發(fā)電機(jī)斷路器對(duì)單相接地故障影響的研究

余銀輝，王文明，孫 煒

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518120)

0 引言

近年來(lái)，隨著發(fā)電機(jī)出口斷路器容量、可靠性及經(jīng)濟(jì)性的提高，國(guó)內(nèi)采用發(fā)電機(jī)出口斷路器（GeneratorCircuitBreaker，GCB)的大型發(fā)電機(jī)組逐漸增多，老舊發(fā)電廠采用新型發(fā)電機(jī)出口斷路器取代原負(fù)荷開(kāi)關(guān)的改造也日益增多。加裝發(fā)電機(jī)出口斷路器可提高發(fā)變組保護(hù)水平，縮小故障范圍。對(duì)于1000MW及以上機(jī)組應(yīng)用場(chǎng)合，目前瑞士ABB公司的HEC7/8型發(fā)電機(jī)斷路器在世界范圍內(nèi)具有最大的市場(chǎng)占有率。

1 負(fù)荷開(kāi)關(guān)改造概況

某核電廠發(fā)電機(jī)出口負(fù)荷開(kāi)關(guān)為瑞士ABB公司生產(chǎn)的DR36U1250型老式氣動(dòng)開(kāi)關(guān)。基于多方面原因，對(duì)該核電廠發(fā)電機(jī)負(fù)荷開(kāi)關(guān)及其附屬設(shè)備進(jìn)行整體換型改造。根據(jù)短路電流等參數(shù)的校核，最終選擇瑞士ABB公司的HEC7B型發(fā)電機(jī)出口斷路器。系統(tǒng)改造前后結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。

改造后，發(fā)電機(jī)出口斷路器每相的發(fā)電機(jī)側(cè)和變壓器側(cè)電容分別為132nF和260nF。電容的作用在于限制斷路器分?jǐn)鄷r(shí)的暫態(tài)恢復(fù)過(guò)電壓。

該電廠發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)中性點(diǎn)接地變壓器高電阻接地方式。2臺(tái)完全一樣的中性點(diǎn)接地變壓器，分別位于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和廠變A中性點(diǎn)。均按阻性電流5A配置配電變壓器及二次側(cè)電阻。

圖1 系統(tǒng)改造前后結(jié)構(gòu)

高阻接地的目的是限制定子繞組單相接地故障的間歇性弧光暫態(tài)過(guò)電壓和2次(或多次)重燃的動(dòng)態(tài)過(guò)電壓，也因此增大了接地電流，使發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)能迅速切除機(jī)組，使其免受損壞。

2 對(duì)單相接地故障電流的影響

發(fā)電機(jī)定子單相接地故障是發(fā)電機(jī)的一種主要故障類(lèi)型。定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)，若發(fā)電機(jī)本身及其引出回路所連接元件的對(duì)地電容電流超過(guò)允許值，將燒傷定子鐵芯，進(jìn)而造成定子繞組絕緣燒損，引起匝間或相間短路。如不及時(shí)處理，易引起故障點(diǎn)局部過(guò)熱，燒毀定子線(xiàn)棒及鐵芯。故障電流產(chǎn)生的電弧會(huì)灼傷接地點(diǎn)的鐵芯，具體表現(xiàn)為鐵芯有燒痕甚至是明顯的小坑，線(xiàn)棒絕緣燒損有熔渣；電弧還會(huì)灼傷其他部位，擴(kuò)大絕緣損壞程度。此外，鐵芯疊片燒結(jié)在一起，會(huì)產(chǎn)生渦流并引起定子繞組局部溫升加劇，進(jìn)一步破壞絕緣。當(dāng)出現(xiàn)另一點(diǎn)接地時(shí)，就會(huì)造成匝間或相間故障，使發(fā)電機(jī)受到更為嚴(yán)重的破壞。

電容電流Ic與電容C的大小成正比:

式中:V——發(fā)電機(jī)額定電壓；

故障電流I如下式：

式中:IR——發(fā)電機(jī)定子接地阻性電流。

對(duì)改造前后單相接地故障電流進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 GCB改造前后發(fā)電機(jī)單相接地故障電流計(jì)算

改造前發(fā)電機(jī)單相接地故障電流為10.85A，而改造后發(fā)電機(jī)單相接地故障電流將增大為13.93A。

DL/T620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定，“單相接地故障電流一般限制為 10A”。IEEEC37.101規(guī)定，“限制單相接地故障電流在3—25A”。美國(guó)電氣標(biāo)準(zhǔn)和英國(guó)電氣規(guī)程規(guī)定，為了減少單相接地故障時(shí)對(duì)設(shè)備的損壞程度，故障電流應(yīng)限制在10—15A。GB14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，可根據(jù)發(fā)電機(jī)廠家的要求設(shè)計(jì)單相接地故障電流的限值。

德國(guó)西門(mén)子公司提出，發(fā)電機(jī)單相接地故障電流必須限制在15A以下，接地保護(hù)動(dòng)作于跳閘，以減輕定子鐵芯損傷。

20世紀(jì)90年代初期，我國(guó)在引進(jìn)百萬(wàn)千瓦級(jí)別機(jī)組期間針對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式進(jìn)行了大量的研究。對(duì)于百萬(wàn)千瓦級(jí)別機(jī)組，國(guó)際上普遍采用高阻接地方式，而國(guó)內(nèi)普遍采用諧振接地方式。諧振接地方式下單相接地故障電流可限制在1A以下，而高阻接地方式的單相接地故障電流則大許多。國(guó)內(nèi)某科研院所采用某大型水電廠現(xiàn)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的備用件進(jìn)行了模擬故障電流對(duì)鐵芯的燒損研究，試驗(yàn)鐵芯電壓等級(jí)15.75kV，用0.5mm冷軋硅鋼片專(zhuān)門(mén)制作，鐵芯全長(zhǎng)0.5m，重約300kg。試驗(yàn)時(shí)，在線(xiàn)棒上人工鉆1個(gè)小孔，以實(shí)現(xiàn)引弧，通過(guò)改變電容器值以獲得所需電流值，在有效值為31.2A的故障電流下，不同燃弧時(shí)間對(duì)鐵芯的破壞結(jié)果如表2所示。

表2 電弧燒損試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，因持續(xù)時(shí)間極短，鐵芯只有輕微的熔焊現(xiàn)象，只需略作修補(bǔ)即可；其發(fā)生渦流發(fā)熱或相間短路等繼發(fā)性故障的可能性極小。

綜上，改造后的單相接地故障電流值符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，比DL/T620—1997規(guī)定的值略高；從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該故障電流不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成不可修復(fù)的損壞。

3 對(duì)單相接地故障弧光接地過(guò)電壓的影響

故障電流產(chǎn)生的電弧帶來(lái)的瞬態(tài)接地過(guò)電壓在故障相和非故障相都會(huì)引起電壓升高，過(guò)電壓對(duì)絕緣亦有破壞作用。國(guó)內(nèi)外的研究表明，在高阻接地情況下，過(guò)電壓只需10ms就能衰減。

美國(guó)在20世紀(jì)30—40年代，對(duì)高阻接地方式進(jìn)行暫態(tài)仿真試驗(yàn)，給出了重燃弧過(guò)電壓與中性點(diǎn)接地電阻之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示。研究表明，發(fā)電機(jī)單相接地、任意重燃次數(shù)的過(guò)電壓數(shù)值Utr與中性點(diǎn)電阻的功耗、三相定子繞組對(duì)地電容的無(wú)功伏安有關(guān)。當(dāng)二者比值接近1時(shí)，Utr=2.6Eph(Eph為額定相電壓的峰值)，相當(dāng)于新機(jī)出廠試驗(yàn)電壓3.5Eph的75%。進(jìn)一步減小中性點(diǎn)接地電阻值R(即增大有功功耗),對(duì)減小Utr的作用已不明顯，但是卻會(huì)增加故障電流。

圖2 過(guò)電壓與有功損耗和無(wú)功損耗的比值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

DL/T620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定，“高電阻接地的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合R0≤XC0的準(zhǔn)則，以限制由于電弧接地故障產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓?！?/p>

DL/T5090—1999《水力發(fā)電廠過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》4.5節(jié)規(guī)定，“發(fā)電機(jī)的暫時(shí)過(guò)電壓為2.6Eph，即1.5倍發(fā)電機(jī)額定電壓，即發(fā)電機(jī)的工頻耐壓試驗(yàn)值?！?/p>

GCB改造后，在GCB閉合狀態(tài)下，單相接地故障情況下的容性電流(9.71A)仍然低于阻性電流(10A)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；在GCB打開(kāi)狀態(tài)下(機(jī)組并網(wǎng)前)，單相接地故障情況下容性電流(5.54A)將大于阻性電流(5A)，不滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。阻性電流和容性電流的比值為0.9，阻抗和容抗的比值為1.1，過(guò)電壓約為2.72Eph(按照比值為1，過(guò)電壓2.6倍；比值為0.75，過(guò)電壓為2.9倍，線(xiàn)性擬合得出)。

預(yù)試規(guī)程中規(guī)定，“發(fā)電機(jī)定子繞組交流耐壓試驗(yàn)，運(yùn)行20年以上不帶架空線(xiàn)試驗(yàn)電壓為1.3—1.5Un?！?/p>

該發(fā)電機(jī)絕緣水平較高。發(fā)電機(jī)定子繞組出廠耐壓實(shí)驗(yàn)為55kV，約為3.67倍額定相電壓；其中單根線(xiàn)棒主絕緣為71kV，短時(shí)耐受2.72Eph,完全在發(fā)電機(jī)的耐壓設(shè)計(jì)值內(nèi)。

4 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器高阻接地方式，有的接地電阻已不按2.6p.u.的過(guò)電壓限制，而是按單相接地電流應(yīng)盡量減小而選取較大的值。

三峽電站也采用了與本次改造類(lèi)似的GCB。三峽電站2號(hào)機(jī)組的接地電阻選型突破了傳統(tǒng)的比值為1的要求，阻抗和容抗的比值為1.17。文獻(xiàn)8指出，當(dāng)限制中性點(diǎn)電流為5A時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)等值電阻與對(duì)地容抗之比Rn/XC為4.8,此時(shí)發(fā)生單相接地故障時(shí)暫態(tài)過(guò)電壓將達(dá)到3.5倍額定電壓。分析認(rèn)為，三峽電站發(fā)電機(jī)定子繞組主絕緣等級(jí)高，且定子繞組對(duì)地電容大，單相接地故障時(shí)的電容電流比較大，因此定子繞組單相接地故障引起的危害，過(guò)電壓是次要的，故障電流是主要的；選取發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻大小時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放寬對(duì)過(guò)電壓的限制。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某電廠負(fù)荷開(kāi)關(guān)整體換型的改造，計(jì)算和研究發(fā)電機(jī)出口斷路器電容對(duì)發(fā)電機(jī)單相接地故障電流及瞬態(tài)過(guò)電壓的影響，認(rèn)為單相接地故障電流從10.85A增加為13.93A不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成嚴(yán)重的損壞事故。機(jī)組并網(wǎng)前單相接地故障情況下弧光過(guò)電壓為 2.72Eph，略超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) (2.6Eph)的要求，但低于該電廠發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí)，與預(yù)試規(guī)程要求的1min耐壓試驗(yàn)電壓相當(dāng)，且故障情況下過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間很短(小于1s)，故認(rèn)為單相接地故障情況下的弧光接地過(guò)電壓也不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞事故。以上分析結(jié)論可為老舊發(fā)電廠進(jìn)行發(fā)電機(jī)出口斷路器整體換型改造提供參考。

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