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選擇性發(fā)電機定子單相接地保護方案研究

  【摘 要】本文分析了發(fā)電機發(fā)生單相接地故障前后機端側及中性點(diǎn)側相電流變化量,提出一種基于故障電阻測量的選擇性定子單相接地保護,通過(guò)計算各機組故障后的計算電阻,來(lái)判斷單相接地點(diǎn)是否在本發(fā)電機定子繞組內部,實(shí)現100%定子單相接地保護。 
  【關(guān)鍵詞】發(fā)電機;定子接地保護;選擇性;電阻測量 
  0 前言 
  定子繞組對地(鐵心)絕緣的損壞將引發(fā)單相接地故障,這是定子繞組最常見(jiàn)的電氣故障。由于發(fā)電機中性點(diǎn)是不接地的或經(jīng)高阻抗接地的,所以定子單相接地故障并不引起大的故障電流,相應的定子接地保護通常只發(fā)信號,經(jīng)轉移負荷后平穩停機。目前很多研究應用在多臺發(fā)電機機組并聯(lián)運行故障時(shí)的故障機組的判斷上時(shí)存在一定的不足,無(wú)法正確判斷出故障機組。逐臺機組去排除,不僅會(huì )延長(cháng)故障時(shí)間,還會(huì )導致很大經(jīng)濟損失。本文對現有的各種保護方法進(jìn)行分析,分析并聯(lián)運行的發(fā)電機定子繞組單相接地故障引起的機端及中性點(diǎn)相電流變化特點(diǎn),進(jìn)行發(fā)電機定子單相接地保護方案設計,使用Matlab來(lái)實(shí)現接地保護算法,進(jìn)行仿真分析。 
  1 基于故障電阻測量的選擇性定子單相接地保護 
  1.1 定子繞組單相接地故障前正常運行時(shí)相電流的分析 
  1.2 定子繞組單相接地故障時(shí)相電流的分析 
  故障發(fā)電機故障相相電流變化量大于非故障發(fā)電機相電流變化量和故障發(fā)電機的非故障相相電流變化量。對于發(fā)電機定子單相接地故障,相電流變化量會(huì )隨發(fā)電機定子接地點(diǎn)位置不同而改變,且當發(fā)電機定子在靠近中性點(diǎn)附近發(fā)生單相接地時(shí)(即α趨于0時(shí)),相電流變化量基波分量數值很?。ㄚ呌?)。通過(guò)分析發(fā)現,當發(fā)電機發(fā)生定子單相接地故障時(shí),故障相相電流變化量大,而非故障發(fā)電機各相和非故障相相電流變化量較小,因此可以利用此區分故障發(fā)電機。 
  1.3 基于故障電阻測量的接地保護原理 
  1.3.1 保護啟動(dòng) 
  通過(guò)在線(xiàn)監測并連續計算并列運行的發(fā)電機中性點(diǎn)側和機端側的零序電壓有效值。當大于電壓整定值U0set時(shí),判定系統發(fā)生接地故障,啟動(dòng)保護判斷。啟動(dòng)判據為: 
  由于發(fā)電機發(fā)生定子單相接地故障時(shí)(設故障相為A相),故障點(diǎn)的零序電壓為: 
  因此在中性點(diǎn)附近發(fā)生定子單相接地時(shí),α趨于0,零序電壓也趨于0,此時(shí)保護不會(huì )啟動(dòng),存在死區,由于設計時(shí)間有限,僅對零序電壓保護啟動(dòng)判據進(jìn)行分析和研究,故不能實(shí)現定子100%接地保護。 
  1.3.2 保護判據 
  對地計算電阻進(jìn)行接地故障檢測,采用發(fā)電機的對地計算電阻值與整定值比較,如果發(fā)電機對地計算電阻小于該發(fā)電機的整定值(Rf  所以保護判據為: 
  發(fā)電機計算電阻整定值按需要保護的最大高阻接地故障電阻值乘以一大于1的靈敏系數確定。當發(fā)電機發(fā)生定子單相接地故障時(shí),故障發(fā)電機故障相相電流變化量大,而非故障發(fā)電機各相和故障發(fā)電機非故障相相電流變化量較小,因此可以利用此區分故障發(fā)電機。通過(guò)發(fā)電機的對地計算電阻值與整定值比較進(jìn)行故障機組的判斷。 
  2 仿真波形及結果分析 
  采用EMTP仿真,以三臺發(fā)電機并列運行為例。各項參數取值如下:各發(fā)電機額定電壓均為13.8kV,各發(fā)電機每相對地電容分別為0.577μF、0.560μF、0.560μF,發(fā)電機外部系統每相總電容0.15μF。以發(fā)電機中性點(diǎn)不接地為例,根據故障點(diǎn)位置(按照從機端到中性點(diǎn)側的順序,即α的取值分別為1.00、0.50、0.00三種定子繞組單相接地位置)、故障電阻Rf(低阻5?贅和高阻1000?贅)等不同情況,分別進(jìn)行仿真測試。 
  2.1 仿真波形 
  圖2、6為發(fā)電機1定子單相接地故障(C相)前后零序電壓變化波形圖,從圖3到圖5和圖7到圖9為發(fā)電機1定子繞組C相發(fā)生單相接地時(shí),發(fā)電機1、2的計算電阻波形圖。由于此時(shí)對于發(fā)電機2和3屬于外部故障,為了簡(jiǎn)化分析的過(guò)程,只畫(huà)出發(fā)電機1和2的測量電阻波形圖。圖10和圖11為發(fā)電機外部系統發(fā)生接地故障時(shí)的波形圖。Rf1為發(fā)電機1的計算電阻,Rf2為發(fā)電機2的計算電阻。 
  2.1.1 定子繞組經(jīng)低阻接地時(shí)仿真波形圖 
  2.1.2 定子繞組經(jīng)高阻接地時(shí)仿真波形圖 
  2.1.3 發(fā)電機外部系統接地時(shí)仿真波形圖 
  2.2 仿真結果分析 
  3 結論 
  本文提出一種新的有選擇性的定子接地保護方案,即利用測量電阻法,比較各發(fā)電機的計算電阻而構成的定子單相接地保護原理。分析了三臺發(fā)電機供電系統在正常運行和定子接地故障時(shí)相電流變化量的基波分量的大小,并提出了保護的啟動(dòng)判據和保護判據。通過(guò)分析發(fā)現,故障發(fā)電機的計算電阻為一有限值(接近于接地電阻大小的值),而非故障發(fā)電機的計算電阻為一很大的值,可以區分故障發(fā)電機,實(shí)現有選擇性的定子單相接地保護,且易于工程實(shí)現。 
  當定子單相接地故障發(fā)生在中性點(diǎn)附近時(shí),零序電壓趨于零,保護不能啟動(dòng),保護存在死區;且低阻接地時(shí),由于故障相電壓值很小,是保護判據存在死區。發(fā)電機外部系統接地故障時(shí),對于三臺發(fā)電機來(lái)說(shuō)均屬于外部故障,故此時(shí)三臺發(fā)電機的計算電阻均為較大的值(相對于接地電阻來(lái)說(shuō)),故該保護具有較高的可靠性。 
  【參考文獻】 
  [1]畢大強.大型水輪發(fā)電機定子繞組單相接地故障及保護方案的研究[D].北京:清華大學(xué),2003:2-10. 
  [2]王維儉.發(fā)電機變壓器繼電保護應用[M].北京:中國電力出版社,1998:83-115. 
  [3]王媛媛.小電流接地系統接地保護方法研究[D].長(cháng)沙:長(cháng)沙理工大學(xué),2006. 
  [責任編輯:龐修平]



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