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    发电机定子100%接地保护的整定和校核

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    发表于 2015-9-1 14:55:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
      发电机定子100%接地保护的整定和校核
      杜志勇
      (华润电力登封有限公司)
      摘要:本文介绍了汽轮发电机100%定子接地保护的要求、保护方式,100%定子接地保护原理和定值整定计算, 并结合我司一期定子接地保护定值,当主变高压侧发生接地故障时,传递到发电机机端的零序电压对定子接地保护的影响,校核定子接地保护整定的可行性。
      关键词:100%定子接地保护、中性点、零序电压、三次谐波电压
      1 概述
      发电机定子单相接地故障后非接地相对地电压的升高,将危及发电机绝缘,当原来绝缘较弱时,可能造成非接地相相继发生接地故障,从而造成相间接地短路,损害发电机;另外,流过接地点的电流具有电弧性质,可能烧伤定子铁芯。如果定子铁芯烧伤,修复很困难。发电机定子单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆,完善的定子接地保护对发电机的安全运行关系重大。保护定值计算不合理或未经校核,将会造成保护装置的误动作,甚至保护在发电机损坏之后动作,致使发电机严重损坏。
      《GB/T 14285-2006 继电保护和安全自动装置技术规程》4.2.4.3规定:对100MW以下发电机,应装设保护区不小于90%的定子接地保护,对100MW及以上的发电机,应装设保护区为100%的定子接地保护。保护带时限动作于信号,必要时也可以动作于停机。
      2 定子接地保护的要求
      当机端单相金属性接地电容电流IC小于允许值时,发电机中性点应不接地,单相接地保护带时限动作于信号;若IC大于允许值,宜以消弧线圈(欠补偿)接地,补偿后的残余电流(容性)小于允许值时,保护仍带时限动作于信号;但当消弧线圈退出运行或由于其他原因使残余电流大于允许值时,保护应切换为动作于停机。
      发电机中性点经配电变压器高阻接地时,接地故障电流大于1.414倍IC,一般情况下均大于允许值,所以单相接地保护应带时限动作于停机,其时限应与系统接地保护相配合。
      按规程规定,对直接连于母线的发电机定子绕组发生单相接地故障,当发电机电压网络的接地电容电流大于5A时(不考虑消弧线圈的补偿作用),应装设动作于跳闸的接地保护;如没装设专用的定子绕组接地保护;则可利用接于母线电压互感器上的绝缘监视装置发出信号;对于发电机-变压器组,当发电机电压回路三相对地电容电流大于5A时,应装设消弧线圈补偿,对地电容电流小于5A时,接地保护动作于信号(当有匝间短路保护时),即认为接地电容电流小于5A时,允许带接地点短时间运行, 待适当时机转移负荷后再停机。
      根据这一标准,即认为接地电容电流超过5A时,铁心将严重灼伤而不易修复,要求保护动作于跳闸;接地电容电流小于5A时,铁心灼伤比较轻微, 因此保护可进动作于信号,(实际运行中允许定子铁芯有一定程度的损坏,即熔化的迭片数、铁芯熔化体积及灼伤深度不超过规定值)。目前由于水内冷大型发电机的材料利用率高,所以采用复杂的冷却方式,不仅有辅向通风槽,还有轴向冷却通道等,从而使铁芯检修难度增大,停机检修造成的经济损失大。
      在1972年国际大电网会议论文中提出的看法:接地点允许电容电流值,可用被烧接和最后被融化的叠片数目作为依据,即在相同的试验条件下(用0.2A到0.4A的电容电流和0.3s到20min的持续时间试验),五次试验中如有一次发生两层铁芯迭片烧接在一起,则该实验电流值就被认为是不允许的。即接地允许电流的大小,以不要求检修定子铁芯为依据。理论分析和实验证明,接地故障点持续通过2A电流是允许的,取安全系数为1.3~2时,电容性接地电流的允许值推荐为1A~1.5A。在这样小的接地电流下,如定子绕组发生单相接地故障并尚未扩展为相间或匝间短路时,铁芯是不用检修的,因此定子接地保护动作后,只发信号而不要求紧急停机,以使系统少受大的扰动,进而保证安全供电。
      3 发电机定子接地的保护方式
      3.1 国内外大型发电机中性点接地方式的基本状况
      1988年国际大电网会议(GIGRE)第23专业委员会第6工作组(SC23-06)发表了一份重要报告。这份报告征询了17个国家(包括澳大利亚、加拿大、法国、美国等)、33家电力公司关于“发电机、发电机升压变压器中性点接地方式”的现状,其中统计了1975年以来投入运行的单组容量为50MVA~1640MVA的754台大中型发电机组。征询结果显示:
      (1)有53%选择了经配电变压器高阻接地,其中256台机组为单相配电变压器电阻接地,140台机组采用经Y,d接线的三相配电变压器电阻接地。
      (2)15家公司的154(约20%)台机组为直接经高阻接地。
      (3)两家公司的106台机组采用了经低电阻接地方式,占14%。值得注意的是,虽然是低阻接地方式,但定子绕组单相接地故障电流已指明限制到20A~30A,也就是说与高阻接地方式相近。
      (4)7家公司77台机组中性点没有接地,但是发电机组的三相出口处均接了副边为开口三角的Y,d接线的配电变压器,其原边中性点接地,副边开口三角形接电阻,并且接地。这实际是一种经过变化的中性点接地方式。
      (5)有3家公司的17台机组选择了经消弧线圈接地方式,所占比例非常小。
      (3)和(4)多用于中小型机组上,大型机组已不采用。另外,经消弧线圈接地方式的应用非常少。
      美国New England系统的发电机多年来一直采用经消弧线圈接地方式,积累了丰富经验。虽然经历过单相接地故障,但由于消弧线圈可以补偿系统电容电流,使得故障电流很小,因此没发生一次烧毁定子铁芯的事故。
      我国早期学习原苏联,大型水轮发电机中性点绝大多数是消弧线圈接地,并积累了丰富的运行经验,而美国、加拿大、法国等国则多采用经高阻接地方式。我国现有的50MW以上的水轮发电机,中性点经消弧线圈接地的运行经验已有50多年,但是,在这之后,我国又逐渐向美国等西方国家学习,国产大型机组以及引进国外的大型机组大多改为经配电变压器高阻接地。
      选择大型发电机组中性点接地方式应重视三条原则:
      (1)接地电流原则:定子绕组单相接地电流不应超过安全电流,确保定子铁芯安全。
      (2)过电压原则:定子绕组单相接地故障重燃弧暂态过电压数值要小,避免故障发展为相间或匝间短路而威胁发电机的安全运行。
      (3)定子单相接地保护原则:保护动作区覆盖整个定子绕组(100%保护),且应有足够的灵敏度。
      3.2 我国发电机定子绕组接地故障电流允许值
      发电机单相接地故障电流因中性点接地方式的不同而不同,保护方式也不同。表1给出了发电机定子绕组单相接地故障电流的允许值。我国发电机中性点接地方式分三种:
      (1)不接地(含经单相电压互感器接地)。
      (2)经消弧线圈(欠补偿—可防止系统接地故障时与耦合电容发生串联谐振,避免过电压)接地。
      (3)经配电变压器高阻接地。
      按照继电保护配置规程的规定, 大型发电机组单相接地故障电流达到1A时,定子一点接地保护应动作跳闸,同时要求实现100%定子接地保护, 而且要求在保护区内任一点接地保护应有足够高的灵敏度。
      3.3 两种接地方式的分歧
      支持经高阻接地方式的观点认为:
      (1)经高阻接地方式可有效降低重燃弧过电压,且配置简单。
      (2)经高阻接地方式下定子接地保护的灵敏度不会很低;
      (3)经高阻接地方式下定子接地故障电流可能很大,但可以通过接地保护动作于跳闸和灭磁,减轻定子铁芯的损伤。
      (4)经消弧线圈接地方式调谐要求高,配置难度大,存在谐振过电压的危险。
      支持经高阻接地方式的观点认为:
      (1)经消弧接地方式可有效减少接地故障电流。
      (2)只要合理配置,可以有效地限制重燃弧过电压。
      (3)其定子接地保护比经高阻接地方式下的接地保护有更高的灵敏度。

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