發電機定子接地保護基波零序電壓整定方法探析

馬迎東 陳娜紅

(國能神福(石獅)發電有限公司，福建 泉州 362000)

0 引言

隨著近年來我國發電機組容量的不斷增大，600MW及以上大型發電機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地電容增加且相對固定，相應的定子接地電流增大[2],當發電機端附近發生接地故障時，故障點的電容電流較大，會產生電弧，灼傷接地點的鐵芯，影響發電機的安全運行。同時，接地故障會引起接地弧光過電壓，可能導致發電機其他位置絕緣的破壞，形成危害嚴重的相間或匝間短路故障[3]。因此，有效保護發電機定子繞組及鐵芯的安全不僅需要完善的保護原理判據，還要有一個合理的保護動作值整定原則和方法，進而發揮定子接地保護的性能[1]。

本文結合年度電網下發定值通知單，依據《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》[4]，對某2×1050MW級超超臨界燃煤汽輪發電機組定子接地保護基波定值進行整定計算和校核。該發電廠一次系統接線方式見圖1，發電機采用機端自并勵系統，中性點采用經配電變電阻接地，主變高壓側直接接地，發電機-變壓器組以單元接線接入廠內500kV升壓站。廠用變低壓側各分支經18.19Ω中阻接地。發電機、變壓器保護分別采用GE公司生產的G60系列、T35系列保護。

圖1 一次系統接線示意圖

1 主變高壓及廠變分支側接地耦合電壓

1.1 耦合模型

由于系統耦合零序電壓可能引起基波零序過電壓保護誤動作。因此在定子接地保護基波電壓整定前，根據發電廠電氣試驗數據，對主變高壓側零序電壓耦合電路中各參數進行計算、確定。

圖2為主變高壓側發生單相接地故障時，系統側基波零序電壓E0會通過變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容CM傳遞到發電機側基波零序電壓Ug0。其中，系統側基波零序電壓E0需根據系統最大運行方式、最小運行方式、發電廠最大運行方式和最小運行方式計算確定，不同方式下計算所得最大者作為系統側單相接地時零序電壓E0。表1 為該發電機組相關參數，可通過出廠報告得到。其中發電機A/B/C相對地電容Cg從《導則》附錄C國產汽輪發電機定子對地電容獲得。如果發電廠有實際測量數據，可以根據實際數據分析計算。

圖2 主變高壓側零序電壓耦合到發電機側電路圖

表1 發電機及變壓器相關參數[5]

1.2 主變高壓側單相接地計算

以2021年調度基準容量值為Sj=100MVA下發邊界限額值，系統最大運行方式：X1pu=0.059，X0pu=0.092；系統最小運行方式：X1pu=0.098，X0pu=0.107。

表2為系統與發電廠不同運行方式下，接地系數K值，可以看出，當系統最大運行方式、發電廠最小運行(單機運行)方式時，K值最大，E0最大。

表2 系統、發電廠不同運行方式下單相接地系數K

(1)

其中，XΣ1、XΣ2、XΣ0分別為系統最大運行方式、發電廠最小運行(單機運行)方式下主變高壓側單相接地時正序阻抗、負序阻抗及零序阻抗，UB為系統平均額定電壓。

1.3 耦合電壓計算

1.3.1 主變高壓側接地

根據文獻[6]，主變低壓繞組3相對地電容C0及變壓器高低壓側耦合電容CM可以根據變壓器出廠試驗報告求得，數據見表3。

表3 主變壓器電容量測量試驗數據

由試驗方法可以列方程：

(2)

求得：C0=0.0096μFC2=3CM=0.01230μF

則CM=0.0041μF

因CgΣ為發電機及外接元件每相對地電容，根據表1各參數求得：

(3)

發電機中性點接地變壓器二次側電阻值折算到一次側為：Zn=3×0.125×(27/0.173)2=9.1341kΩ，如圖2可以求得變壓器高壓側單相接地故障傳遞到發電機側零序電壓Ug0。

(4)

1.3.2 廠變低壓側接地

計算可得，廠變低壓側接地故障耦合到機端電壓僅為4.28V，因此在定子接地保護校核過程中，可以忽略該計算。

2 定子安全允許電流位置計算

根據《導則》規定，出口電壓在18kV及以上發電機定子繞組單相接地故障電流允許值為1A。假設故障點距發電機中性點距離占發電機定子全長的比例為α，考慮設備定子繞組感抗值和器對地的容抗值相比十分小，計算時可以忽略設備定子繞組感抗產生的電壓降[7],則接地電流Id由接地點容性電流Ic和阻性電流IR兩部分構成，可計為:

(5)

根據公式(5)計算α變化時對應的接地電流，結果見表4。

表4 發電機不同接地點對應接地電流

由表4可知，當α>14.37%時，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《導則》中定子接地保護基波零序電壓低定值段整定原則，低定值段動作電壓應按躲過正常運行時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耦合到機端的最大零序電壓為2.14V，根據《導則》要求，動作時間t10=0.3s，出口方式：發信；

3.2 高定值段整定

根據《導則》規定，高定值段動作電壓應可靠躲過傳遞過電壓，結合前文有關定子安全允許電流位置計算結果，基波零序電壓在14.37V以下，發電機定子均在安全允許電流以下，因此高定值段按不超過發電機最大允許接地短路電流整定，整定為：U0.OP1=15V，t20=0.5s，動作行為：延時0.5s出口全停。

4 結論

本文根據《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》(DL/T684-2012)規定，結合發電廠及電網實際數據，提出了對發電機定子接地保護基波零序電壓整定全過程計算方法及思路，最終整定低定值5.4V延時0.3s發信，高定值15V延時0.5s全停的出口方式(注意：為保證機組安全運行，該定值應根據實際發電機定子每相對地電容試驗報告中獲取計算，以保證機組發電機定子在安全允許電流下運行)。

整定過程中，低定值整定過程嚴格按照《導則》規定整定，并保證了定子接地保護范圍，在機端距離中心點94.6%范圍內(剩余5.4%范圍由三次諧波保護實現，出口方式:發信)，具有足夠的靈敏度。高定值整定方法在保證發電機定子安全允許電流的前提下，盡可能降低機組安全電流以下接地故障造成機組全停風險。因此，合理整定對于提高發電機定子接地保護的可靠性非常必要。