發(fā)電機出口斷路器對三次諧波定子接地保護的影響

李毅，兀鵬越，張鋼

(西安熱工研究院有限責任公司，西安市710032)

0 引言

統(tǒng)計表明，在發(fā)電機的各種故障中，定子接地故障約占30.9%［1］，為確保發(fā)電機的安全，發(fā)電機要裝設定子接地保護。規(guī)程規(guī)定，對容量為100 MW及以上的發(fā)電機，應裝設100%定子接地保護(即沒有死區(qū)的接地保護)。目前廣泛應用的100%定子接地保護采用“基波零序電壓+三次諧波電壓”原理，基波零序電壓保護發(fā)電機機端及由機端向中性點80%～90%的定子繞組接地故障，三次諧波電壓式保護主要保護發(fā)電機中性點及由中性點向機內20%～25%的定子繞組接地故障。然而，發(fā)電機三次諧波電壓受機組接線形式影響較大，每個機組的三次諧波大小都各不相同，需要根據實測數值來整定。

很多大型發(fā)電機組采用出口斷路器(gas circuit breaker，GCB)接線形式，這種斷路器在端口兩側都配置了電容器。與發(fā)電機出口沒有GCB的機組相比，這些電容器對三次諧波電壓影響很大，直接影響定子接地保護效果。本文結合2例工程實例分析了GCB對三次諧波定子接地保護的影響，提出了工程保護現場測量和保護參數設定的注意事項。

1 三次諧波定子接地原理

當在距發(fā)電機中性點α(α為中性點到故障點的匝數占每相分支總匝數的百分比)處發(fā)生定子繞組金屬性單相接地時，中性點N和機端S處的三次諧波電壓分別為

式中:E3為發(fā)電機三次諧波相電動勢。US3和UN3的關系曲線如圖1所示。用US3作為動作量，UN3作為制動量，構成發(fā)電機定子繞組單相接地保護，可以保護定子繞組中性點及其附近范圍內的定子接地故障。

圖1 三次諧波示意圖Fig.1 Third harmonic

2 GCB接線方式.

發(fā)電機出口GCB通過分相封閉母線與發(fā)電機、主變壓器、廠用高壓工作變壓器等設備相連。在發(fā)電機出口裝設GCB的接線方式，在大容量火電機組已經廣泛采用，其有以下優(yōu)點:(1)可以避免正常起停機時高壓廠用工作電源與起動電源之間的切換;(2)可以在不失去廠用電源的條件下實現機爐系統(tǒng)故障時停機;(3)可以防止主變壓器或高壓廠用工作變壓器內部故障的擴大。

由于發(fā)電機電抗較小，回路分布電容也較小，GCB在開斷時將面臨很高的高頻振蕩頻率及很高的暫態(tài)恢復電壓陡度。為了降低或改善恢復電壓陡度，降低高頻振蕩頻率，國外一些廠家生產的發(fā)電機GCB，在其兩側都配有吸收電容器，如圖2所示［4］。

圖2 GCB示意圖Fig.2 GCB

3 三次諧波保護應用中的問題

越南冒溪電廠2×220 MW火力發(fā)電項目的發(fā)電機選用上海電氣集團生產的QFSN-220－2型發(fā)電機。發(fā)電機出口GCB由阿海琺公司生產，其發(fā)電機側電容CD2=100 nF，主變側電容CD1=400 nF。發(fā)電機保護選用南瑞繼保生產的RCS-985G保護裝置。發(fā)電機中性點高阻接地。

在冒溪電廠的機組整套啟動中，發(fā)電機中性點和機端三次諧波在并網前后的電壓比值與無GCB的機組比較，明顯偏小。冒溪啟動記錄三次諧波參數如表1所示。

表1 冒溪電廠不同負荷下保護測量參數Tab.1 Protection parameters under different loads in Maoxi power plant

華能伊敏電廠5號發(fā)電機組，發(fā)電機保護選用南瑞繼保生產的RCS-985G保護裝置。發(fā)電機中性點高阻接地，單元發(fā)變組接線，無發(fā)電機出口GCB，不同負荷下三次諧波參數如表2所示。

表2 伊敏電廠不同負荷下保護測量參數Tab.2 Protection parameters under different loads Yiming power plant

由表1、2知，并網后機端三次諧波電壓、中性點三次諧波電壓隨著負荷的增大而增大，趨勢相同。冒溪電廠三次諧波機端電壓與中性點電壓的比值為0.13～0.16，伊敏電廠三次諧波機端電壓與中性點電壓的比值為1.15～1.21，因此，對于發(fā)電機出口裝設GCB的機組定子接地保護，三次諧波比率系數數值要遠小于沒有GCB機組的保護數值，這是現場實測三次諧波參數時需要特別注意的地方。

4 問題分析

發(fā)電機運行時，均會產生三次諧波電勢。在發(fā)電機定子繞組及對地分布電容構成的回路中，流過三次諧波電流在發(fā)電機端及中性點對地之間產生三次諧波電壓。如果機端由于安裝GCB而接入與發(fā)電機對地電容大小相近的電容，增大機端電容值，就會改變機端與中性點的三次諧波電壓，機端的三次諧波電壓明顯減小，三次諧波比值也就隨著減小。以下分別是無GCB機組的三次諧波比率計算和有GCB機組的三次諧波比率計算。

4.1 無GCB機組三次諧波比率計算

三相外接元件對地分布電容為Ct，發(fā)電機每相對地電容為Cg，中性點接地電阻為RN，機端對地阻抗為ZS3，中性點對地阻抗為ZN3，如圖3所示。

圖3 三次諧波示意圖Fig.3 Third harmoni

在發(fā)電機中性點經變壓器高阻接地，發(fā)電機三次諧波分布將有:

式中:ω為角頻率。由于三相外接元件對地分布電容Ct較小，故有:

計算值與伊敏電廠5號機組值相當，見表(2)中三次諧波比率數據。

4.2 GCB機組三次諧波比率計算

冒溪電廠裝設有出口斷路器，出口斷路器的每相對地電容 C=0.5 μF，發(fā)電機每相對地電容 Cg=0.174 μF，則 Ct=2.87Cg。重新計算得:

計算值與冒溪電廠機組值接近，見表(1)中三次諧波比率數據。

由以上分析計算可見，計算數據與實測結果基本一致，說明了分析的正確性。

5 保護定值整定的注意事項

根據上述數據及計算，可知發(fā)電機組安裝出口GCB后，由于GCB兩側的并聯(lián)電容，并網前三次諧波電壓比率與并網后三次諧波電壓比率相差較大，相差3～4倍，而且并網后隨負荷增大三次諧波電壓比率基本不變。發(fā)電機組無出口GCB，由于并網前后，機端等值電容變化不是很大，并網前三次諧波電壓比率(1.44)與并網后三次諧波電壓比率(1.15)相差不是很大。

南瑞繼保生產的RCS-985G保護裝置，三次諧波電壓比率定子接地保護采用絕對值比較，動作方程:

式中:k3wzd為三次諧波電壓比率整定值。動作方程可以轉化為

根據圖3所示E3等于機端三次諧波電壓實測值與機端三次諧波電壓實測值矢量和。

安裝發(fā)電機出口GCB的隱極式發(fā)電機組的三次諧波電壓比率定子接地保護，若機組并網前后各設一段定值，k3wzd整定為實測值的1.1倍，并網前k3wzd=0.55，并網后k3wzd=0.154，得出并網前、并網后保護范圍為64.5%、86.6%。并網前、后保護范圍過大，而三次諧波電壓式保護主要保護發(fā)電機中性點及由中性點向機內20% ～25%的定子繞組接地故障，并網后的保護范圍與基波定子接地保護配合重合范圍較多。并網前后使用一套三次諧波比值保護定值，根據并網后的實測值整定，k3wzd整定為并網后實測值1.1倍即k3wzd=0.154，并網前實測值0.50，保護誤動。并網前后使用一套三次諧波比值保護定值，根據并網前實測值整定，k3wzd整定為并網前實測值1.1倍即k3wzd=0.55，得出并網前、并網后保護范圍α均為64.5%。保護范圍與基波定子接地保護重合范圍也較多。

根據上述3種定值的設定方法，可采用并網前后使用一套k3wzd=0.55的保護定值。也可適當增大k3wzd值。

6 結語

根據上述數據及計算，可知發(fā)電機組安裝出口斷路器后，由于斷路器兩側的并聯(lián)電容與發(fā)電機對地相電容值相近，并網前三次諧波電壓比率與并網后三次諧波電壓比率相差較大，應采用絕對值比較的保護方法，不能用常規(guī)的定值整定方法，整定后要復核保護范圍。

發(fā)電機定子接地注入式保護，保護范圍100%定子繞組，無死區(qū)，定子繞組各處保護靈敏度相同，不受接地位置影響。建議安裝發(fā)電機出口斷路器的隱極式發(fā)電機組，采用發(fā)電機定子接地注入式保護。

［1］國家電網公司國家電力調度通信中心.2003年全國電網繼電保護與安全自動裝置運行情況統(tǒng)計分析［R］.北京:中國電力科學研究院，2004.

［2］賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理［M］.3版.北京:中國電力出版社，1994:194 －201.

［3］盧琪.提高三次諧波電壓式定子接地保護動作可靠性的措施［J］.電力自動化設備，2008，28(1):119-121.

［4］國家電力調度通信中心.電力系統(tǒng)繼電保護實用技術問答［M］.2版.北京:中國電力出版社，1999:293-295.

［5］郭愛軍.三次諧波定子接地保護動作特性及整定計算分析［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2003，27(5):32-36.

［6］張希泰，弋東方.發(fā)電機斷路器的應用和技術條件［J］.河北電力技術，2002，21(5):17-20.

［7］王維儉，王祥行，王贊基.大型發(fā)電機變壓器內部故障分析與繼電保護［M］.1版.北京:中國電力出版社，2006:138-141.

［8］焦斌，周平.大型發(fā)電機三次諧波定子接地保護的探討［J］.電力建設，2012，31(2):101-105.