100%定子接地保护

2024-09-16

100%定子接地保护（精选8篇）

100%定子接地保护篇1

发电机定子绕组或机端联系元件的单相接地故障发生的几率很高。大型发电机组定子绕组外层绝缘耐压贮备系数较小，随着定子绕组的单相接地，非接地相对地电压升高(最大升高倍)，很容易发展成相间短路故障。因此，加强定子绕组单相接地保护非常必要。定子接地保护的配置必需双重化，不同原理构成的定子接地保护双重化更具合理性和可靠性。

鉴于拉西瓦水电站机组经配电变压器高阻接地，且对地电容大，故装设双频式定子接地保护(基波零序电压式原理定子接地保护三次谐波电压式原理定子接地保护)和注入20Hz电源式定子接地保护构成互补型定子接地保护。

1 双频式定子接地保护

1.1 基波零序电压式原理定子接地保护

基波零序电压式定子接地保护，保护范围为由机端至机内90%左右的定子绕组单相接地故障。

动作方程为：

式中Uno为发电机中性点处的零序电压，即中性点电压互感器TVn的的二次电压。Uno.set为发电机灵敏段中性点零序过电压继电器的定值。按躲过实测的基波不平衡电压整定，该值一般为5～10V。

如果保护动作于信号，保护按式1的动作方程工作。如果保护动作于跳闸则保护除要满足式1外还需满足机端零序电压判据：

式中Uto为发电机机端处的零序电压，即机端电压互感器的TV1开口三角电压。式2中不等式右侧的值是中性点的零序过电压继电器的定值Uno.set折算到机端的零序过电压继电器的定值，该值保护装置已自动设置好。是中性点电压互感器的变比，nV.1是机端电压互感器的TV1一次线圈和三次线圈的变比。在拉西瓦电站基波零序过电压保护中增设了本辅助判据。增加本判据的目的是发电机中性点处和机端处的零序电压元件都动作才允许跳闸，提高了安全性。

基波零序过电压保护的特点是：1)零序电压可从机端的电压互感器TV1的开口三角处获取，也可从中性点处的电压互感器获取。零序过电压继电器的定值一般按躲实测的最大不平衡电压整定。2)由于发电机正常运行时还发出一定的三次谐波电势。三次谐波电压三相是同相位的，这点与零序电压性质相同。所以三次谐波电压将从开口三角输出，产生不平衡电压。为了尽量减少三次谐波不平衡电压，装置中应有三次谐波滤波器。这样零序过电压继电器的定值可按躲基波不平衡电压整定。定值可相应降低。3)在发电机到变压器之间的连线上发生单相接地短路时本保护也将动作，本保护不能区分发电机内、外的接地短路。

1.2 三次谐波电压式原理定子接地保护

利用基波零序电压式定子接地保护，只能保护到机端至机内90%左右的定子绕组单相接地故障。对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水等原因，都能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现，则一种可能是进一步发展成匝间或相间短路;另一种可能是如果又在其他地点发生接地，则形成两点接地短路，这两种结果都会造成发电机的严重损坏。因此规程规定对于容量大于等于100MW的发电机变压器组中的发电机一定要配置能对100%的定子绕组发生接地短路的保护。100%的定子绕组接地短路保护的一种方案是用三次谐波电压和基波零序过电压两种保护联合构成。三次谐波电压定子接地保护对于中性点附近的单相接地短路有很高的灵敏度，它与基波零序过电压保护正好有互补性。所以可用这两个保护联合构成100%的定子绕组接地短路保护。

如图所示，3W保护按比较机端和中性点三次谐波电压大小和相位构成。采用矢量比较方案，即同时比较大小与相位，动作判据为：

式中UT3、UN3为机端和中性点处三次谐波电压的一次矢量。Kre为制动系数，Kt为调整系数矢量。当发电机发生接地故障时，若故障点在机端附近，Ut3减小而UN3增大;若故障点在中性点附近，UN3增大而Ut3减小。其结果是：故障点在中性点附近时组合动作量UT3-KtUN3显著增大，而此时制动量KreUN3却因为Kre<<1.0不会很大，而此时动作量UT3-KtUN3=KtUN3，由于Kre接近1.0，所以动作量KtUN3很大，于是保护仍可灵敏动作。

三次谐波电压式原理定子接地保护的特点是：1)在正常运行时装置自动跟踪调整值Kt使UT3-KtUN3，因而制动系数很安全地降低，既保证了正常运行时保护不误动又提高了内部短路的灵敏度。这对大型机组尤其具有意义。由于大型机组外接元件的Ct值大，Ut3和Un3在正常运行时差别大。如果Kt值不作自动跟踪调整，UT3-KtUN3值正常运行时可能很大，为保证保护不误动制动系数必须取得很大，这会大大减少内部短路的灵敏度。2)在发电机之外的发电机电压系统中例如在发电机到变压器的连线上发生单相接地时与在机端定子绕组上发生单相接地时一样保护也将会灵敏动作。

2 外加20Hz低频交流电源型100%定子单相接地保护

发电机正常运行时整个三相定子回路对地是绝缘的，而发生单相接地故障时这种对地绝缘就被破坏，利用这个特征，在发电机定子回路与大地之间外加一个20Hz的信号电源，可区分正常运行和接地故障。在正常运行时发电机由外加电源引起的对地泄漏电流较小;而发生单相接地故障时，此电流明显地发生改变，通过直接或间接检测该电流的变化，可以发现接地故障的存在。这种原理既能在100%范围内测量定子接地故障，同时也能反映定子绕组绝缘均匀下降，起到对绝缘老化监视的作用。

下面以拉西瓦电站中应用的外加20Hz电源的定子接地保护为例来说明其原理，保护的装置原理图如图3所示。从发电机中性点侧注入一个外部的低频(20Hz)交流电压源，经过20Hz的带通滤波器加到发电机中心点接地变压器的副边线圈，这样在接地变压器的原边线圈感应20Hz的电势。正常运行时该20Hz电势经发电机电压系统的分布电容产生一个20Hz的电流，此电流很小并折合到接地变压器的副边再经过小型单相电流互感器成为输入给保护，这两个测量值(Usef和Isef)都将引入保护装置，保护装置根据此电压与电流的比值可以确定保护的整定值。当定子发生接地故障时，一次系统中的20Hz电流增大很多，使加入保护的值也增大很多，而Usef值不变，装置内部经过20Hz带通滤波(数字滤波)后的电流值增加很多而电压值不变。装置根据电压与电流比值的减少(该比值反应了接地电阻大小)而动作跳闸。

外加20Hz电源的定子接地保护需要增加一块屏安置20Hz电源、20Hz带通滤波器、分压电阻、负荷电阻这些附加设备，所以也增加了相应的投资。另外保护的可靠性直接与外加电源的可靠性有关，为此外加电源往往取自发电厂的直流电源或机端电压互感器的二次线电压，这些电源在发电机单相接地故障时仍能可靠供电。

外加20Hz低频交流电源型100%定子单相接地保护的特点是：1)由于外加信号电压的频率为20Hz，可以明确分清正常运行的工频电流和接地故障电流时的信号电源，同时也能避开容易在发电机电压回路发生谐振过电压的三次谐波频率和二分之一次谐波频率。2)该保护反映定子绕组绝缘的均匀下降，对定子的绝缘老化起到监督作用。利用发电机固有的基波或三次谐波电动势的定子接地保护却只反映定子绝缘的局部恶化和破坏。3)该保护可以实现大型发电机在停机状态或启、停机过程中的定子接地保护。4)该保护的可靠性直接与外加电源的可靠性有关。为此，外加电源往往取自机端电压互感器或者厂用电，这些电源在发电机单相接地时仍能可靠供给。

3 结论

综上所述，100%定子接地保护在大型发电机组中有着重要的作用。选择原理合理、动作灵敏、可靠的保护装置, 高质量地安装, 精心调试，经常维护，及时处理缺陷, 每个环节都应该认真把握。也只有这样保护装置的应用水平才能得到提高，保护的功能才能得到充分的发挥，最终起到可靠的保护作用。

摘要：发电机定子绕组或机端联系元件的单相接地故障发生的几率很高。大型发电机组定子绕组外层绝缘耐压贮备系数较小, 随着定子绕组的单相接地, 非接地相对地电压升高 (最大升高倍) , 很容易发展成相间短路故障。因此, 加强定子绕组单相接地保护非常必要。

关键词：100%定子接地,零序电压,三次谐波电压,外加20Hz低频

参考文献

[1]王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京:中国电力出版社.

[2]王维俭等.大型发电机变压器内部故障分析与继电保护[M].北京:中国电力出版社.

100%定子接地保护篇2

【关键词】行波理论；行波电流；水轮发电机；定子接地；差动保护；故障选相

随着现代科学技术理论研究的不断深入，暂态行波技术在工程项目中的应用越来越广泛。近年来，电力系统中关于行波故障分析的研究越来越多，行波故障分析将行波信号与信号处理技术进行了整合，行波故障信号属于暂态故障信息，在电力系统、发电机、变压器等设备中普遍存在，暂态行波故障在线检测与外加高频检测具有一定差别，但实质上都是利用行波故障信号进行的故障分析。大型水轮发电机经常出现定子绕组单相接地的故障，传统的双频式保护稳定性差、反应周期长，已经难以满足我国水轮发电机的快速发展。

1.水轮发电机行波故障检测的应用

大型水轮发电机定子绕组接地瞬时电流远远大于稳态电流，通过采集瞬时电流的暂态行波，可以有效提高故障检测的灵敏度，除此之外，对暂态行波信号进行分析处理，有利于快速实现故障定位，对提高设备稳定性具有实际意义。目前，我国关于行波故障分析在传输电路中的应用已经十分成熟，很多理论研究成果已经用于实际工程项目中，但水轮发电机的绕组结构更加复杂，影响行波故障分析的因素太多，建立行波故障分析模型的难度较大，需要保证模型的准确度，避免发出错误故障信息，造成设备运转中断。

2.水轮发电机行波故障检测的理论基础

根据已有的文献，行波故障分析领域已有的成果包括行波功率信息故障检测、外用高频脉冲故障检测等，但这些研究都具有一定局限性。（1）行波功率信息故障检测理论主要针对了电机定子绕组接地保护，该理论充分利用了故障行波的功率方向信息对发电机组中的选择性，利用故障行波的功率方向信息区分接地故障的区域，基于行波功率信息故障检测理论建立的波阻模型以及行波网格图可以模拟出行波的特征，利用这一模型可以区分故障位于机外或者机内，同时可以记录现场实验数据。但该理论仍然存在较大的漏洞，建立的数学模型没有基于实际波动，导致与实际应用存在较大差距，不能直接用于行波故障分析。（2）外用高频脉冲故障检测利用外部施加的行波信号检测电动机定子的绝缘性，同时可以将电机转子绕组的短路检测纳入故障分析中，外用高频脉冲故障检测理论已经用于实际项目中，并取得了较好的实验效果，该理论证实了行波故障信号分析的可行性。

本文将以电压理论中的电机定子绕组内部暂态行波信号特征为基础，在已有的传输线行波故障信号分析模型基础上进行改进，建立针对水轮发电机定子绕组接地的行波故障信号分析模型。具体的研究手段包括：（1）利用MATLAB模拟大型水轮发电机定子单相绕组接地，通过数学模型取得相关的行波故障信号。（2）利用Karebauer矩阵对采集的数据进行处理，具体处理包括相模转换。（3）利用小波多分辨分解器，提取模量数据中的高频暂态部分，将行波零模拟信号的高频暂态部分作为继电器保护的动作信号，同时利用模量的波动特征进行故障定位分析。

3.水轮发电机定子绕组的行波信号模型

3.1 行波故障信号传播的电路模型

水轮发电机定子绕组的电路模型可以简化为分布参数电路模型，大型水轮发电机的定子绕组单相接地模型类似三相输电线路的单相接地，可以将大型水轮发电机的定子绕组单相接地的模型直接等效为分布参数电路模型。大型水轮发电机定子绕组采用了波绕组形式，由若干规律排布的电气元件组成，所有的电气元件均由定子内槽与端头组成，大型水轮发电机定子绕组的电磁载荷较大，因此绕组的形式为单匝双层线棒结构形式，单匝绕组的电阻较小，但线棒的电阻却很大，可以忽略线棒的电阻。对水轮发电机定子绕组线棒参数进行傅里叶转换，行波故障信号传播的电路模型如图1所示。

图1 水轮发电机定子绕组的行波故障信号传播电路模型

3.2 行波故障信号的数学模型

将水轮发电机定子绕组的单位长度记作，可以推导出电压、电流的行波故障信号的数学模型，具体数学模型如下：

（1）

（2）

经过拉普拉斯变换可以得到：

（3）

（4）

其中为行波阻抗，行波的传播速度为，行波的正向电压波为，行波的负向电压波为，数学模型的具体解需要给定边界条件或者初始值。图2是行波故障信号的传播示意图

图2 行波故障信号的传播示意图

4.利用行波故障信号进行故障定位

4.1 差动保护的数学模型

行波的差动保护与故障选相是本文的研究重点，也是水轮发电机定子绕组单相接地故障分析的基础理论，由表达式3、4可以导出长度为L的绕组的前行波与反行波式。如果参数已经确定则可以得出Bergeron方程组：

（5）

（6）

其中，、为t时刻n 端的行波电流、电压；、为t时刻m端的行波电流、电压；τ为在绕组mn间波的行进时间，。通过式5、6可以判断行波从绕组一端传导到另一端的变化情况，由此可以导出：

（7）

（8）

有上述模型可以得出水轮发电机定子绕组故障的判断依据，时，水轮发电机定子绕组无故障。根据数据模型，原理相当于在水轮发电机定子绕组发生故障前接入了大小相同、方向相反的虚拟电源，可以作为行波故障信号分析的判断依据，将原有的三相绕组模拟成为三个独立的绕组，每个绕组都有相应的模量。

4.2 故障选相的数学模型

假定水轮发电机定子绕组发生故障时的短路电路为，可以建立模量数据转换矩阵，如下：

（9）

其中，α、β、0代表了模分量，a、b、c代表了相差。Bergeron模量变换矩阵为：

A相接地时、、都不等于零，B相接地时、都不等于零，C相接地时、都不等于零，由此可以接地故障的绕组，B、C绕组的故障分析也可以按照上述流程进行，但故障不是绕组接地造成的，则零模分量的数值为零，该数学模型不再适用。

5.小波变换的多分辨率分析

小波变换的多分辨率分析可以为行波保护提供准确的参数，包括行波极性、幅值等，除此之外，小波变换的多分辨率分析具有较好的适应性，可以同时对时域与频域进行分析，小波变换小波函数位移后在不同尺度下与信号进行内积。小波变换的多分辨率分析可以根据实际分析要求对行波信号进行细化，逐步观察信号特点。频域方面，可以简化为基本频率的带通滤波器在不同尺度下的信号滤波过程，选择合适的尺度对于小波变换的多分辨率分析十分重要，综合本文的研究需求选择db1型小波作小波变换的多分辨率分析，db1型小波具有较好的分频能力，同时具备局域性，在仿真模拟分析中运用较多，小波变换的多分辨率分析可以准确描述出行波信号的幅值，为继电器差动保护提供动作信号。

6.利用数学模型的仿真分析

本文选择了我国西北某水电站的大型水轮发电机作为分析对象，该大型水轮发电机的参数如下，，每相有六个分支绕组并联，每个分支绕组有27匝线圈组成，每匝线圈的槽内长度为5766mm，端部的长度为644mm，每个分支绕组的长度为173.07m，水轮发电机的详细参数如表1所示。

表1 水轮发电机的详细参数

利用MATLAB对已经建立的数学模型进行仿真，仿真时间0.05s，数据采样频率为200kHZ。首先提取暂态高频行波信号，对行波进行差动保护分析，之后采集接地模量信号，判断故障位置。需要注意的是由于信号来着单元接线的变压器，必须将变压器的波阻数值设置偏大，采集的行波电流没有实际意义。实际应用中行波信号容易被反射，必须在电压器前侧采集数据，一般情况下会使电压器短路。本文的数学模型属于定性分析，与具体数值无关，因此简化了数值因素对模型的影响，保证了数学模型的准确性。

7.总结

基于行波的故障分析已经成为电力系统的发展趋势，基于行波的故障分析可以根据行波故障信息对大型水轮发电机定子绕组进行过继电保护，同时快速定位故障。将现有的传输线行波故障检测理论应用于大型水轮发电机定子绕组接地故障检测，以定子绕组接地瞬时的暂态行波模分量为差动保护触发依据。本文建立了行波传播的电路模型、行波故障信号的数学模型，同时利用行波差动保护原理与行波故障选相原理进行故障定位，最后结合实际案例模拟分析了数学模型的准确性，希望本文的研究有利于我国水轮发电机故障检测领域的快速发展。

参考文献

[1]毕大强.大型水轮发电机定子绕组单相接地故障及保护方案的研究[D].清华大学，2003.

[2]杨经超.巨型水轮发电机故障暂态仿真及发变组保护研究[D].华中科技大学，2004.

[3]党晓强.大型发电机内部故障在线诊断及其行波应用新原理[D].四川大学，2006.

[4]曾耿晖.同塔线路故障分析及其对继电保护影响研究[D].华南理工大学，2012.

发电机定子接地故障及保护篇3

1 发电机中性点的接地方式

发电机中性点的接地方式与定子单相接地故障电流的大小、定子绕组的过电压、定子接地保护的实现等因素有关, 尽管接地方式不同, 但均要求单相接地电流尽量小些, 动态过电压倍数低些和易于实现高灵敏度的定子接地保护。我国目前应用的发电机中性点接地方式主要有以下几点。

(1) 中性点不接地或经单相电压互感器接地。 (2) 中性点经配电变压器高阻接地。 (3) 中性点经消弧线圈 (欠补偿) 接地。

1.1 中性点经单相电压互感器 (T Vo) 接地

这种方事其实是利用了中性点不接地, 而发电机中心点只是利用单相电压互感器来测量基波电压以及三次谐波电压。采用这种接地方式需要使发电机的单相接地电容电流小于安全电流, 想要保护无死区的定子接地也是可以的, 但是需要注意不要使用互感器铁芯的工作磁密太高的单相电压, 一般情况下起一次的额定电压即可为发电机的额定电压。

1.2 中性点经配电变压器高阻接地

这种方案是靠调整中性点接地变压器二次侧的电阻来限制接地故障时的有功电流。采用这种接地方式的目的, 主要是为了降低机端金属性接地时, 健全相发电机定子绕组过电压, 减小发生谐振的可能性。

1.3 中性点经消弧线圈接地 (欠补偿方式)

发电机中性点经消弧线圈接地后, 可使接地故障电流减小到安全电流以下 (300 MW及上以发电机一般都欠补偿到1 A以下) , 从而有效地防止了接地故障发展成相间或匝间短路, 使故障点电弧存在时间大为缩短, 特别是在补偿良好时更是如此。这对构成无死区的100%定子接地保护非常有益。

2 正常运行和单相接地故障时的基波零序电压

2.1 正常运行时

当发电机中性点没有消弧线圈时, 即使三相电势完全对称相等, 由于发电机电压系统三相对地电容不完全相等, 中性点也有一定的不平衡电压存在。当中性点接有消弧线圈 (欠补偿) 时, 为降低定子接地保护零序电压的动作值, 可适当改变串联电阻, 使一般中性点的不平衡电压可降到规定值以内。

2.2 单相接地时

对于金属性接地, 假设三相电源电势和三相对地电容完全对称, 并设故障点位于定子绕组A相距中性点α处。当在机端接地时, α=1.0, U0=EX;当在中性点接地时, α=0, U0=0。当故障发生在定子绕组任一相的任一点α时, 零序电压U0=αEX, U0与α成线性关系。

3 发电机三次谐波电势的分布特点

由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和影响, 在定子绕组中感应的电势除基波分量外, 还含高次谐波分量。其中三次谐波电势虽然在线电势中可将它消除, 但在相电势中依然存在。因此, 每台发电机总有约百分之几的三次谐波电势, 以E3表示。如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N和机端S, 每端为1/2Cof, 并将发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容Cos也等效地放在机端, 同此即可求出中性点及机端的三次谐波电压分别为:

此时, 机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比为:

由上式可见, 在正常运行时, 发电机中性点侧的三次谐波电压UN3总是大于发电机端的三次谐波电压US3。极限情况是, 当发电机出线端开路 (即COS=0) 时, US3=UN3。当发电机中性点经消弧线圈接地时, 假设基波电容电流得到完补偿, 在接入消弧圈以后, 中性点的三次谐波电压UN3在正常运行时比机端三次谐波电压US3更大。在发电机出线端开路时, COS=0, 则:

4 发电机定子接地保护

4.1 零序电流定子接地保护

由单相接地故障特点可知, 对直接连在母线上的发电机发生内部单相接地时, 外接元件对地电容较大, 接地电流增大超过允许值, 这就是零序电流接地保护的动作条件。

4.2 基波零序电压定子接地保护

单相接地时零序电压U0=αEph, Eph为故障相电动势, 可将之作为保护动作参量。此基波零序电压可以在机端或中性点处获得, 对于发电机中性点经配电变压器接地的情况, 基波零序电压可取自配电变压器的二次电压。

4.3 三次谐波电压型定子接地保护

发电机正常运行时, 中性点三次谐波电压比机端三次谐波电压大, 而在中性点附近发生接地故障时, 机端三次谐波电压增大。利用单相接地故障前后发电机中性点与机端处三次谐波电压变化特点构成三次谐波电压型定子接地保护。

4.4 10 0%定子接地保护

采用基波零序电压式定子接地保护和三次谐波电压型定子接地保护共同组成100%定子接地保护。前者可反应发电机的机端向机内不少于85%定子绕组单相接地故障 (85%~95%) , 后者反应发电机中性点向机端20%左右定子绕组单相接地故障 (0~50%) 。通过这两种保护的相互配合, 达到了大容量机组100%定子接地保护的要求。

第一部分是基波零序电压式定子接地保护, 保护接入的3Uo电压。第二部分是利用发电机三次谐波电动势构成的定子接地保护。正常运行时, 发电机中性点的三次谐波电压总是大于发电机机端的三次谐波电压。而发电机靠中性点侧0~50%范围内有接地故障时, 发电机机端的三次谐波电压大于发电机中性点的三次谐波电压。根据发电机定子绕组中性点附近接地故障的三次谐波分布特性, 保护装置取发电机中性点及机端三次谐波电压, 并对其进行大小和相位的的矢量比较。

参考文献

100%定子接地保护篇4

中小型水电站的发电机一般采用并联接线方式[1]。定子接地故障是发电机的一种主要故障类型,如不及时检测和处理,易引起故障点局部过热,烧毁定子线棒及铁心,影响发电机正常运行[2,3]。并联运行的多台发电机需要有选择性地检测故障点位置,判断故障发电机,便于有选择性地停机处理。现有的发电机定子接地保护方法一般采用零序基波电压[4,5,6]、3次谐波电压[7,8,9,10]、注入信号测量法实现[11]。这些方法均不具备选择性,不能判断故障发电机,需“试探性”地从电网中解裂发电机,查找故障点。行波保护是现行的一种具有选择性的定子接地保护方法[12],但是由于发电机所对应的行波首半波持续时间相应很短,使该保护的测量和判定有较大困难;而且在工频相电压瞬时值过零点附近发生定子单相接地时,该保护根本不能反应,行波保护难以推广应用[13]。因此急需研制并安装高灵敏度选择性定子接地保护,提高水电站的运行可靠性和经济指标。

现研究一种有选择性的定子接地保护原理,比较各发电机对地泄漏电流(即3倍中性点侧零序电流与机端出线侧零序电流之差),来判断单相接地点是否在本发电机定子绕组内部。

1 发电机定子对地泄漏电流分析

图1为机端共母线的3台发电机组供电系统。假定各发电机型号相同,图中i01S、i02S、i03S分别表示流过各发电机机端侧的零序电流,i01N、i02N、i03N分别表示流过各发电机中性点侧的零序电流。发电机定子绕组对地有分布电容,当发电机系统发生接地故障时,有故障分量电压(基波零序和3次谐波电压故障分量)产生,便产生对地泄漏电流。故障机组G1的泄漏电流是其所在电压网络(即与发电机有直接电联系的各非故障元件)对地电容电流之总和,方向是由发电机流向母线。当发生外部接地故障时(发电机G1发生定子接地故障,相当于发电机G2、G3是发生外部接地故障),非故障发电机G2、G3的泄漏电流方向相同,由母线流向发电机,大小为发电机本身对地电容电流。

因此,可以通过比较发电机定子单相接地故障时各发电机泄漏电流的大小或方向进行接地保护。

由于零序电压及泄漏电流均随发电机内部接地点的位置而改变,当发电机定子在靠近中性点附近发生单相接地时,零序基波电压与零序基波泄漏电流数值很小(趋于0),基于基波泄漏电流的保护不起作用。但故障点接近于中性点时,3次谐波电压及3次谐波泄漏电流的故障分量大,基于3次谐波泄漏电流保护的灵敏度高。因此,采用基波分量和3次谐波故障分量分别进行保护判断,可以实现100%定子接地保护。

2 泄漏电流定子接地保护

如上所述,利用泄漏电流基波分量可以反应发电机绕组中机端侧的单相接地故障,且当故障点越接近于发电机出线端时,保护的灵敏性越高;而利用泄漏电流3次谐波故障分量可以反应中性点附近的单相接地故障,且当故障点越接近于中性点时,保护的灵敏性越高。利用泄漏电流的基波分量和3次谐波故障分量的组合,构成选择性100%定子绕组接地保护。

2.1 泄漏电流保护启动

将基波与3次谐波电压分开处理,由发电机机端和中性点零序电压计算相应的基波故障分量(ΔU0)和3次谐波电压故障分量(ΔU3S、ΔU3N),用相量有效值描述启动判据为

其中,Uset为门槛电压;β为可靠性系数。发电机中性点及机端3次谐波电压故障分量分别为ΔU3N、ΔU3S。

2.2 泄漏电流保护判据

将基波与3次谐波电流分开处理。由发电机零序电压以及机端和中性点零序电流计算相应的基波分量和3次谐波故障分量。以基波分量为例提出保护判据。

a.泄漏电流大小保护。分析第k台发电机的接地保护,整定值应躲过外部单相接地时,发电机本身的电容电流I0kg,以及由于零序电流互感器一次侧三相导线排列不对称,而在二次侧引起的不平衡电流I0ub。取动作判据为

式中k为可靠系数;I0XL为泄漏电流基波分量。

b.泄漏电流方向保护。理想条件下,故障发电机的泄漏电流滞后零序电压90°,非故障发电机超前零序电压90°。以零序电压作为参考矢量,比较发电机的泄漏电流与零序电压(U0)的相位进行保护。考虑发电机定子绕组泄漏电阻的影响,取动作判据为

c.泄漏能量保护。当发电机定子接地时,零序电流由故障发电机流向非故障发电机,经定子绕组对地电容及中性点对地阻抗流回大地。考虑定子绕组对地泄漏电阻及中性点对地阻抗,将产生能量损耗。定义泄漏能量为泄漏电流与零序电压的积分,泄漏能量由故障发电机传向非故障发电机。泄漏能量函数为

故障发电机的泄漏能量函数呈单调上升,绝对值等于故障发电机故障电阻和对地泄漏电阻消耗的能量总和;而非故障发电机的泄漏能量函数仅为对地泄漏电阻消耗的能量,其值相应很小。因此,故障发电机的泄漏能量值远大于非故障发电机,通过比较发电机泄漏能量的大小可进行定子接地保护[14]。

d.泄漏电流方向比较保护。通过采用两两发电机泄漏电流相应的瞬时值相乘再积分的方法来进行保护[15]。非故障发电机泄漏电流方向相同,电流同为正或同为负,i0XLi(t)·Δi0XL j(t)≥0(i≠j)。故障发电机k与非故障发电机泄漏电流之间夹角在180°左右,Δi0XL j(t)·Δi0XLk(t)≤0(j=1,2,…,j≠k)。定义泄漏电流乘积的积分函数S0 jk(t)为泄漏电流方向比较函数。考虑一定的灵敏度范围,取动作判据为

式中 Sdz为保护动作出口的门槛整定值,它是为提高保护动作可靠性而设置的;t0为故障开始时刻。

2.3 泄漏电流保护可行性分析

上述保护方法都适用于基波分量保护和3次谐波分量保护。

所提保护判据适用范围不同。当仅为2台发电机并列运行或故障发电机对地电容较其他发电机小很多时,保护判据a、d失效;但保护判据b、c具有方向性,能可靠动作。当发电机台数在2台以上且各台发电机对地电容相差不多时,保护判据均可动作。因此采用泄漏电流及能量组成的综合发电机定子接地保护,可以完成低阻、高阻等各种接地故障的准确检测。

判据c、d采用瞬时采样值进行计算,由此构成的保护有可能超高速动作出口切除故障。通过求积分,提高了保护的可靠性,减少了分布电容、干扰等因素的影响。

发电机正常运行时,系统中包含3次谐波电压及电流,利用3次谐波故障分量进行接地保护,可以排除正常3次谐波电流的影响,充分反映系统的故障特性,从而保证保护的可靠性和准确性。由于单相接地故障前后电流变化不大,电流互感器一直工作在磁饱和曲线的线性区,所以该保护方法不受电流互感器饱和影响。为提高保护精度,可采用14位或16位AD采样。

3 仿真波形及结果分析

仿真实验中,以3台发电机并列运行为例,如图1所示。各项参数取值如下:发电机额定电压13.8 k V,各发电机每相对地电容分别为0.577μF、0.560μF、0.560μF,发电机外部系统每相总电容0.15μF。以发电机中性点不接地为例,根据故障点位置、过渡电阻Rf等不同情况,分别进行仿真测试。对于基波分量:零序电压有效值为U0,能量函数为E0,发电机1、2的泄漏电流分别为ΔI0XL1、ΔI0XL2。对于3次谐波故障分量:能量函数为E3,发电机1、2的泄漏电流分别为ΔI3XL1、ΔI3XL2,发电机中性点及机端3次谐波电压故障分量分别为ΔU3N、ΔU3S。

3.1 基波分量保护仿真

图2及表1为发电机1定子绕组A相发生单相接地故障时泄漏电流基波分量能量函数波形图及仿真结果,其中α表示中性点到故障点的绕组占全部绕组的比例,图3及表2同。

由波形图及仿真结果可知4点。

a.故障发电机的泄漏电流大于非故障发电机的泄漏电流;而非故障发电机对地泄漏电流大小基本相同,对地电容大的非故障发电机泄漏电流较大。因此,泄漏电流大小保护具有较高的准确度。

b.故障发电机与非故障发电机泄漏电流的相位基本相反,因此泄漏电流方向保护及泄漏电流方向比较保护具有较高的准确度。

c.故障后故障发电机的泄漏能量单调上升,且数值较大;非故障发电机的泄漏能量在一个周期内为负,且数值很小。因此采用泄漏能量函数进行定子接地保护具有较高的准确度。

d.当发电机中性点附近发生故障时,泄漏电流基波分量很小,保护不动作。

3.2 3次谐波故障分量保护仿真

发电机1定子绕组A相发生单相接地故障时泄漏电流3次谐波故障分量保护仿真结果如图3及表2所示。

由波形图及仿真结果可知5点。

a.发电机发生定子单相接地故障后,机端和中性点侧的3次谐波电压增量是近似相等的,包括幅值与相位相等。当系统运行方式变化或其他原因引起机端和中性点侧的3次谐波电压变化时,一般表现为机端和中性点侧的3次谐波电压变化量的比值近似不变,且它们变化量的相角差将接近180°(近似于正常运行时的规律)。因此,启动判据具有较高的可靠性。

b.故障发电机的泄漏电流3次谐波故障分量大于非故障发电机;而非故障发电机对地泄漏电流3次谐波故障分量大小基本相同,对地电容大的非故障发电机泄漏电流较大。因此,泄漏电流大小保护具有较高的准确度。

c.故障发电机与非故障发电机泄漏电流3次谐波故障分量的相位基本相反,因此泄漏电流方向保护及泄漏电流方向比较保护具有较高的准确度。

d.故障发电机泄漏能量函数数值较大,非故障发电机泄漏能量函数数值较小。因此采用泄漏能量函数进行定子接地保护具有较高的准确度。

e.正常运行条件下定子绕组3次谐波零电位附近故障时,泄漏电流3次谐波故障分量很小,保护灵敏度低。

4 结论

提出了利用比较各发电机对地泄漏电流(即3倍中性点侧零序电流与机端出线侧零序电流之差)而构成的定子接地保护原理。理论分析和仿真结果都表明,该保护原理不仅能够较好地检测发电机系统定子接地故障,还可较好地区分故障发电机与非故障发电机,具有如下特点:

a.发电机定子单相接地故障产生的零序电流由故障点流向整个系统,通常故障发电机泄漏电流大于非故障发电机,且方向相反,能够用于接地保护;

b.利用泄漏电流的基波分量和3次谐波故障分量的组合,构成选择性100%定子绕组接地保护;

100%定子接地保护篇5

继电保护是指一种对电力系统故障和危害其安全运行的异样工况所采取的有效策略,在保护中用继电器来保护电力系统及其元件。水轮发电机定子单相接地故障不仅直接影响了发电机的功效,还危害了水电站的正常生产和运营。因此,如何解决水轮发电机定子单相接地故障,需要利用科学的继电保护技术。

1老虎嘴水电站水轮发电机概况

老虎嘴水电站的装机容量102 MW,已经安装了3台单机容量为34 MW的混流式水轮发电机组,能确保其出力23.19 MW,年均发电量已经达到了49550万kW·h,装机的年利用小时数为4858h。水电站选用的发电机型号是SF3428/6000,主要参数为:额定容量40 MVA、额定功率34 MW、额定电压10.5kV、额定电流2199A、额定频率50 Hz、相数3相、额定转速214.3r/min、定子绕组/转子绕组F/F、飞轮力矩>2000N·m。其相应的继电保护配置包括对发电机差动、发电机定子绕组单相接地、电流记忆低电压过流、发电机过电压、负序过负荷、转子接地、失磁、轴电流、励磁变时限速、励磁变压器过流及温度保护等。对发电机差动的保护将发电机纵差保护作为主保护,CT断线检测功能允许差动保护动作,保护无延时动作于停机,且同时发信号[1]。对发电机定子绕组单相接地的保护,要与发电机并网前后动作准确相符,保护出口动作于停机,且同时发信号。对电流记忆低电压过流的保护,保护装置带有两段时限,其中短时限的t1动作于跳220kV母线分段断路器,长时限的t2动作于停机,两段同时发出信号。对负序过负荷的保护,其目的是为了反映发电机转子表层过负荷的情况,定时限延时动作于发信号[2]。对转子接地的保护,使用乒乓式转子一点接地进行保护,能表现出转子对地的绝缘电阻值,对出口带时限动作于发信号进行保护。

2水轮发电机的中性点接地方式

水轮发电机的安全运行与中性点接地方式相关,而中性点接地方式又与定子绕组过电压、单相接地故障电流等有关。当前国内外水轮发电机的中性接地方式主要有中性点直接接地、中性点不接地、中性点经低阻接地、中性点经高阻接地以及中性点经消弧线圈欠补偿接地等,其中后两种是应用最为广泛的中性点接地方式。老虎嘴水电站水轮发电机的中性点接地方式主要采用的是中性点经高阻接地,即经配电变压器避雷器接地。因此,本文主要分析发电机中性点经避雷器高阻接地方式。该中性点接地方式的目的是为了限制间歇电弧引起的积累性电压升高,最终降低电弧接地暂态过电压。因这种接地方式会加大定子单相接地时的接地电流,在接地保护时必须快速跳闸。当中性点接地的电阻Rn≤发电机对地容抗Xc时,经避雷器高阻接地就能较好地将暂态过电压控制在安全范围内,此时如果系统的高压一侧发生单相接地,其产生的传递过电压也不会导致发电机基波零序电压定子单相接地保护出现误动现象。经避雷器高阻接地后,从故障点流过的接地电流量是流经该电阻的有功电流和发电机的接地电容电流的矢量和。这种情况下,如果发电机的对地电容加大,会使得接地故障电流加大,容易烧毁铁芯,保护出口就只能动作于瞬时跳闸,并冲击整个电力系统和发电机,形成暂态过电压。此外,发电机灭磁要一定时间,即便是断路器自动跳闸也不代表切断了故障电流,仍然存在烧毁铁芯的风险。

3水轮发电机定子单相接地的继电保护技术实现

基波零序电压和三次谐波电压两项技术已经在水轮发电机中得到广泛的应用,而在引进国外机组后,外加电源式的定子单相接地继电保护技术也日益完善。随着微机保护的发展,不断研发和形成了新型的继电保护技术,如小波变换保护技术和行波保护技术等。

3.1基波零序电源保护技术的应用

水轮发电机组一般是将发电机、超高压或高压电网、变压器组单元接线进行直接相连,因发电机和系统中其他元件没有电联系,接地电容电流较小,就可采用基波零序的电压保护技术。该技术在单相接地发生时,利用中性点处零序电压和检测机端的电压来判断是否发生接地故障。假定相接地发生在定子绕组距离中性点α处,α表示中性点到故障点的绕组所占全部绕组匝数的百分比,机端的各个相对低电压表示如下:该故障点的零序电压为。可知,故障点的零序电压会随着故障点的位置变化而变化。发电机内部单相接地时,电压互感器二次开口的输出电压在机端接地为100V,其零序电压为Ud0(α)=100α(V)。保护的动作电压Ud0(α)要避开正常运行时中性点单相电压互感器三角绕组的最大不平衡电压。经过实验测试表明,当发电机正常运转时,其不平衡零序电压会≥10V,如果电压互感器饱和的话,还会 >20V。针对可能引发的零序电压保护误动问题,可以从动作电压整定值及延时两方面与系统接地保护进行配合。

3.2外加电源式定子单相接地继电保护技术

该技术是在发电机正常运行下整个三相定子回路对地绝缘的基础上产生的,在发电机定子回路和大地间外加一个信号电源后起到保护作用。一般情况下,外加低频电源主要有20Hz和12.5Hz,在定子绕组中性点或机端将信号发送到发电机定子的系统,能100%独立完成对定子接地的保护。外加电源式定子单相接地继电保护技术能独立完成对接地故障的检测,与其他技术相比,受发电机运行方式的影响可以忽略不计,在发电机禁止和停用等情况下都能起到一定的保护作用,具有高灵敏度。不过,该技术对电源的性能和可靠性要求很高,现场调试较为复杂,且其灵敏度会受外加电源内阻大小和中性点接地方式的影响。

3.3小波变换定子单相接地继电保护技术

该技术的灵敏度较高,能检测出发电机零序电流的突变点,利用故障点小波变换模极大值的大小、位置、符号等能有效分辨出发电机内外部接地故障。在忽略噪声对技术效应的影响时,利用该技术检测发电机接地故障可以通过以下几点实现:检测到发电机机端零序电流的小波变换模的最大值和其他发电机机端零序电流的小波变换模的最大值符号不同,位置相同数值更大时,就可以判定该发电机存在内部单相接地故障;检测到发电机端零序电流的小波变换模的最大值和其他发电机机端零序电流的小波变换模的最大值符号和位置都一致时,可以判定该发电机存在外部接地故障。但是,该技术比较容易受噪音干扰,且一旦受到噪音干扰的话,其检测结果的精准度和保护的效能会大打折扣。

4结语

100%定子接地保护篇6

目前, 采用基波零序电压和三次谐波电压配合构成的100%定子保护以及注入式定子接地保护不仅能保护发电机定子绕组, 而且能对与发电机直连的发电机封闭母线、发电机出口和主变低压侧电磁式电压互感器 (TV) 、励磁变及厂高变高压侧单相接地故障产生反应[1,2]。在发生定子接地保护动作后, 判断故障点位置成为事故分析的首要任务。采用经接地变高阻方式接地的发电机变压器组在发生单相接地故障后, 故障相电压降低, 非故障相电压升高, 产生零序电压[3], 易引起发电机出口和主变低压侧TV饱和, 导致TV中暂态励磁电流急剧增大, 励磁电抗下降。主变低压侧对地容抗与TV感抗的比值易进入Peterson铁磁谐振的共振区域, 引起主变低压侧TV出现铁磁谐振现象。

本文通过锦屏一级水电站一起定子接地故障引起的分频铁磁谐振实例, 利用MATLAB对故障电压进行计算分析, 得出机端电压与接地过渡电阻关系, 重点对主变低压侧接地故障和铁磁谐振进行理论和故障特征区分。

1 故障实例分析

1.1 故障情况介绍

锦屏一级水电站6号发电机变压器组主接线图如图1所示, 主变通过4/3接线方式接入500kV系统。2013年10月10日, 6号机组发生一起定子接地保护动作事件。在定子接地保护动作跳开发电机出口断路器 (GCB) 206后, 发电机机端电压恢复正常, 主变低压侧波形不对称且有零序电压, 2s后主变低压侧电压恢复正常。

分析6号机组接地故障点的位置有如下可能。

1) 故障点在GCB206发电机侧。伴随GCB206动作, 故障点绝缘恢复, 故障现象消失。

2) 故障点在GCB206主变侧。GCB206跳开之后, 故障点相对于机端被隔离, 因此机端电压恢复正常, 此时区分主变低压侧TV在GCB206跳开2s内的电压波形是接地故障还是铁磁谐振, 成为故障点判断的关键所在。由于定子接地故障与铁磁谐振现象类似[4,5], 只有准确地辨识其故障特征才能分析接地故障和铁磁谐振的起止时刻。

1.2 现场录波波形分析

6号发电机机端故障电压波形如图2所示。图中:为机端三相对地电压一次值;U0·为机端零序电压一次值。发电机出口额定相电压为11.54kV (额定线电压为20kV) 。

从故障发生开始, 经0.5s后定子接地保护动作, 此时发电机A相电压为15.33kV, B相电压为8.57 kV, C相电压为12.12 kV, 零序电压为3.93kV, 初步判断为6号发电机变压器组B相发生了接地故障。但为何非故障相A相电压升高, 而非故障相C相电压基本不变, 需进行推导和计算。

1.3 单相接地故障时三相对地电压理论分析

记发电机每相对地电容为Cg, 外部每相对地总电容为Ct (含GCB206发电机侧CG内、GCB206主变侧CG外、主变低压侧CT) , 总容抗为XC, 接地变压器二次电阻为Rn, 接地变变比为NT, 接地变一次电流为, 发电机变压器组对地容性电流为, 接地点故障电流为, 机端额定相电压为, 机组运行角速度为ω。零序回路如图3所示。

发电机B相在距中性点α (α为故障点到中性点的匝数与单相单分支绕组总匝数的比值) 处经过渡电阻Rf接地时, 故障点零序电压为:

机端三相电压为:

式中:分别为机端三相额定电压。

通过断开发电机机端软连接, 对发电机进行绝缘电阻测量。吸收比及极化指数均合格, 直流耐压合格, 证明发电机无接地故障, 故可判断故障点在发电机外侧, 从而令α=100%。

1.4 从机端电压角度计算接地过渡电阻

锦屏一级水电站相关设备参数见附录A表A1。根据式 (1) 、式 (2) 及附录A表A1, 利用MATLAB软件模拟发电机出口处经不同过渡电阻接地, 得到曲线见图4。可知, 机端B相经600Ω过渡电阻接地时, 故障相B相电压为8.51kV, 非故障相C相电压为12.07kV, 非故障相A相电压为14.99kV, 这与现场机端录波图相吻合。

1.5 从电流角度计算接地过渡电阻

定子接地保护动作时刻, 从机组故障录波装置可查询故障时刻。从电流角度计算过渡电阻的公式如下。

通过式 (3) 计算故障点过渡电阻Rf为600Ω, 这与MATLAB计算分析的结果一致。

2 主变低压侧铁磁谐振波形分析

2.1 分析铁磁谐振的必要性

由于铁磁谐振一般由短时单相接地故障引起, 且分频铁磁谐振波形与定子接地波形存在一定相似度, 因此需要从理论和故障特征上对定子接地故障和铁磁谐振现象进行区分。

2.2 铁磁谐振产生机理

Peterson经典曲线表明:不同XC/XLe值将产生不同频率谐振, 其中, XLe为系统的对地电抗。当XC/XLe为0.01~0.07时, 出现分频谐振, 其电压特征为:三相电压周期性轮流上升, 发生低频波动, 过电压较小。

2.3 铁磁谐振分析计算

6号主变低压侧TV试验报告中励磁特性参数试验数据如表1所示。由表1可以看出, 随着TV电压升高, 励磁电流迅速升高, 励磁电抗下降。主变低压侧最高相电压为15.33kV, 换算为TV二次电压为76.652V, 为额定电压的1.33倍, 可估算故障时励磁电抗为额定电压下的1/5, 即10.18Ω, 折算到TV一次侧为407 200Ω。发电机机端TV与主变低压侧TV同型。

GCB206发电机侧, 系统对地容抗值为:

GCB206主变侧, 系统对地容抗值为:

根据式 (4) 、式 (5) 及TV电抗值, 计算发电机出口TV及主变低压侧TV的XC/XLe, 从而判断其是否能进入铁磁谐振区域。

GCB206断开后, 发电机出口TV的XC机/XLe=0.003 1, GCB206断开后, 主变低压侧TV的XC主/XLe=0.027。可见在GCB206断开, 且接地故障消失后, 发电机机端TV的XC/XLe未进入谐振区域, 而主变低压侧TV的XC/XLe进入了分频铁磁谐振区域。这与现场发电机出口TV未发生铁磁谐振, 而主变低压侧TV发生铁磁谐振现象一致。

2.4 主变低压侧故障波形分析

主变低压侧从接地故障发生开始至分频铁磁谐振消失的全过程, 如图5所示。图中:为主变低压侧三相对地电压一次值;为主变低压侧零序电压一次值。

可将故障过程分为3个阶段。第1阶段:t1 (0.5s) 时刻前, 为故障发生至定子接地保护动作跳开GCB206阶段。第2阶段:t1至t2 (2.2s) 时刻, 为GCB206跳开至主变低压侧接地故障消失阶段。第3阶段:t2时刻后, 为接地故障消失开始铁磁谐振至电压恢复正常阶段。

第1阶段中, 起始时刻为故障发生时刻, 相应的故障波形放大图见附录A图A1。接地故障发生后, 过渡电阻逐渐减小, 故障相B相电压降低, 非故障相A相电压升高, C相电压基本不变, 0.5s后定子接地保护动作。此过程为接地故障发展阶段。

第2阶段中, 起始时刻为GCB206跳开时刻, 该阶段持续1.7s, 选取其中0.25s的时间段进行研究, 相应的故障波形放大图见附录A图A2。此时主变低压侧一次系统从经接地变高阻接地及大过渡电阻接地的混合接地系统变化为经大过渡电阻接地的接地系统, 系统对地阻抗变大。

由表1可知, 故障发生后主变低压侧TV铁芯磁路饱和, 因此主变低压侧TV励磁电流为尖顶波才能保证TV磁通为正弦波。励磁电流尖顶波除基波分量外主要为三次谐波, 三次谐波电流由于相位相同, 必须通过系统零序回路流通。GCB206跳开后系统零序回路发生变化, 系统对地阻抗变大, 主变低压侧TV励磁电流中三次谐波电流变小, 导致励磁电流变为非尖顶波, 主变低压侧TV磁通变为平顶波, 因此波形产生畸变, 且波形中谐波分量主要为三次谐波, 根据录波数据显示三次谐波最高占基波28.45%。

第3阶段中, 起始时刻为接地故障消失时刻, 该阶段相应的故障波形放大图见附录A图A3。通过2.3节铁磁谐振分析计算已知主变低压侧在GCB206跳开且接地故障消失后XC/XLe=0.027, 该值进入了分频铁磁谐振区域。由附录A图A3可见, 三相电压轮流升高, 符合分频铁磁谐振的特点, 且附录A图A2中未出现分频铁磁谐振现象, 也证明了GCB206跳开后, 主变低压侧的接地故障未消失, 而是经过了1.7s的接地故障过程, 接地故障点消失作为铁磁谐振的激发条件才使系统进入持续0.32s的分频铁磁谐振状态, 最后谐振能量消除, 主变低压侧电压恢复。

由此可以判断接地故障点在GCB206主变侧。

3 故障点检查

对主变低压侧至GCB206段离相封闭母线B相进行两次交流耐压试验, 耐压至42.4kV时, 均出现击穿现象, 伴有放电声音。通过声音判断故障点位于主变低压侧TV柜B相上方分支母线区域。进入离相封闭母线筒内检查, 发现主变低压侧TV柜B相上方第1组支柱绝缘子中的一个支柱绝缘子 (每组3个支柱绝缘子) 碎裂成多块, 其中一块从根部斜挂在筒体和母线导体间, 其余掉落筒内, 见图6。

因此, 导致此次定子接地保护动作的原因是离相封闭母线主变低压侧TV柜上方第1组支柱绝缘子中的故障支柱绝缘子存在质量缺陷, 在运行中发生接地故障, 接地电流使绝缘子弹力块表面过热炭化, 同时弹力块与绝缘子间隙内的空气高温膨胀, 造成绝缘子爆裂并脱落。弹力块及绝缘子碎片掉落后, 母线与地之间绝缘恢复, 使系统恢复正常运行。

本文可为大型发电机变压器组GCB206主变侧非永久性接地故障分析提供参考。

附录见本刊网络版 (http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx) 。

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100%定子接地保护篇7

关键词：三次谐波,定子接地保护、阻抗补偿

0 引言

小湾水电站位于澜沧江中下游河段大理州南涧县和临沧市风庆县交界处, 是“西电东送”的标志性工程;总装机容量420万千瓦 (6×700MW) 。

小湾发电机采用整数槽 (q=4) 波绕组 (定子绕组节距为y1=13、y2=11) , 40极, 定子槽数为480, 每相8分支, 每分支20个线圈。电站投产后, 发电机线棒陆续出现电晕现象, 阿尔斯通水电设备 (中国) 有限公司通过改进发电机定子绕组接线方式对线棒进行防晕处理。

发电机定子改接线不会改变发电机单相接地时的零序电压分布规律, 因此不会对利用零序电压原理构成的定子接地保护造成影响, 但发电机定子改接线改变了定子对地分布电容, 会影响三次谐波定子接地保护及注入式定子接地保护的整定值。

1 发电机定子改接线简介

小湾电厂发电机原绕组绕线方式中, 所有绕组的走线方向都是相同的, 这就造成相邻的不同相别的线棒 (定子端部每8根线棒) 之间的电势差逐渐从零 (中性点端) 变大到18k V (出口段) , 继而造成定子绕组电场分布不均, 局部电势差过高, 加重了电晕。为解决电晕问题, 小湾电厂对发电机定子进行改接线, 改变部分支路绕组的走线方向, 使相邻的不同相别绕组的走线方向相反, 这样就使得它们之间的电势差始终保持在10.4k V左右, 从而降低绕组间的局部电势差、改善线棒间的电场分布, 进而减少、减弱电晕的发生[1]。

2 发电机定子改接线对三次谐波定子接地保护定值的影响

发电机三次谐波定子接地保护是通过比较发电机机端和中性点的三次谐波电压的比值, 来判断发电机是否满足定子接地相关动作条件, 以达到检测距中性点5%~15%范围内定子接地故障的目的。三次谐波定子接地保护的动作判据为:U3T/U3N>K3wzd, 式中:U3T、U3N为机端和中性点三次谐波电压值, K3wzd为三次谐波电压比定值。机组在并网后, 受变压器对地容抗的影响, 机端等值容抗会发生较大的变化, 三次谐波电压比值也会随之变化, 因此微机保护在机组并网前后各设置一个三次谐波电压比值整定值, 根据机组出口断路器位置接点变化自动切换。

根据实际运行情况, 正常运行时机端和中性点三次谐波电压比值并不是一个固定的值, 随着机组有功负荷变化而变化。这是因为:随着发电机运行工况的改变, 定子绕组各点温升有差异, 不同程度改变着定子绕组各点对地电导的大小;随着发电机运行工况的改变, 发电机沿磁极表面各部位饱和程度不一致, 发电机磁场是不均匀分布的, 由此造成三次谐波电动势的不均匀;随着发电机运行工况的改变, 升压变压器的铁芯饱和程度不同, 变压器产生的三次谐波电动势也不同[3]。

发电机定子改接线后, 改变了发电机定子绕组对地电容分布, 将对机端和中性点三次谐波电压比值U3T/U3N造成影响, 同时比值U3T/U3N又随着机组有功负荷变化而变化。因此需要实际测量定子改接线后, 机组不同运行工况下机端和中性点三次谐波电压比值的最大值, 以此为依据对三次谐波电压定子接地保护定值进行整定。

小湾电厂1、2、3号机组定子改接线前后三次谐波现场试验测量数据如下表。

通过现场试验测量可以看出, 定子改接线后U3T/U3N的实测最大值比改接线前增大了, 根据理论计算可以得出, 发电机定子单相接地故障时:

U3T/U3N增大, 则就减小, 所以小湾电站发电机定子改接线缩小了三次谐波定子接地保护的保护范围。

3 发电机定子改接线对注入式接地保护定值的影响

3.1 注入式定子接地保护简介

小湾电厂发变组B套定子接地保护使用的是20Hz电源注入式保护, 其原理是在发电机定子回路对地之间外加一个20Hz交流电源, 保护的动作判据为:RE<RE.SET&IG0>ISAFE, 即发电机定子绕组接地电阻小于接地电阻跳闸定值且流过发电机接地设备的零序电流大于安全接地电流定值时, 保护动作跳闸。发电机正常运行时, 三相定子绕组对地是绝缘的, 20Hz电源回路检测到的定子绕组接地电阻很大。而发生定子接地故障时, 20Hz电源回路将检测到定子绕组的接地过渡电阻值, 该值小于接地电阻跳闸定值, 同时发电机接地设备将流过较大的零序电流, 使保护满足动作条件跳闸。保护具体接线方式为:发电机中性点接地变压器副边接负载电阻, 20Hz注入式电源叠加在负载电阻上, 通过接地变压器副边耦合至一次侧。

注入式接地保护的整定值主要有:接地电阻定值、安全接地电流定值、相角补偿值、电阻补偿值、电抗补偿值、电阻折算系数、电压回路监视定值、电流回路监视定值。

3.2 接地电阻定值

发电机中性点经接地变压器高阻接地, 当定子绕组发生单相接地故障时, 其等效的基波零序回路电路如图2所示。图中, E为发电机相电压;RE为故障点的接地过渡电阻;α为接地故障位置至中性点的匝数占定子绕组一相串联总匝数的百分比;Rn为中性点接地电阻;Xc为三相定子绕组侧系统对地总电容的容抗;U0为基波零序电压;IE为流过故障点的基波零序电流。

考虑发生严重的机端接地故障, 根据规程允许的接地故障电流值, 通过等效电路求出接地过渡电阻值, 此电阻值作为保护接地电阻报警值和调整值的整定依据。

根据等效电路可得出

式中RN为接地变压器等效至发电机一次侧的电阻值。

根据公式 (3) 可以计算出机端接地故障时在规定接地故障电流下的过渡电阻值。接地过渡电阻值由两部分组成:可以看出第一部分是一个固定值 (机端接地时α=1, IE取规程允许的接地故障电流值) ;第二部分在定子改接线后变化很小, 这是因为发电机定子绕组对地总电容的容抗Xc比RN大得多, 定子改接线后Xc发生了一定的变化, 但Xc仍然比RN大得多, RN/ (-j Xc) 的值变化很小。

综上所述, 定子改接线前后, 机端接地故障时在规定接地故障电流下的过渡电阻计算值变化很小, 所以注入式定子接地保护的接地电阻定值受发电机定子改接线的影响很小。

3.3 安全接地电流定值

发电机停机时, 机端金属性接地, 串接一电流表, 发电机零起升压, 当电流表显示接地故障电流到达安全电流时, 读取保护装置检测到的流过接地变压器电流IG0, 作为安全接地电流的定值。这是比较准确的安全接地电流的整定方法[7]。

如图2在定子绕组对地总电容和接地变压器构成的并联回路中, 流经接地变压器的接地故障电流为:

由于发电机定子绕组对地总电容的容抗Xc比RN大得多, 所以流经接地变压器的电流占发电机接地故障电流的很大一部分。发电机定子改接线虽然改变了定子绕组对地总电容的容抗Xc, 但Xc仍比RN大得多, 定子绕组对地总电容和接地变压器构成的并联回路的总阻抗变化很小, 流经接地变压器的接地故障电流的变化也很小, 所以对安全接地电流定值不会有太大的影响。

3.4 相角补偿值

发电机在正常绝缘情况下, 注入电流表现为电容电流, 注入电压滞后注入电流90°, 由于电压、电流回路硬件检测通道相位存在延迟差异, 会使电压、电流相位发生偏移。因此须查看正常状态下保护装置显示的相角, 然后通过修改相角补偿值进行相角补偿, 使补偿后的相角为270°[8]。

发电机定子改接线后改变了定子绕组对地总电容容抗Xc的大小, 但不会改变注入电流、电压的相角关系, 因此发电机定子改接线对注入式定子接地保护的相角补偿值没有影响。

3.5 电阻、电抗补偿值

电阻补偿值、电抗补偿值的整定方法为:发电机停机状态下, 接地变压器高压侧对地短路, 投入“补偿试验状态投入”控制字, 读取测量电阻二次值作为电阻补偿值, 读取测量电抗二次值作为电抗补偿值。经补偿后装置测量的电阻值应该接近为零[8]。

20Hz注入式电源的等效电路如图3所示, 图中, 是接地变压器一次侧绕组漏阻抗, R2、X2是接地变压器二次侧绕组漏阻抗, 是接地变压器激磁阻抗, EZ是注入式电源电动势, 各参数均为20Hz下折算到接地变压器二次侧的值。可以看出, 接地变压器高压侧对地短路时, 所测量出来的电阻二次值、电抗二次值, 实际上就是接地变压器的电阻、电抗值, 因此发电机定子改接线对注入式定子接地保护的电阻补偿值、电抗补偿值没有影响。

3.6 电阻折算系数

理论上电阻折算系数, 但实际的接地变压器电压变比nt、分压器分压比、中间电流互感器变比与设计值之间有偏差, 因此需按现场模拟接地故障试验调整该系数。发电机停机状态下, 中性点对地经过电阻接地, 将实际电阻值与装置中测量的接地电阻值进行比较, 电阻折算系数, 其中RE为实际接地故障电阻的阻值 (一次值) , 为装置测量到的接地电阻的二次值。调整折算系数后, 装置测量结果 (一次值) 应与实际电阻阻值相对应。由上述可见, 电阻折算系数与电压、电流回路变比有关, 发电机定子改接线对注入式定子接地保护的电阻折算系数没有影响。

3.7 电压回路监视定值

在发电机停机状态下, 发电机中性点做金属性短路试验, 实测低频零序电压为, 则电压回路监视定值, 其中Krel为可靠系数, 取0.4~0.6。根据T型等效电路图 (图3) 可以看出, 发电机中性点金属性短路时, 其实测低频零序电压的大小与定子绕组对地总电容的容抗Xc无关, 因此发电机定子改接线对注入式定子接地保护的电压回路监视定值没有影响。

3.8 电流回路监视定值

在发电机停机状态下, 无接地故障时, 保护装置实测低频零序电流为IG0.min, 则电流回路监视定值, 其中Krel为可靠系数, 取0.4~0.6。

无故障时保护装置检测到的低频零序电流主要为发电机对地低频电容电流, 其大小与定子绕组对地总电容的容抗Xc有很大关系, 因此发电机定子改接线对注入式定子接地保护的电流回路监视定值有较大影响。

3.9注入式定子接地保护现场试验情况

小湾电厂1、2、3号机组定子改接线前后注入式定子接地保护现场试验整定数据如下表。

从表中数据可以看出, 小湾电站发电机定子改接线前后, 通过现场试验方法整定的注入式定子接地保护的相角补偿值、电阻补偿值、电抗补偿值、电阻折算系数、电压回路监视定值变化很小, 只有电流回路监视定值发生了比较明显的变化。

4 结束语

小湾电站发电机定子改接线后, 定子绕组对地总电容的容抗Xc发生了变化, 改变了正常运行时机端和中性点三次谐波电压比值, 使三次谐波定子接地保护的保护范围缩小。对于注入式定子接地保护, 定子改接线后改变了发电机对地低频电容电流的大小, 从而影响了电流回路监视定值, 对注入式定子接地保护的其他定值影响很小或者没有影响。综上所述, 发电机定子接线结构发生变化后, 会对三次谐波定子接地保护定值及注入式定子接地保护的部分定值造成影响, 需要对这两种定子接地保护的定值重新进行现场试验整定。

参考文献

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[4]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京:中国电力出版社, 2002.

100%定子接地保护篇8

关键词：发电机,定子,接地保护,单相接地,铁磁谐振

0 引言

定子接地是发电机最常见的一种故障, 易造成发电机绝缘局部损坏, 以及相间和匝间故障。锦屏水电站发电机定子为非直接接地系统, 其接地保护采用南瑞继保的“基波零序保护+3次谐波电压”和注入式定子接地保护构成双重化100%定子接地保护。本文通过对锦屏水电站2次典型定子接地故障情况和故障录波数据进行比较分析, 分别验证了2套保护装置动作的正确性, 为故障查找和处理提供了理论依据。

1 发电机定子接地保护原理

1.1 注入式定子接地保护原理

锦屏水电站注入式定子接地保护现场接线如图1所示。为避免电压回路二次引线短路引起的短路电流流过中间电流互感器, 导致定子接地保护误动, 将电压回路二次引线直接接在负载电阻Rn两端。另外, 为了准确测量注入电压, 电压回路引线不与电源共用输出线。

RCS-985注入式定子接地保护装置通过检测接地变压器二次侧的20Hz电压、电流信号来计算接地过渡电阻Re:

式 (1) 中的电压、电流需滤除基波、3次谐波, 并进行适当的补偿。通过判定值即可判定是否发生接地故障及其严重程度, 实际应用时有高低2个定值, 高定值用于延时报警, 低定值用于延时跳闸, 其零序阻抗电路如图2所示。

1.2 基波零序+3次谐波定子接地保护保护原理

基波零序电压型定子单相接地保护通过检测机端或中性点处基波零序电压来判别故障。正常时, 由于中性点存在位移电压, 因此该保护在中性点附近接地时存在死区, 保护范围一般为90%~95%, 其动作方程为:

式中, Un0为发电机中性点零序电压;U0zd为零序电压定值。

3次谐波电压比率判据只保护发电机中性点25%左右的定子接地, 机端3次谐波电压取自机端开口三角零序电压, 中性点侧3次谐波电压取自发电机中性点零序电压。3次谐波保护动作方程为:

式中, U3T为机端3次谐波电压值;U3N为中性点3次谐波电压值;K3wzd为3次谐波电压比值整定值。

机组并网前后, 机端等值容抗有较大的变化, 3次谐波电压比率关系也随之变化, 本装置在机组并网前后各设一段定值, 可随机组出口断路器位置接点变化自动切换。

2 单相接地故障时的零序电压和三相对地电压分析

2.1 金属性接地

设故障点位于定子绕组A相距中性点a处, 由于接地电流非常小, 且定子绕组感抗远小于对地容抗, 因此可以忽略定子绕组感抗压降, 这样, 零序电压既是发电机中性点的位移电压, 也是定子绕组任一相和任一点的零序电压, 即:

当故障点在机端时, α=1.0, U0=Eph (相电动势) ;当故障点在中性点时, α=0, U0=0;当故障在绕组的任一点时, 零序电压U=αEph, U0与α为线性关系。

2.2 经过渡电阻接地

当发电机机端A相经过渡电阻发生单相接地故障时, 设发电机各相对地电容均为Cg, 则有:

当rf在0~∞变化时, U0=-EA~0, 图3表示rf变化时地电位d的轨迹为以AO为直径的圆弧, U0将沿此圆弧改变。

令U0/Eph=K0, 0≤K0≤1.0, 则发电机三相对地电压分别为:

(1) 随rf改变而K0在0~1.0变化时, 故障相对地电压UAd在0~Eph之间变化, 其值不可能高于额定相电压。

(2) 在0

(3) 在0.756

(4) 对于A相经rf发生的机端接地故障, 不管K0值多大, 恒有UCd>UBd。

3 发电机定子接地故障分析

3.1 发电机定子接地故障一

现场检查机组故障录波装置, 发现A、B、C相电压分别为78.4、42.9、59.8V, 机端零序电压为26.9V。故障时机端电压波形如图4所示, 故障相B相电压降低, 非故障相A相电压升高, 非故障相C相电压基本不变。由于发电机中性点接地电阻Rn不大于发电机三相对地容抗, 因此故障相B相的机端对地电压最低, 超前相A相电压最高, 滞后相C相电压介于A、B相之间。由此可知, 该故障属于典型的B相经过渡电阻接地故障类型。

定子接地保护动作跳开发电机出口断路器GCB后, 主变低压侧电压波形如图5、图6所示。当GCB跳开后, 机端三相电压恢复平衡, 机端无零序电压, 而主变低压侧接地故障电气量特征持续 (即故障相B相电压最低, A相最高, C相保持不变) , 说明GCB跳开后, 故障点被隔离, 机端电压恢复正常, 可以排除机端发生接地故障的可能性, 因此故障点位置可能在GCB至主变低压侧之间。

由图5、图6可知, GCB跳开后的1.7s内是主变低压侧接地故障波形;而1.7s后三相电压发生变化, 开始周期性轮流上升, 符合分频谐振的特点, 此时接地故障消失, 发生了分频谐振。

现场检查发现主变低压侧TV柜B相上方第一组支柱绝缘子中的一支绝缘子已碎裂成多块, 端部有熏黑现象, 弹力块表面出现碳化现象。

3.2 发电机定子接地故障二

现场检查机组故障录波装置, 发现A、B、C相电压分别为3.58、98.49、101.37V, 机端零序电压为97.38V。故障时机端电压波形如图7所示, 故障相A相电压降低, 非故障相B、C相电压升高, 属于典型的A相接地故障特征。

在GCB跳开后, 机端三相电压仍然保持接地故障特征 (即故障相A电压降低, 非故障相B、C相电压升高) , 说明故障点在发电机至GCB之间。GCB跳开后主变低压侧电压波形如图8所示, 由于主变低压侧接地故障消失, 因此主变低压侧直接进入分频谐振区域。分频谐振持续32s左右, 最后导致C相TV一次保险烧毁, TV励磁电抗增大, 从而破坏了谐振条件, 电容和电抗的比值偏离分频谐振区域, 才导致谐振的消失。

现场检查发现TV尾端星形接地电缆与20kV高压母排接触, 接触部位电缆外绝缘被击穿损伤。

4 铁磁谐振与接地故障的区别

在中性点不接地系统中, 铁磁谐振与单相接地故障的现象有相同之处, 这常使运行人员将铁磁谐振误以为是系统单相接地, 延误了故障点查找时间, 导致设备损坏和系统运行不稳定。此外, TV损坏也会引起继电保护误动和仪表误指示等, 因此有必要对铁磁谐振与单相接地故障现象进行分析比较, 见表1。

5 建议

(1) 根据理论分析和现场检查结果可知, 两次故障中发电机定子接地保护均正确动作。

(2) 分析定子接地保护动作前后机端和主变低压侧的波形, 有助于判断故障点是在GCB内侧还是外侧, 从而有利于快速消除故障, 使机组恢复运行。

(3) 定子接地故障发生后, 应注意单相接地故障与铁磁谐振的区别, 以判断故障类别, 从而为排查故障点提供依据。

(4) 建议安装消谐装置, 以防止谐振的发生或降低其幅值, 缩短其存在的时间, 防止事故进一步扩大。

参考文献

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