一種新型發(fā)電機(jī)相間保護(hù)

摘要：文章首先對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部?jī)上喽搪返呢?fù)序電流分布的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，得出關(guān)于兩相短路故障點(diǎn)兩側(cè)負(fù)序電流比值的結(jié)論，從而分析發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的可靠性、靈敏度、有無(wú)死區(qū)等特點(diǎn)，最后對(duì)過(guò)渡電阻給發(fā)電機(jī)的相間保護(hù)裝置帶來(lái)的影響做了相關(guān)的分析。

關(guān)鍵詞：新型發(fā)電機(jī)；發(fā)電機(jī)故障；相間保護(hù)；兩相短路；負(fù)序電流分布 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM312 文章編號(hào)：1009-2374（2015）31-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.013

1 概述

縱差保護(hù)是我國(guó)目前發(fā)電機(jī)相間保護(hù)的主要方法，發(fā)電機(jī)的內(nèi)部是發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的一個(gè)主要范圍，如果在發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)附近或者是經(jīng)過(guò)過(guò)渡的電阻短路的過(guò)程中出現(xiàn)故障，則故障點(diǎn)的電流一般是很小的數(shù)值，但是卻無(wú)法將發(fā)電機(jī)的縱差保護(hù)啟動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一定的死區(qū)，范圍在5%左右。后備保護(hù)功能是切除發(fā)電機(jī)中這一類型故障的主要手段，當(dāng)然也可以采取等待的方式，使故障發(fā)展到一定的程度，再對(duì)其采取縱差保護(hù)，但是這種等待保護(hù)的方式會(huì)在很大程度上對(duì)發(fā)電機(jī)造成損害，影響發(fā)電機(jī)的性能，于是在實(shí)際中基本上不采用第二種方法。主要是由于第一種方法在開(kāi)始時(shí)便采取一定的措施進(jìn)行保護(hù)，減少了對(duì)發(fā)電機(jī)的損壞，而第二種方法使故障發(fā)生到一定程度，就會(huì)對(duì)其采取縱差保護(hù)，這種等待保護(hù)的方式大大地提高了發(fā)電機(jī)在等待過(guò)程中發(fā)生二次損毀的概率。因此，廣大發(fā)電機(jī)保護(hù)工作者的研究課題之一就是如何有效減少甚至消除發(fā)電機(jī)故障死區(qū)，從而加強(qiáng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的反應(yīng)能力。

2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部?jī)上喽搪坟?fù)序電流分布的特點(diǎn)

圖1 系統(tǒng)接線及內(nèi)部短路示意圖

做一個(gè)假設(shè)，無(wú)限大容量系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)之間存在著連接關(guān)系，那么此刻大容量系統(tǒng)的等值電勢(shì)在圖1中可表現(xiàn)為E5，zs為系統(tǒng)的等值抗阻，其值為0，如圖1（b）中所示。三相短路這一情況在發(fā)電機(jī)中不是很常見(jiàn)，這主要是由于發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)部，當(dāng)然，三相交流在一些特殊的情況下也會(huì)發(fā)生，如由于發(fā)電機(jī)兩相短路，進(jìn)而引發(fā)三相交流，因此，其一般情況下，在發(fā)電機(jī)內(nèi)部通常只考慮發(fā)生兩相短路的情況，如圖1（b）所示。

設(shè)發(fā)電機(jī)與無(wú)限大容量系統(tǒng)相聯(lián)，即系統(tǒng)等值電勢(shì)為E5，系統(tǒng)等值阻抗zs為零，見(jiàn)圖1（a）。在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生兩相短路（在發(fā)電機(jī)內(nèi)部由于結(jié)構(gòu)上原因發(fā)生三相短路是罕見(jiàn)的，即使有，也是從兩相短路發(fā)展而成），見(jiàn)圖1（b）。

圖2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部?jī)上喽搪窂?fù)合序網(wǎng)絡(luò)

圖2中，aEG和（1-a）EG、ZG1a和ZG1（1-a）、ZG2a和ZG2（1-a）、I2a和I2（1-a）分別為故障點(diǎn)兩側(cè)的發(fā)電機(jī)電勢(shì)、正序阻抗、負(fù)序阻抗、負(fù)序電流。從復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)圖中，我們可以知道，發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)的負(fù)序阻抗與其負(fù)序電流成反比，即：

（1）

表明：（1）兩側(cè)的負(fù)序抗阻與電流比值具有很重要的關(guān)系，同時(shí)也可以說(shuō)，故障點(diǎn)的位置對(duì)負(fù)序電流有很大程度的影響。故障點(diǎn)兩側(cè)負(fù)序電流之比值只與其兩側(cè)負(fù)序抗阻有決定性關(guān)系，與其他因素沒(méi)有關(guān)系。也就是說(shuō)故障點(diǎn)的位置直接決定了故障點(diǎn)兩側(cè)的負(fù)序電流比值；（2）當(dāng)故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)繞k中間位置時(shí)，即a=50%，ZG2a=ZG2a（l-a），|I2a|/|I2（l-a）|=1，當(dāng)故障點(diǎn)向發(fā)電機(jī)出口側(cè)偏移，即a>50%，|I2a|/|I2（l-a）|<1，直至為零；當(dāng)故障點(diǎn)向發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)偏移，即a<50%，|I2a|/|I2（l-a）|>1，直至無(wú)限大。從而得出結(jié)論，當(dāng)故障點(diǎn)開(kāi)始移動(dòng)，沿著其原始方位逐漸趨近于出口處的中性點(diǎn)，其負(fù)序電流的比值由零開(kāi)始，趨向于無(wú)限大，即故障點(diǎn)移動(dòng)，負(fù)序電流便開(kāi)始增大。簡(jiǎn)而言之，就是位于故障點(diǎn)兩側(cè)的負(fù)序電流比值會(huì)不斷增大。

當(dāng)在有限容量系統(tǒng)中將發(fā)電機(jī)接入，即Zs≠0，此時(shí)式（1）可改寫(xiě)成：

（2）

由式（2）可以看出，由于系統(tǒng)阻抗Zs的存在，使相應(yīng)丨I2a丨/|I2（l-a）|=1的故障點(diǎn)向發(fā)電機(jī)出口側(cè)偏移。

3 新型發(fā)電機(jī)相間保護(hù)的構(gòu)成

從上述分析得出，如果發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障點(diǎn)越是靠近發(fā)電機(jī)的中性附近時(shí)，其故障點(diǎn)兩側(cè)的負(fù)序電流之比值就會(huì)越大。設(shè)置|I2a|/|I2（l-a）|>1作為動(dòng)作的條件，這樣就能保證這個(gè)負(fù)序電流比值測(cè)量元件對(duì)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)附近的故障點(diǎn)較靈敏的反應(yīng)，再把對(duì)發(fā)電機(jī)出口處側(cè)故障反應(yīng)靈敏的縱差測(cè)量元件與負(fù)序電流比值測(cè)量元件結(jié)合在一起，就能夠互相彌補(bǔ)，構(gòu)成新型的無(wú)死區(qū)、運(yùn)作快、靈敏度高的發(fā)電機(jī)相間保護(hù)裝置，其原理如圖3所示：

圖3 新保護(hù)原理框圖

圖3中I2a、I2（l-a）分別從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)和出口側(cè)的負(fù)序電流濾過(guò)器1和2取得，首先輸入負(fù)序電流比值測(cè)量元件，再通過(guò)負(fù)序電流比值測(cè)量元件的輸出與縱差測(cè)量元件構(gòu)成“或”門(mén)，經(jīng)過(guò)觸發(fā)器發(fā)出之后才能跳閘脈沖。如果故障出現(xiàn)在保護(hù)范圍之外的地方，流經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與出口側(cè)的負(fù)序電流相等時(shí)，此時(shí)就會(huì)有|I2a|/|I2（l-a）|=1，那么發(fā)電機(jī)的保護(hù)將不會(huì)動(dòng)作。

另外，通過(guò)對(duì)復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)的分析還可以看出：如果兩相接地短路，兩相不對(duì)應(yīng)點(diǎn)短路，多支路負(fù)序電流的分布就能遵守與負(fù)序阻抗成反比的規(guī)律，在兩相接地均出現(xiàn)短路的情況下，與相不相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)由于兩相的短路關(guān)系，會(huì)繼而短路，這是負(fù)序電流與負(fù)序抗阻成反比的一個(gè)前提；如果匝間出現(xiàn)短路，而開(kāi)焊流經(jīng)兩側(cè)的負(fù)序電流相等，就會(huì)出現(xiàn)比值為1的結(jié)果；如果過(guò)載，發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)三相短路故障，就會(huì)導(dǎo)致其振蕩不會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量。

4 過(guò)渡電阻的影響

上述的情況對(duì)發(fā)電機(jī)的保護(hù)來(lái)說(shuō)起著很重要的作用，但是還可以從上述的網(wǎng)型中得出，在發(fā)電機(jī)中，如果其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在過(guò)渡電阻，發(fā)生接地情況時(shí)，不會(huì)對(duì)負(fù)序電流產(chǎn)生影響，可以說(shuō)，只有發(fā)電機(jī)內(nèi)部的總負(fù)序電流會(huì)被相間過(guò)渡電阻所影響，但是這對(duì)發(fā)電機(jī)的故障兩側(cè)的負(fù)序電流比來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有什么實(shí)際的影響。若是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不存在過(guò)渡電阻，在發(fā)生接地情況時(shí)，電流就不會(huì)再經(jīng)過(guò)電阻的阻礙。總的來(lái)說(shuō)，不管過(guò)渡電阻在發(fā)電機(jī)內(nèi)部是否真實(shí)存在，發(fā)電機(jī)的故障兩側(cè)負(fù)序電流還是會(huì)依照原先的設(shè)定發(fā)生運(yùn)行，并不存在什么實(shí)際的影響。

5 保護(hù)范圍的討論

一般來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的死區(qū)在5%左右的范圍內(nèi)時(shí)，負(fù)序電流比值測(cè)量元件可以在α<38%范圍內(nèi)的故障（即可靠系數(shù)取用1.3，靈敏度系數(shù)>2）發(fā)生能反應(yīng)，但是，這個(gè)范圍與縱差保護(hù)的死區(qū)相差過(guò)大，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱差保護(hù)的5%的死區(qū)的，因此可以說(shuō)，在新型的發(fā)電機(jī)中，死區(qū)并不存在。此外，這種新型發(fā)電機(jī)相間保護(hù)在5%<α<38%之間范圍內(nèi)，縱差測(cè)量元件以及負(fù)序電流測(cè)量元件都會(huì)產(chǎn)生一定的反應(yīng)，這種反應(yīng)經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)行機(jī)理作用在發(fā)電機(jī)上，都能對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生保護(hù)作用，在很大程度上提高了其保護(hù)作用的穩(wěn)定，進(jìn)而減少了發(fā)電機(jī)故障的發(fā)生概率。

6 關(guān)于靈敏度

對(duì)一臺(tái)60萬(wàn)kW汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部?jī)上喽搪窌r(shí)縱差和比值測(cè)量元件的靈敏度進(jìn)行了理論計(jì)算，其結(jié)果如表1：

表1 靈敏度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果可以看出，當(dāng)故障出現(xiàn)在α=26.37%處時(shí)，縱差和比值測(cè)量元件的靈敏度相等，當(dāng)

α>26.37%時(shí)，縱差元件和負(fù)序電流測(cè)量元件這兩者的靈敏度都在緩慢下降，但這兩者維持的最小靈敏度不同，縱差的靈敏度最小可保持在6.67，當(dāng)α<26.37%時(shí)，比值測(cè)量元件的靈敏度上升得較快，而且比縱差高，所以新型保護(hù)對(duì)內(nèi)部故障的靈敏度可提高至Klm≥6.67。

參考文獻(xiàn)

[1] 王維儉，等.大型機(jī)組繼電保護(hù)理論基礎(chǔ)[M].北京：水利電力出版社，1982.

[2] 何仰贊.同步電機(jī)的內(nèi)部短路計(jì)算[J].華中工學(xué)院學(xué)報(bào)，1979，（1）.

[3] 鄒銳，郭荷清，王福如，鄒祖英.發(fā)電機(jī)匝間短路保護(hù)研究報(bào)告[A].湖北科技論文選編[C].1963.

作者簡(jiǎn)介：王軍（1965-），男，江西省電力設(shè)計(jì)院工程師，研究方向：電力工程設(shè)計(jì)和研究。

（責(zé)任編輯：周 瓊）endprint