發(fā)電機(jī)消弧線圈整定計(jì)算及檔位選擇

陳啟豪,錢厚軍,陳子明,易非凡,李景亳,張 蕓,劉 歡,劉 鵬,李書平

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦一廠一號(hào)機(jī)組采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線方式，發(fā)電機(jī)系上海發(fā)電機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的第一代30萬千瓦級(jí)雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，型號(hào)為QFS-310-2，電壓18 kV，功率310 MW，功率因數(shù)0.85(滯后)，發(fā)電機(jī)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，消弧線圈設(shè)置為欠補(bǔ)償方式。該機(jī)組于1991年12月投入并網(wǎng)運(yùn)行。

2007年實(shí)施了發(fā)電機(jī)第一次增容改造，功率提升到330 MW，功率因數(shù)提高到0.9(滯后)，視在功率不變。2018年結(jié)合電廠運(yùn)行許可證延續(xù)項(xiàng)目再次實(shí)施擴(kuò)容改造，功率提升到350 MW，功率因數(shù)0.9(滯后)，視在功率也相應(yīng)提升，勵(lì)磁系統(tǒng)由三機(jī)勵(lì)磁方式改造為機(jī)端自并勵(lì)方式，發(fā)電機(jī)效率由98.80%提高至98.85%。

按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用消弧線圈接地時(shí)應(yīng)設(shè)置為欠補(bǔ)償方式，補(bǔ)償后發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地時(shí)允許故障電流為不大于1 A。第二次擴(kuò)容改造由于采用了新的設(shè)計(jì)與工藝，發(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)有所變化，同時(shí)由于勵(lì)磁系統(tǒng)的改變，致使發(fā)電機(jī)端所連設(shè)備和裝置對(duì)地電容改變,為確保消弧線圈仍舊工作在欠補(bǔ)償方式最佳工作點(diǎn)，有必要對(duì)消弧線圈參數(shù)進(jìn)行核算并重新整定。

1 單相接地故障系統(tǒng)分析與計(jì)算公式推導(dǎo)

假定發(fā)電機(jī)A相直接接地短路，不計(jì)定子繞組阻抗壓降，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)連接消弧線圈，如圖1所示。圖中，UA，UB，UC為發(fā)電機(jī)各相電壓;CA，CB，CC為發(fā)電機(jī)各相接地電容。

圖1 單相接地故障中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地示意圖

為便于計(jì)算分析，將圖1轉(zhuǎn)化為等效電路形式，如圖2所示。

圖2 單相接地故障中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)等效電路圖

首先，由圖2可得電容電流:

(1)

(2)

假定Z=R+jXL，可得阻抗電流:

(3)

根據(jù)基爾霍夫電流定律，故障相電流(入地電流):

(4)

式(4)中，虛部(IC-IL)表示消弧線圈對(duì)電容電流的削弱作用，將(IC-IL)視為廣義電容電流。

若考慮各電流為已知量，則阻抗可表示為電阻部分(實(shí)部):

(5)

電抗部分(虛部)：

(6)

式(5)與式(6)即為計(jì)算消弧線圈阻抗參數(shù)通用公式。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)輸入

機(jī)端連接設(shè)備和裝置一般有主變壓器、發(fā)電機(jī)封閉母線 (電力電纜、電流互感器、電壓互感器及過電壓保護(hù)電容器在整定計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì))。

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓：UN=18 kV；

發(fā)電機(jī)定子單相對(duì)地電容Cf:0.277 μF；

主變繞組三相對(duì)地電容CT:0.030 52 μF。

離相封閉母線的外殼是接地的，單相對(duì)地電容可按同軸圓導(dǎo)體電容計(jì)算：

(7)

式中,CFM——封閉母線每相對(duì)地電容，μF；

l——封閉母線長度，m；

RR、RM——封閉母線外殼和導(dǎo)體半徑，m；

ε——空氣的介電常數(shù)，ε=8.86×10-12。

計(jì)算離相封閉母線單相對(duì)地電容CM:0.000 076 11 μF/m；

核實(shí)秦山一廠發(fā)電機(jī)封閉母線布置圖，離相封閉母線長度:40 m。

3 消弧線圈參數(shù)選擇及核算

3.1 電容電流核算

電容電流的計(jì)算,包括發(fā)電機(jī)及其電壓回路的設(shè)備和連接線對(duì)地電容電流：

CΣ=0.290 2 μF

式中,XC——發(fā)電機(jī)回路電抗，Ω；

CΣ——發(fā)電機(jī)回路總對(duì)地電容；

ω——發(fā)電機(jī)角頻率。

3.2 補(bǔ)償系數(shù)的選擇

當(dāng)認(rèn)為消弧線圈為純電感時(shí)，通常定義補(bǔ)償系數(shù)k為電容電流與電感電流有效值的比值。但考慮消弧線圈本身及附加的電阻時(shí)，這樣定義就不準(zhǔn)確了，因?yàn)榱鹘?jīng)消弧線圈的并不是純電感電流，這時(shí)應(yīng)該從消弧線圈的補(bǔ)償機(jī)理出發(fā)定義k為電容電流與消弧線圈的感性分量電流有效值的比值，以下按此定義計(jì)算。 經(jīng)消弧線圈接地可以將故障電流限制在允許接地電流范圍內(nèi)，其串聯(lián)小值電阻后，可以降低暫態(tài)過電壓，并把傳遞過電壓限制在安全范圍內(nèi)。Ia為補(bǔ)償后的故障電流，Iδ為設(shè)定的允許接地電流，計(jì)算滿足允許接地電流時(shí)的消弧線圈電感L和電阻R及相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)k。

(8)

(9)

聯(lián)立(7)與(8)解得：

(10)

所以，若將故障電流限制在Iδ范圍內(nèi)，補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)滿足(10)關(guān)系。

3.3 消弧線圈容量及感性補(bǔ)償電流選擇

根據(jù)GB 14285—2016繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[1]規(guī)定，采用消弧線圈接地時(shí)，發(fā)電機(jī)允許單相故障電流值如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)允許單相故障電流

3.4 消弧線圈脫諧度整定

4 消弧線圈檔位選擇

秦一廠原消弧線圈實(shí)際接線如圖3所示，實(shí)測各檔參數(shù)見表2。

圖3 消弧線圈實(shí)際接線圖

表2 發(fā)電機(jī)消弧線圈試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 感性電流計(jì)算值

第四檔抽頭4-5與計(jì)算值最接近，考慮選用第四檔位。

殘余電流：I=0.352 A<1 A。

單相接地故障時(shí)可不跳閘停機(jī)，保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的發(fā)電機(jī)，對(duì)其消弧線圈的參數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，并結(jié)合秦山核電廠30萬千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)擴(kuò)容改造，對(duì)消弧線圈進(jìn)行了參數(shù)核算和檔位微調(diào)，確保發(fā)電機(jī)及其消弧線圈工作在欠補(bǔ)償方式的最佳工作點(diǎn)，可供同類接線方式的發(fā)電機(jī)消弧線圈的設(shè)計(jì)制造和參數(shù)核算參考。