發(fā)電機(jī)定子單相接地故障電流的計(jì)算和測試

陳 敏，郭愛軍

（國家能源集團(tuán)江西電力有限公司萬安水力發(fā)電廠，江西 吉安 343800）

1 引言

發(fā)電機(jī)定子接地故障是最常見的發(fā)電機(jī)故障，大型發(fā)電機(jī)組在發(fā)生接地故障時(shí)會產(chǎn)生較大的對地電容電流，為將接地故障電流限制在允許范圍內(nèi)，中性點(diǎn)常采用消弧線圈接地方式運(yùn)行，而測試發(fā)電機(jī)定子單相接地故障電流是為了檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)在發(fā)生單相接地時(shí)消弧線圈是否能夠有效地補(bǔ)償故障電流，保證接地電弧瞬間熄滅，以消除弧光間歇接地過電壓，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大為匝間或相間短路。

需要知道發(fā)電機(jī)單相接地故障電流的大小，究其原因，主要有3點(diǎn)。

（1）發(fā)電機(jī)的定子一點(diǎn)接地保護(hù)動作出口方式的整定和這個(gè)電流大小有關(guān)。根據(jù)DLT 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》的規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障電流大小超過規(guī)定值，發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)動作后就必須出口跳閘停機(jī)，而小于這個(gè)值，則允許保護(hù)僅動作于告警，由運(yùn)行值班人員確認(rèn)后，采取轉(zhuǎn)移負(fù)荷解列停機(jī)的方式進(jìn)行處置。

（2）知道中性點(diǎn)不接地時(shí)發(fā)電機(jī)單相接地故障電容電流的大小后，與消弧線圈標(biāo)注的補(bǔ)償電流比較，可以定性地判斷消弧線圈是否工作在欠補(bǔ)償狀態(tài)。

（3）消弧線圈投入后發(fā)電機(jī)單相接地故障電流必須小于制造廠的規(guī)定，制造廠無明確規(guī)定時(shí)，這個(gè)電流應(yīng)小于15 A，否則在運(yùn)行中發(fā)生定子繞組內(nèi)部單相接地故障，有可能對定子鐵心造成不可修復(fù)的損傷。

本文以萬安水力發(fā)電廠1號發(fā)電機(jī)為例，通過簡單估算和現(xiàn)場實(shí)測這兩種方法對發(fā)電機(jī)定子單相接地故障電流進(jìn)行討論，所得結(jié)論不一定適合其它發(fā)電廠，僅供同行參考。

2 發(fā)電機(jī)定子單相接地故障電流的計(jì)算

發(fā)電機(jī)定子單相接地故障點(diǎn)可能在定子繞組從機(jī)端到中性點(diǎn)的任意位置，但因?yàn)闄C(jī)端對地電壓最高，所以在機(jī)端發(fā)生單相接地故障時(shí)故障電流最大，因此，我們只計(jì)算機(jī)端單相接地時(shí)的故障電流。

2.1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地時(shí)，定子單相接地故障電容電流的計(jì)算

通常采用如圖1、2所示電路及矢量圖分析發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地時(shí)的單相接地故障。

其中圖1所示為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)C相接地故障分析電路，發(fā)電機(jī)機(jī)端C相發(fā)生接地短路，非故障的A、B相的對地電容被等效為發(fā)電機(jī)機(jī)端的集中參數(shù)電容Co（假定各相對稱，各相對地電容相等），N為發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)C相接地故障分析電路

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)C相接地故障矢量圖

圖2 所示為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)C相接地故障時(shí)的電壓電流矢量圖。根據(jù)矢量分析，可以得到C相接地短路時(shí)電容電流的計(jì)算式如下：

故障點(diǎn)總的短路電容電流：

非故障的A、B相各自提供的短路電容電流：

故障相C相提供的短路電容電流：

式中：

I0——單相接地短路時(shí)流入故障點(diǎn)的總電容電流我們平時(shí)所說的單相接地故障電容電流即指這個(gè)電流；

IA0、IB0、IC0——A、B、C相各自提供的電容電流；

Uph——相電壓；

Co——單相對地電容；

ω——電角度頻率（ω=2πf，對于基波，f=50 Hz）。

2.2 我廠1號機(jī)組發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地時(shí)，單相接地故障電容電流計(jì)算

1號機(jī)組的主接線如圖3所示，發(fā)電機(jī)額定功率為105 MW，定子額定電壓為15.75 kV。主變1B為110 kV/15.75 kV變壓器，額定容量為120 000 kVA。廠變11B為15.75 kV/10 kV變壓器，額定容量為5 000 kVA。

圖3 1號機(jī)組主接線圖

對于1號機(jī)組中性點(diǎn)不接地時(shí)單相接地故障，需要計(jì)算兩種運(yùn)行方式下的故障電流：

（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘9101G拉開，計(jì)算發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行下的單相接地故障電容電流，并用這個(gè)電流值與中性點(diǎn)消弧線圈當(dāng)前運(yùn)行檔位下的標(biāo)稱補(bǔ)償電感電流進(jìn)行比較，確認(rèn)發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行下發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)消弧線圈補(bǔ)償?shù)碾姼须娏餍∮趩蜗嘟拥毓收蠒r(shí)的電容電流，即處于欠補(bǔ)償狀態(tài)。

（2）發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘9101G合上，廠用電支路9011G刀閘及901DL開關(guān)合上，即發(fā)電機(jī)接帶主變1B及高壓廠用電變壓器11B狀態(tài)下，計(jì)算發(fā)電機(jī)的單相接地故障電流，在此種運(yùn)行方式下，發(fā)電機(jī)單相對地電容值最大，單相接地故障時(shí)的電容電流最大。

依據(jù)式（1），計(jì)算單相接地故障總電容電流Io時(shí)，需要知道對地電容的大小。我們分別測量了主變1B低壓側(cè)對地三相電容，廠用電變壓器11B高壓側(cè)對地三相電容，發(fā)電機(jī)定子繞組三相電容，測得結(jié)果分別是30.15 nF、8.8 nF、2.3 μF。測量方法是用電容表在圖3所示的a、b、c點(diǎn)位置測量對地電容，注意測量時(shí)變壓器、發(fā)電機(jī)兩側(cè)從高低壓側(cè)隔離，發(fā)電機(jī)的消弧線圈刀閘拉開，并事先用接地線對變壓器及發(fā)電機(jī)繞組充分放電。

根據(jù)上述電容測量結(jié)果，計(jì)算單相對地電容Co。

當(dāng)發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘9101G拉開，發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，定子單相對地電容Co為：

當(dāng)發(fā)電機(jī)接帶主變1B及高壓廠用電變壓器11B狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)機(jī)端單相對地電容Co為：

發(fā)電機(jī)額定相電壓：

電角度頻率（對于基波，f=50 Hz）ω=2πf=314；

分別代入式（1）計(jì)算1號機(jī)組單相接地故障總電容電流Io，結(jié)果如表1所示。

表1 消弧線圈拉開時(shí)故障點(diǎn)電容電流計(jì)算值

依據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，對發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)消弧線圈補(bǔ)償狀態(tài)核對如下：

1號機(jī)組的消弧線圈型號為XDJ1-120/15，額定相電壓9 100 V，消弧線圈共有5個(gè)檔位，當(dāng)前運(yùn)行檔位I檔，該檔位的標(biāo)稱補(bǔ)償電感電流6.3 A，小于故障總電容電流計(jì)算結(jié)果6.57 A，消弧線圈處于欠補(bǔ)償狀態(tài)。

2.3 我廠1號發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，單相接地故障電流計(jì)算

當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，發(fā)生單相接地故障時(shí)，流入故障點(diǎn)的總的故障電流，除了前述電容電流，還有消弧線圈提供的電感電流，這兩個(gè)電流呈180°，互相抵消。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)C相接地故障電流分布示意如圖4所示。

圖4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，C相接地故障電流分布示意圖

依據(jù)前面電容電流計(jì)算結(jié)果及消弧線圈當(dāng)前運(yùn)行檔位的標(biāo)稱補(bǔ)償電感電流，簡單相減即得到總的故障電流，如表2所示。

表2 消弧線圈投入時(shí)故障點(diǎn)電流計(jì)算值

依據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》的相關(guān)規(guī)定，1號發(fā)電機(jī)的定子一點(diǎn)接地保護(hù)動作出口方式可以整定為延時(shí)告警。

3 發(fā)電機(jī)定子單相接地故障電流的測試

實(shí)際模擬試驗(yàn)考慮到本試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，為安全起見，做這個(gè)試驗(yàn)時(shí)，一般不做全電壓接地，只做20%～30%電壓下接地，然后將實(shí)測值線性外推，計(jì)算得到全電壓下的故障電流。

圖5 1號機(jī)組單相接地故障試驗(yàn)接線圖

2020年，我們委托電科院對我廠1號機(jī)組進(jìn)行了單相接地故障試驗(yàn)，試驗(yàn)接線如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)出口隔離刀閘9101G合上，廠用電支路9011G刀閘及901DL開關(guān)合上，即發(fā)電機(jī)接帶主變1B及高廠變11B狀態(tài)下的測試，但主變1B高壓側(cè)及廠變11B低壓側(cè)斷開。圖5中，電壓表V測量正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)偏移電壓；電流表A1測量短路時(shí)中性線電流IL，也即消弧線圈補(bǔ)償電流；電流表A2測量接地時(shí)流入故障點(diǎn)的總故障電流Ik。分別在消弧線圈拉開和消弧線圈投入兩種方式下測量。

3.1 消弧線圈拉開時(shí)，單相接地故障電容電流測試

表3 消弧線圈拉開時(shí)故障點(diǎn)電容電流測試結(jié)果

消弧線圈拉開，發(fā)電機(jī)接帶主變1B及高廠變11B運(yùn)行，此時(shí)消弧線圈補(bǔ)償電流為0，機(jī)端短路時(shí)總的短路電流即故障總電容電流Io，計(jì)算結(jié)果為6.77 A，試驗(yàn)測試結(jié)果為6.65 A，兩者基本一致，誤差很小。

3.2 消弧線圈投入時(shí)單相接地故障電流測試

表4 消弧線圈投入時(shí)故障點(diǎn)電流測試結(jié)果

消弧線圈投入，發(fā)電機(jī)接帶主變1B及高廠變11B運(yùn)行，此時(shí)，機(jī)端短路時(shí)總的短路電流Ik為故障總電容電流Io疊加消弧線圈補(bǔ)償電流后的殘余電流，計(jì)算結(jié)果為0.47 A，試驗(yàn)測試結(jié)果為0.8 A，兩者誤差較大，相差1.7倍。這個(gè)誤差的主要來原是消弧線圈補(bǔ)償?shù)碾姼须娏?，?jì)算所用的銘牌值為6.3 A，但根據(jù)測試數(shù)據(jù)的推算值為6.04 A。

4 結(jié)束語

本文對我廠發(fā)電機(jī)單相接地故障電流的計(jì)算及試驗(yàn)測試進(jìn)行了討論，總的來說，1號機(jī)組的計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果，除了試驗(yàn)得到的消弧線圈補(bǔ)償電流與消弧線圈銘牌標(biāo)稱的補(bǔ)償電流之間相差0.3 A外，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值基本上一致。

將測試結(jié)果與我們前面的計(jì)算結(jié)果對比，不論是按照計(jì)算結(jié)果還是試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)導(dǎo)則的相關(guān)規(guī)定，1號發(fā)電機(jī)的定子一點(diǎn)接地保護(hù)動作出口方式都可以整定為延時(shí)告警。

因此，在現(xiàn)場條件不允許時(shí)，采取簡易的計(jì)算方法進(jìn)行估算，也不失為一種好的方法。