零序電壓和中性點(diǎn)一次零序電壓工頻分量近似相等的特征，采用全周傅立葉算法即可求得短路電阻和短路電抗。

現(xiàn)場定子單相接地故障錄波數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的正確性。

[1]陳俊,劉洪,嚴(yán)偉,等.大型水輪發(fā)電機(jī)組保護(hù)若干技術(shù)問題探討[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測,2012,36(04):41-44.

[2]李發(fā)海,朱東起.電機(jī)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[3]陳俊,朱松強(qiáng),李軍保,等.發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器短路電阻和短路電抗測算方法:中國,201210066533.0[P].2012-3-14.

[4]許正亞.變壓器及中低壓網(wǎng)絡(luò)數(shù)字式保護(hù)[M].北京:中國水利水電出版社,2004.