大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)3U0定值在實(shí)際工程中的應(yīng)用分析

郭良基

（神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建泉州362712）

0 引言

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，節(jié)能、環(huán)保和提高機(jī)組效率的要求以及制造技術(shù)水平和材料質(zhì)量的提高，近年來(lái)我國(guó)大量投產(chǎn)超超臨界600 MW和1 000 MW火電機(jī)組，且其中性點(diǎn)接地方式多采用配電變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻的高阻接地方式。顯然，機(jī)組容量增大，定子電壓升高，定子電流增大，定子繞組對(duì)地電容參數(shù)增大，使得發(fā)電機(jī)定子繞組與鐵芯的絕緣直接遭受破壞時(shí)，流過(guò)接地故障點(diǎn)的容性及阻性電流大為增大，并且會(huì)灼傷鐵芯，甚至進(jìn)一步發(fā)展成為發(fā)電機(jī)定子繞組或匝間短路。而大型發(fā)電機(jī)組修復(fù)困難且工期長(zhǎng)，勢(shì)必造成相當(dāng)大的直接損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。所以，有效地保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組及鐵芯的安全是十分重要的任務(wù)和責(zé)任，定子繞組接地保護(hù)除了要有正確完善的保護(hù)原理判據(jù)外，還應(yīng)有合理的整定原則和方法，使其能靈敏地反映全部繞組接地故障。本文就如何充分發(fā)揮大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)3U0元件的性能進(jìn)行了探討、分析。

1 大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)相關(guān)規(guī)定及整定原則

GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中對(duì)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)作了如下規(guī)定[1]：

（1）發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值按制造廠的規(guī)定值，如無(wú)制造廠提供的規(guī)定值可參照第2.2.4.1條的表1中所列數(shù)據(jù)。如表中要求：額定電壓為18～20 kV的300～600 MW的發(fā)電機(jī)組，其接地電流允許值為1 A。

（2）與母線直接連接的發(fā)電機(jī)：當(dāng)單相接地故障電流（不考慮消弧線圈的補(bǔ)償作用）大于允許值（第2.2.4.1條的表1）時(shí)，應(yīng)裝設(shè)有選擇性的接地保護(hù)裝置。接地保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于信號(hào)，但當(dāng)消弧線圈退出運(yùn)行或由于其他原因使殘余電流大于接地電流允許值時(shí)，應(yīng)切換為動(dòng)作于停機(jī)。

（3）對(duì)100 MW以下發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)不小于90%的定子接地保護(hù)；對(duì)100 MW及以上的發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)為100%的定子接地保護(hù)。保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于信號(hào)，必要時(shí)也可以動(dòng)作于停機(jī)。

結(jié)合以上規(guī)定及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以理解為：完善、合理的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)整定值及投運(yùn)方式，其指導(dǎo)思想應(yīng)是：保護(hù)范圍覆蓋整個(gè)定子繞組，保護(hù)區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)接地故障爭(zhēng)取有足夠高的靈敏度；其中各段動(dòng)作整定值應(yīng)以保護(hù)范圍、接地靈敏度及接地故障電流大小為核心考量因素。首先應(yīng)該了解發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式及實(shí)際的單相接地電容電流，并計(jì)算出發(fā)電機(jī)繞組各位置單相接地電流值。其中定子接地保護(hù)動(dòng)作于跳閘還是信號(hào)的選擇原則就以單相接地電流是否超過(guò)允許值為準(zhǔn)，若發(fā)電機(jī)單相接地電流小于故障電流允許值，定子接地保護(hù)可以只發(fā)信號(hào)而不跳閘，以盡量避免突然跳閘對(duì)機(jī)組和系統(tǒng)造成的沖擊；若接地電流大于允許值，為避免燒壞定子鐵芯，保護(hù)應(yīng)當(dāng)動(dòng)作于跳閘，以確保發(fā)電機(jī)定子繞組及鐵芯的安全。

2 大型發(fā)電機(jī)組定子接地3U0保護(hù)定值應(yīng)用不足問(wèn)題

DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》中規(guī)定發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)3U0元件整定計(jì)算原則為[2]：

式中，Krel為可靠系數(shù)，取1.2～1.3；Uunb.max為實(shí)測(cè)不平衡電壓，應(yīng)為濾除三次諧波后的基波電壓值。

由于系統(tǒng)耦合零序電壓可能引起基波零序過(guò)電壓保護(hù)誤動(dòng)作，因此，定子單相接地保護(hù)動(dòng)作電壓整定值或延時(shí)應(yīng)與系統(tǒng)接地保護(hù)配合，可分三種情況：

（1）動(dòng)作電壓若已躲過(guò)主變壓器高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，在可能的情況下延時(shí)應(yīng)盡可能短，可取0.3～1.0 s；

（2）具有主變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)接地故障傳遞過(guò)電壓防誤動(dòng)措施的保護(hù)裝置，延時(shí)可取0.3～1.0 s；

（3）動(dòng)作電壓若低于主變壓器高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，延時(shí)應(yīng)與高壓側(cè)接地保護(hù)配合。

顯然，《導(dǎo)則》中所述并未明確與系統(tǒng)接地保護(hù)哪段時(shí)限配合，這樣就造成國(guó)內(nèi)發(fā)電廠在整定過(guò)程中有的機(jī)組定子接地保護(hù)時(shí)限整定為0.5～1 s，有的卻整定為延時(shí)5～6 s。由于整定計(jì)算人員對(duì)《導(dǎo)則》該部分內(nèi)容理解上的偏差，在實(shí)際運(yùn)行中可能因定子接地保護(hù)不能正確動(dòng)作而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)重大事故問(wèn)題。下面通過(guò)某工程實(shí)際算例對(duì)3U0定值進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

3 某工程3U0保護(hù)實(shí)際應(yīng)用計(jì)算

石獅鴻山二期2×1 050 MW汽機(jī)發(fā)電機(jī)組工程中，機(jī)組單元接線，機(jī)端自并勵(lì)系統(tǒng)，采用GE公司生產(chǎn)的發(fā)變組保護(hù)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器（二次側(cè)接電阻）接地，機(jī)端電壓互感器變比為27/0.866/0.173 kV，配電變變比為27/0.173 kV，二次電阻值為0.12 Ω，經(jīng)查廠家資料并統(tǒng)計(jì)，發(fā)電機(jī)定子繞組每相對(duì)地電容Cg=0.197 μF，主變低壓繞組每相對(duì)地電容Czd=0.058 49 μF，高廠變高壓繞組每相對(duì)地電容Cgg=0.011 58 μF，機(jī)端其他外接元件（勵(lì)磁變、機(jī)端PT等）每相對(duì)地總電容Cgq=0.011 μF，主變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容CM=0.012 33 μF。

3.1 定子繞組單相接地時(shí)的接地電流計(jì)算

中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器（二次側(cè)接電阻）接地的發(fā)電機(jī)在定子繞組金屬性單相接地故障時(shí)，其等效電路圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)繞組單相接地故障時(shí)等效電路圖

圖中，3C∑為發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)各相對(duì)地電容；R^N為折算到配電變壓器一次的等效電阻，R^N=0.12×（27/0.173）2≈2 923 Ω；α為由中性點(diǎn)到故障點(diǎn)的繞組占一相全部繞組的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[3]：距中性點(diǎn)α處發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，機(jī)端零序電壓UK0=-αEA，同時(shí)該值與中性點(diǎn)電壓及接地故障點(diǎn)的零序電壓相等，顯然，其隨故障點(diǎn)位置的不同而改變。因中性點(diǎn)配電變變比為27/0.173 kV，可知基波零序電壓二次值恰好等于α×100 V。

3.1.1 發(fā)電機(jī)機(jī)端出口附近（100%）發(fā)生單相接地計(jì)算

發(fā)電機(jī)機(jī)端出口附近發(fā)生單相接地時(shí)，零序電壓為UK0=，發(fā)電機(jī)及機(jī)端外接元件每相對(duì)地總電容Cg∑＝0.277 1 μF/ph，因此機(jī)端單相接地時(shí)：

電容分量電流：

電阻分量電流：

因此故障點(diǎn)總的單相接地電流：

該值已遠(yuǎn)超過(guò)允許值1 A。

3.1.2 發(fā)電機(jī)定子繞組（靠中性點(diǎn)處）發(fā)生單相接地、電流為1 A時(shí)α值計(jì)算

將UK0=-αEA代入上述式中，可推導(dǎo)出：

可知：中性點(diǎn)至故障繞組百分比位置α處于14.9%發(fā)生單相接地時(shí)，接地電流恰好為1 A，作為定子接地保護(hù)無(wú)條件跳閘時(shí)的定子接地保護(hù)的范圍。

3.2 系統(tǒng)接地時(shí)耦合零序電壓計(jì)算

根據(jù)《導(dǎo)則》，應(yīng)校核主變高壓側(cè)接地短路時(shí)，通過(guò)變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容CM傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)的零序電壓Ug0的大小，傳遞電壓計(jì)算用近似簡(jiǎn)化電路如圖2所示。

圖2 傳遞電壓等效電路圖

圖中，E0為系統(tǒng)側(cè)接地短路時(shí)產(chǎn)生的基波零序電動(dòng)勢(shì)，由系統(tǒng)實(shí)際情況確定，依據(jù)《導(dǎo)則》一般可?。ㄒ部赏ㄟ^(guò)短路電流計(jì)算得出），UHn為系統(tǒng)額定線電壓；CM為主變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容；Cg∑為發(fā)電機(jī)及機(jī)端外接元件每相對(duì)地總電容；R^N為配電變壓器一次的等效電阻。

則計(jì)算如下：

變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地短路時(shí)，傳遞到發(fā)電機(jī)端的基波零序電壓（一次值）為：

3.3 發(fā)電機(jī)定子接地3U0保護(hù)定值整定

發(fā)電機(jī)定子接地3U0主保護(hù)由接于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次側(cè)的電阻上的過(guò)電壓元件實(shí)現(xiàn)，希望保護(hù)95%的定子繞組。與三次諧波定子接地保護(hù)配合構(gòu)成100%的定子接地保護(hù)，接下來(lái)就定子接地3U0保護(hù)整定進(jìn)行分析。

根據(jù)上述大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)相關(guān)規(guī)定及整定導(dǎo)向、《導(dǎo)則》相關(guān)接地保護(hù)3U0元件的整定計(jì)算原則，整定如下：

3.3.1 高值段

（1）動(dòng)作電壓：按躲系統(tǒng)耦合零序電壓整定，取

（2）動(dòng)作時(shí)限：在靠近中性點(diǎn)α=20%處（零序電壓等于20 V）單相接地時(shí)，接地電流IK（20V）=20%×6.708≈1.34 A，大于1 A，故動(dòng)作時(shí)限t1取0.5 s。

（3）動(dòng)作出口：全停。

3.3.2 低值段（靈敏段）

（1）動(dòng)作電壓：可靠躲過(guò)實(shí)測(cè)不平衡電壓整定，按保護(hù)范圍約95%取，取5 V。

（2）動(dòng)作時(shí)限：在靠近中性點(diǎn)α=5%處（零序電壓等于5 V）單相接地時(shí)，接地電流IK（5V）=5%×6.708=0.335 4，小于1 A，但動(dòng)作電壓5 V＜高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓15.8 V，故動(dòng)作時(shí)限t2按躲過(guò)系統(tǒng)接地后備保護(hù)整定，取5 s。

（3）動(dòng)作出口：因14.9%～20%處金屬接地電流將大于1 A，為確保該區(qū)域故障時(shí)發(fā)電機(jī)安全，同時(shí)考慮經(jīng)過(guò)渡電阻的反應(yīng)能力，故出口全停。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析及實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，從滿足2006版技規(guī)接地電流小于1 A、保護(hù)區(qū)內(nèi)擁有有足夠高的靈敏度和允許過(guò)渡電阻能力的要求出發(fā)，通過(guò)合理設(shè)置不同段3U0元件的定值及出口延時(shí)，Ⅰ段按躲系統(tǒng)側(cè)接地故障來(lái)整定U0P1=15～20 V，保護(hù)范圍約80%，動(dòng)作時(shí)限取0.5～1 s，出口跳閘；Ⅱ段按可靠躲過(guò)實(shí)測(cè)不平衡電壓（此時(shí)接地電流一般小于允許值1 A）整定，保護(hù)范圍約95%，動(dòng)作時(shí)限躲系統(tǒng)接地故障取5～6 s，出口方式跳閘?？梢缘玫捷^為理想的大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)3U0定值組合方案，同時(shí)也滿足了《導(dǎo)則》規(guī)定，該整定計(jì)算原則在大型發(fā)電機(jī)組工程中得到了很好的應(yīng)用，確保了發(fā)電機(jī)定子繞組及鐵芯的安全，同時(shí)也有效規(guī)避了不必要的跳閘停機(jī)。