發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)基波零序電壓整定方法探析

馬迎東 陳娜紅

(國(guó)能神福(石獅)發(fā)電有限公司，福建 泉州 362000)

0 引言

隨著近年來我國(guó)發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，600MW及以上大型發(fā)電機(jī)組接地多采用配電變壓器電阻接地[1]及單元接線方式，使得三相定子繞組對(duì)地電容增加且相對(duì)固定，相應(yīng)的定子接地電流增大[2],當(dāng)發(fā)電機(jī)端附近發(fā)生接地故障時(shí)，故障點(diǎn)的電容電流較大，會(huì)產(chǎn)生電弧，灼傷接地點(diǎn)的鐵芯，影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。同時(shí)，接地故障會(huì)引起接地弧光過電壓，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)其他位置絕緣的破壞，形成危害嚴(yán)重的相間或匝間短路故障[3]。因此，有效保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組及鐵芯的安全不僅需要完善的保護(hù)原理判據(jù)，還要有一個(gè)合理的保護(hù)動(dòng)作值整定原則和方法，進(jìn)而發(fā)揮定子接地保護(hù)的性能[1]。

本文結(jié)合年度電網(wǎng)下發(fā)定值通知單，依據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》[4]，對(duì)某2×1050MW級(jí)超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)基波定值進(jìn)行整定計(jì)算和校核。該發(fā)電廠一次系統(tǒng)接線方式見圖1，發(fā)電機(jī)采用機(jī)端自并勵(lì)系統(tǒng)，中性點(diǎn)采用經(jīng)配電變電阻接地，主變高壓側(cè)直接接地，發(fā)電機(jī)-變壓器組以單元接線接入廠內(nèi)500kV升壓站。廠用變低壓側(cè)各分支經(jīng)18.19Ω中阻接地。發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)分別采用GE公司生產(chǎn)的G60系列、T35系列保護(hù)。

圖1 一次系統(tǒng)接線示意圖

1 主變高壓及廠變分支側(cè)接地耦合電壓

1.1 耦合模型

由于系統(tǒng)耦合零序電壓可能引起基波零序過電壓保護(hù)誤動(dòng)作。因此在定子接地保護(hù)基波電壓整定前，根據(jù)發(fā)電廠電氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)主變高壓側(cè)零序電壓耦合電路中各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、確定。

圖2為主變高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)側(cè)基波零序電壓E0會(huì)通過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)基波零序電壓Ug0。其中，系統(tǒng)側(cè)基波零序電壓E0需根據(jù)系統(tǒng)最大運(yùn)行方式、最小運(yùn)行方式、發(fā)電廠最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式計(jì)算確定，不同方式下計(jì)算所得最大者作為系統(tǒng)側(cè)單相接地時(shí)零序電壓E0。表1 為該發(fā)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)，可通過出廠報(bào)告得到。其中發(fā)電機(jī)A/B/C相對(duì)地電容Cg從《導(dǎo)則》附錄C國(guó)產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)定子對(duì)地電容獲得。如果發(fā)電廠有實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)分析計(jì)算。

圖2 主變高壓側(cè)零序電壓耦合到發(fā)電機(jī)側(cè)電路圖

表1 發(fā)電機(jī)及變壓器相關(guān)參數(shù)[5]

1.2 主變高壓側(cè)單相接地計(jì)算

以2021年調(diào)度基準(zhǔn)容量值為Sj=100MVA下發(fā)邊界限額值，系統(tǒng)最大運(yùn)行方式：X1pu=0.059，X0pu=0.092；系統(tǒng)最小運(yùn)行方式：X1pu=0.098，X0pu=0.107。

表2為系統(tǒng)與發(fā)電廠不同運(yùn)行方式下，接地系數(shù)K值，可以看出，當(dāng)系統(tǒng)最大運(yùn)行方式、發(fā)電廠最小運(yùn)行(單機(jī)運(yùn)行)方式時(shí)，K值最大，E0最大。

表2 系統(tǒng)、發(fā)電廠不同運(yùn)行方式下單相接地系數(shù)K

(1)

其中，XΣ1、XΣ2、XΣ0分別為系統(tǒng)最大運(yùn)行方式、發(fā)電廠最小運(yùn)行(單機(jī)運(yùn)行)方式下主變高壓側(cè)單相接地時(shí)正序阻抗、負(fù)序阻抗及零序阻抗，UB為系統(tǒng)平均額定電壓。

1.3 耦合電壓計(jì)算

1.3.1 主變高壓側(cè)接地

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，主變低壓繞組3相對(duì)地電容C0及變壓器高低壓側(cè)耦合電容CM可以根據(jù)變壓器出廠試驗(yàn)報(bào)告求得，數(shù)據(jù)見表3。

表3 主變壓器電容量測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)方法可以列方程：

(2)

求得：C0=0.0096μFC2=3CM=0.01230μF

則CM=0.0041μF

因CgΣ為發(fā)電機(jī)及外接元件每相對(duì)地電容，根據(jù)表1各參數(shù)求得：

(3)

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器二次側(cè)電阻值折算到一次側(cè)為：Zn=3×0.125×(27/0.173)2=9.1341kΩ，如圖2可以求得變壓器高壓側(cè)單相接地故障傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)零序電壓Ug0。

(4)

1.3.2 廠變低壓側(cè)接地

計(jì)算可得，廠變低壓側(cè)接地故障耦合到機(jī)端電壓僅為4.28V，因此在定子接地保護(hù)校核過程中，可以忽略該計(jì)算。

2 定子安全允許電流位置計(jì)算

根據(jù)《導(dǎo)則》規(guī)定，出口電壓在18kV及以上發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值為1A。假設(shè)故障點(diǎn)距發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)距離占發(fā)電機(jī)定子全長(zhǎng)的比例為α，考慮設(shè)備定子繞組感抗值和器對(duì)地的容抗值相比十分小，計(jì)算時(shí)可以忽略設(shè)備定子繞組感抗產(chǎn)生的電壓降[7],則接地電流Id由接地點(diǎn)容性電流Ic和阻性電流IR兩部分構(gòu)成，可計(jì)為:

(5)

根據(jù)公式(5)計(jì)算α變化時(shí)對(duì)應(yīng)的接地電流，結(jié)果見表4。

表4 發(fā)電機(jī)不同接地點(diǎn)對(duì)應(yīng)接地電流

由表4可知，當(dāng)α>14.37%時(shí)，接地電流大于安全允許電流(1A)。

3 定子接地基波定值整定

3.1 低定值段整定

根據(jù)《導(dǎo)則》中定子接地保護(hù)基波零序電壓低定值段整定原則，低定值段動(dòng)作電壓應(yīng)按躲過正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡基波零序電壓U0.max整定。

U0.op=KrelU0.max

(6)

則U0.op=1.3×4.16=5.4V。

因U0.op已躲過主變壓器高壓側(cè)耦合到機(jī)端的最大零序電壓為2.14V，根據(jù)《導(dǎo)則》要求，動(dòng)作時(shí)間t10=0.3s，出口方式：發(fā)信；

3.2 高定值段整定

根據(jù)《導(dǎo)則》規(guī)定，高定值段動(dòng)作電壓應(yīng)可靠躲過傳遞過電壓，結(jié)合前文有關(guān)定子安全允許電流位置計(jì)算結(jié)果，基波零序電壓在14.37V以下，發(fā)電機(jī)定子均在安全允許電流以下，因此高定值段按不超過發(fā)電機(jī)最大允許接地短路電流整定，整定為：U0.OP1=15V，t20=0.5s，動(dòng)作行為：延時(shí)0.5s出口全停。

4 結(jié)論

本文根據(jù)《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》(DL/T684-2012)規(guī)定，結(jié)合發(fā)電廠及電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，提出了對(duì)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)基波零序電壓整定全過程計(jì)算方法及思路，最終整定低定值5.4V延時(shí)0.3s發(fā)信，高定值15V延時(shí)0.5s全停的出口方式(注意：為保證機(jī)組安全運(yùn)行，該定值應(yīng)根據(jù)實(shí)際發(fā)電機(jī)定子每相對(duì)地電容試驗(yàn)報(bào)告中獲取計(jì)算，以保證機(jī)組發(fā)電機(jī)定子在安全允許電流下運(yùn)行)。

整定過程中，低定值整定過程嚴(yán)格按照《導(dǎo)則》規(guī)定整定，并保證了定子接地保護(hù)范圍，在機(jī)端距離中心點(diǎn)94.6%范圍內(nèi)(剩余5.4%范圍由三次諧波保護(hù)實(shí)現(xiàn)，出口方式:發(fā)信)，具有足夠的靈敏度。高定值整定方法在保證發(fā)電機(jī)定子安全允許電流的前提下，盡可能降低機(jī)組安全電流以下接地故障造成機(jī)組全停風(fēng)險(xiǎn)。因此，合理整定對(duì)于提高發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的可靠性非常必要。