大型水輪發(fā)電機(jī)消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護(hù)新方案

姜小龍，施利民

（杭州杭發(fā)發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311251）

定子繞組單相接地故障是大型發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣破壞比較常見的故障之一，往往對(duì)發(fā)電機(jī)的危害表現(xiàn)為匝間短路或相間短路，因此發(fā)電機(jī)保護(hù)需要配置不同原理的定子接地保護(hù)，定子繞組單相接地保護(hù)的靈敏動(dòng)作和可靠性能夠極大程度上降低發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障的概率[1]。現(xiàn)有的定子接地保護(hù)主要有雙頻注入式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)和注入式定子接地保護(hù)，注入式定子接地保護(hù)主要以實(shí)際的過渡電阻大小作為判別根據(jù)，保護(hù)效果不受發(fā)電機(jī)工作情況的影響，所以，基于大型發(fā)電機(jī)對(duì)定子接地保護(hù)提出的高性能要求，更加傾向于在靜止無勵(lì)磁狀態(tài)下由定子接地保護(hù)。裝設(shè)注入式定子接地保護(hù)成為必然趨勢(shì)。注入式定子接地保護(hù)成為大型發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)的標(biāo)配。實(shí)質(zhì)上，大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式直接決定了注入式定子接地保護(hù)的成功與否[2]。大型發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的原動(dòng)力，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中必須具備應(yīng)對(duì)突發(fā)障礙的能力，因此發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的選擇與此產(chǎn)生密切的關(guān)聯(lián)。一般來講，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地方式包括：中性點(diǎn)直接接地、中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗接地、中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗接地等。裝設(shè)注入式定子接地保護(hù)在高電阻接地大型發(fā)電機(jī)上已經(jīng)得到大規(guī)模應(yīng)用，作為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地中常用的接地方式，一旦回路發(fā)生單相接地的同時(shí)，能夠限制弧光接地過電壓，減輕對(duì)發(fā)電機(jī)鐵芯的灼傷，減少對(duì)發(fā)電機(jī)及發(fā)電機(jī)回路的機(jī)械壓力，避免發(fā)電機(jī)遭受破壞。文章提出在消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護(hù)新方案，在充分驗(yàn)證方案可行性的基礎(chǔ)上與常規(guī)方案進(jìn)行對(duì)比[3]。

1 大型水輪發(fā)電機(jī)消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護(hù)常規(guī)方案

在常規(guī)方案中，從消弧線圈儀表線圈注入20 Hz信號(hào)，因?yàn)橄【€圈阻抗較低，所以在注入信號(hào)的過程中需要增加一個(gè)電流互感器，將其變換為適合保護(hù)裝置測(cè)量的大小。20 Hz注入式定子接地保護(hù)采用導(dǎo)納法計(jì)算定子繞組對(duì)地導(dǎo)納，在此過程中，可以補(bǔ)償接地裝置參數(shù)對(duì)定子繞組對(duì)地導(dǎo)納造成的影響。基于上述條件下，因?yàn)橄【€圈和儀表線圈等同于單相變壓器一、二次繞組，所以可以采用T型等值電路。

在常規(guī)方案應(yīng)用過程中，表現(xiàn)出下列局限性：首先，T型等值電路相對(duì)復(fù)雜，在進(jìn)行接地故障過渡電阻計(jì)算的過程中涉及多個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)。其次，因?yàn)橄【€圈阻抗較低，所以消弧線圈儀表線圈和普通變壓器明顯不同，磁芯帶有分段氣隙，能夠避免在交流大信號(hào)或直流偏置下的磁飽和，更好地控制電感量，然而在分段氣隙降低磁導(dǎo)率的前提下，線圈的圈數(shù)較多，直接增加銅損。這種情況必然造成兩種后果，一方面，在定子繞組對(duì)地電阻產(chǎn)生變化時(shí)，難以進(jìn)行過渡電阻的準(zhǔn)確計(jì)算；另一方面，難以獲得消弧線圈準(zhǔn)確的T型等值電路參數(shù)，對(duì)過渡電阻準(zhǔn)確度的準(zhǔn)確獲得產(chǎn)生明顯限制[4]。

2 大型水輪發(fā)電機(jī)消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護(hù)新方案

大型發(fā)電機(jī)在采用消弧線圈接地時(shí)，在接地端串接的電阻器能顯著起到限制中性點(diǎn)位移電壓、避免保護(hù)誤動(dòng)的作用。

如圖1所示，針對(duì)消弧線圈接地方式下，在接地端串接電阻器的發(fā)電機(jī)，采用本文提出從接地端串接電阻器兩端注入20 Hz信號(hào)的接地保護(hù)新方案。由于電阻器端口的阻抗較大，同時(shí)注入的電壓也相對(duì)較大，所以被測(cè)電壓需要經(jīng)過分壓器，再被送入保護(hù)裝置。在此過程中，未增設(shè)電流互感器主要是為了在節(jié)省設(shè)備的同時(shí)簡(jiǎn)化保護(hù)計(jì)算，在新方案的注入方式下，消弧線圈可以直接等效為阻感串聯(lián)支路。和常規(guī)保護(hù)方案不同，在新保護(hù)方案中，并不需要區(qū)分消弧線圈在變壓器空載中的等效阻抗和漏抗，計(jì)算過渡電阻的步驟相對(duì)簡(jiǎn)化。在新方案中，由于消弧線圈在接地端串接的電阻器一端直接接地，所以其限值相對(duì)于消弧線圈自身的感抗來講而言較小，一旦發(fā)電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重接地故障并不會(huì)在注入信號(hào)的端口產(chǎn)生較大電壓[5]。

圖1 發(fā)電機(jī)消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護(hù)新方案

3 動(dòng)模試驗(yàn)

3.1 動(dòng)模試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以某水電站3號(hào)機(jī)為例，額定電壓為18 kV，消弧線圈工頻電抗XL·50=1 086Ω，等效電阻RL=5.05Ω，串接電阻Rn=30Ω。計(jì)算發(fā)電機(jī)金屬性接地故障過程中，20 Hz輔助電源裝置工頻電壓在278 V左右，該電源裝置對(duì)工頻電壓耐受為550 V，1 min，整體風(fēng)險(xiǎn)處于可控制狀態(tài)。

對(duì)水電站6臺(tái)發(fā)電機(jī)采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式設(shè)計(jì)動(dòng)模試驗(yàn)過程，以此檢驗(yàn)常規(guī)方案和新保護(hù)方案的效果，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)對(duì)比，6臺(tái)發(fā)電機(jī)額定容量為245 MVA，額定電壓為18 kV，裝設(shè)在1至4號(hào)發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)消弧線圈參數(shù)與運(yùn)行擋位與發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地回路每相總電容一致，為1.409μF，其中以3號(hào)發(fā)電機(jī)為例，消弧線圈的額定電壓為10 392 V，定子繞組對(duì)地回路每相總電容為1.409μF，該消弧線圈鐵芯繞儀表線圈，在接地端串聯(lián)30Ω電阻器。動(dòng)模發(fā)電機(jī)額定容量30 kV·A，額定電壓為400 V、額定電流43.3 A，定子繞組每相對(duì)地電容0.038 1μF，轉(zhuǎn)速可達(dá)1 000 r·min-1，頻率50 Hz。

為了促使定子繞組對(duì)地回路的總電容、中性點(diǎn)消弧線圈阻抗與動(dòng)模發(fā)電機(jī)近似，消弧線圈按電壓設(shè)計(jì)為18 kV，試驗(yàn)設(shè)備包含動(dòng)模發(fā)電機(jī)、消弧線圈、保護(hù)裝置和電源裝置，主要參數(shù)為額定容量104 kV·A、系統(tǒng)電壓18 kV、額定電壓10 392 V、額定電流10 A、與儀表線圈的匝數(shù)比為100、電流互感器變比為25 A/5 A。消弧線圈除了有儀表線圈外，自帶電流互感器，在進(jìn)行試驗(yàn)的過程中接地端串聯(lián)26Ω的電阻器，與30Ω的限制相差不大。

試驗(yàn)接線步驟如下。

針對(duì)保護(hù)裝置測(cè)量的20 Hz電壓、電流做相角校正，保證相角測(cè)量正確；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備接線，將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)對(duì)地短接，將電阻二次值R和電抗二次值X進(jìn)行讀數(shù)，將R+jX作為補(bǔ)償定值代入保護(hù)裝置；退出補(bǔ)償試驗(yàn)后，保護(hù)裝置復(fù)位到導(dǎo)納計(jì)算狀態(tài)，在中性點(diǎn)設(shè)置2 000Ω接地電阻，讀出電阻二次值R，極端出電阻折算系數(shù)后填入保護(hù)裝置定值單；當(dāng)發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，試驗(yàn)多個(gè)過渡電阻值的定子接地故障，記錄電壓、電流和過渡電阻值；啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，在空載運(yùn)行條件下試驗(yàn)過渡電阻值定子接地故障。常規(guī)方案試驗(yàn)步驟與新方案試驗(yàn)步驟大致相同[6]。

3.2 常規(guī)方案的試驗(yàn)結(jié)果

在發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，試驗(yàn)結(jié)果、誤差最大已經(jīng)超過50%，詳見表1。

表1 常規(guī)方案應(yīng)用時(shí)靜止?fàn)顟B(tài)下定子接地故障試驗(yàn)結(jié)果

在空載運(yùn)行狀態(tài)下，接地故障分別發(fā)生在定子繞組距中性點(diǎn)10%、20%、90%處以及發(fā)電機(jī)機(jī)端。故障發(fā)生過程中，保護(hù)計(jì)算的過渡電阻值相差幅度較大，結(jié)果處于持續(xù)波動(dòng)的不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 新方案的試驗(yàn)結(jié)果

靜止?fàn)顟B(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果，見表2。

表2 新方案應(yīng)用時(shí)發(fā)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下機(jī)端發(fā)生定子接地故障試驗(yàn)結(jié)果

和常規(guī)方案相比，應(yīng)用大型水輪發(fā)電機(jī)消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護(hù)新方案時(shí)，保護(hù)能測(cè)出接地故障最大過渡電阻由5.6 kΩ提升到20 kΩ，測(cè)量誤差在±6%以內(nèi)，保護(hù)計(jì)算結(jié)果相對(duì)更準(zhǔn)確。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)下，20 Hz電壓有效值與20 Hz電流有效值，隨著過渡電阻變化而產(chǎn)生變化的程度，在兩種方案中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均較小。

從新方案看，相角所產(chǎn)生的差變化，比常規(guī)方案中相角所產(chǎn)生的差變化大，尤其在過渡電阻較大時(shí)，常規(guī)方案中相角所產(chǎn)生的差幾乎并未變化，充分驗(yàn)證在上文提及的常規(guī)方案存在的局限性。一旦被測(cè)信號(hào)中故障特征的量變明顯，保護(hù)裝置采集到的信號(hào)能充分體現(xiàn)出故障、無故障間的區(qū)別，進(jìn)而準(zhǔn)確推導(dǎo)出過渡電阻，這是常規(guī)方案中測(cè)量過渡電阻范圍較小的根本原因。

在常規(guī)方案中，計(jì)算過渡電阻存在一定程度波動(dòng)性，但對(duì)新方案來講，這種波動(dòng)性的產(chǎn)生概率較小，這種現(xiàn)象是由常規(guī)方案的局限性造成的，20 Hz信號(hào)特征伴隨過渡電阻的變化而變化并不明顯，容易造成過渡電阻計(jì)算結(jié)果被信號(hào)擾動(dòng)的概率逐漸增加。

發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，模擬定子繞組不同位置的接地故障，注入式定子接地保護(hù)測(cè)量的電阻數(shù)值并不會(huì)被模擬的故障位置所影響，也可以認(rèn)定不同接地位置的計(jì)算數(shù)值并不一定反饋出的是波動(dòng)的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)過渡電阻測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算，通過常規(guī)方案得出的結(jié)果是：（7.831-4.396）/5.6×100%=61.3%，通過新方案得出的結(jié)果是：（18.97-16.38）/20×100%=12.9%。從兩個(gè)過渡電阻測(cè)量值的計(jì)算結(jié)果看，表明發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，常規(guī)方案結(jié)果波動(dòng)明顯大于新方案結(jié)果波動(dòng)[7]。

4 結(jié)束語

文章提出了大型水輪發(fā)電機(jī)消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護(hù)新方案，用來提升保護(hù)效果并克服大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地電容增大產(chǎn)生的困難，主要方式是在消弧線圈接地方式的大型發(fā)電機(jī)上從消弧線圈串接電阻兩端注入信號(hào)，這種定子接地保護(hù)新方案匹配新的接線方法。在動(dòng)模試驗(yàn)部分通過進(jìn)行常規(guī)方案和新方案效果的對(duì)比，得出對(duì)比結(jié)果，從對(duì)比結(jié)果中可以了解到，新方案在常規(guī)方案的基礎(chǔ)上，接地故障最大過渡電阻由5.6 kΩ提升到20 kΩ，測(cè)量誤差在±6%以內(nèi)，波動(dòng)并不劇烈，波動(dòng)不大，整體效果明顯提升。該方案可以在大型水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)改造時(shí)進(jìn)行推廣應(yīng)用，并且可以在采用消弧線圈接地方式的大型發(fā)電機(jī)上進(jìn)行投放使用。