大型發電機中性點不同接地方式單相接地故障特征研究

2015-01-22 01:15:58陳熙平馬金濤金文俊蔡顯崗

大電機技術 2015年2期

陳熙平，季杰，馬金濤，金文俊，曹鋼，蔡顯崗

（雅礱江流域水電開發有限公司錦屏水力發電廠，四川西昌 615000）

0 引言

隨著電力系統的發展，電力系統容量越來越大，同樣發電機組的單機容量也越來越大，而大容量的電機電容電流不斷增大。在發生定子接地故障時，故障點的接地電流受發電機電容電流、中性點的運行方式、接地電阻和故障位置的影響。

目前我國大型發電機中性點主要有不接地方式、經高阻接地（經配電變壓器接地）方式和經消弧線圈接地三種接地方式[1]。在發電機發生單相接地故障時，不同的接地方式，將有不同的接地故障電流和動態過電壓。對于繼電保護而言，當機端單相金屬性接地電容電流IC小于允許值時，發電機中性點可不接地，單相接地保護可帶時限動作于信號；當IC大于允許值時，宜以消弧線圈接地，補償后的參與電流（容性）小于運行值時，保護可帶時限動作于信號；當消弧線圈退出運行或由于其他原因使參與電流大于允許值時，保護應帶時限動作于停機。發電機中性點經配電變壓器高阻接地時，當故障電流大于允許值時，保護應帶時限動作于停機；當故障電流小于允許值時，保護可帶時限動作于信號。

本文針對發電機三種接地方式下的單相接地故障進行研究，通過對比分析出單相接地故障特征，為定子接地故障分析提供參考依據。

1 計算參數

某水電站最大水頭321m，額定水頭288m，共安裝8臺混流式水輪發電機組。發電機與主變壓器通過斷路器相連接，形成單元接線。本文以該電站水輪發電機組為例進行分析，具體參數見表1。

2 單相接地故障時電氣量分析

2.1 發電機中性點不接地方式

當發電機故障相（本文以A相為例進行計算）在距中性點α（α為故障點到中性點的匝數與單相單分支繞組總匝數的比值）處經過渡電阻Rf接地時，如圖1所示[2]，發電機三相繞組電動勢分別為單相對地總電容為Cg，求解零序電壓故障點故障電流和機端三相對地電壓

表1 發電機設備參數

圖1 中性點不接地發電機單相接地故障

根據基爾霍夫定律可以得出：

可得：

式中：ω為機組運行角速度。

故障點的故障電流：

因此，可計算接地故障時機端三相電壓如下：

由式（2）可知當Rf=0～∞變化時，=-～0。若在發電機機端發生單相接地故障時（α=1），有最大的零序電壓和零序電流。

2.2 發電機中性點經高阻接地方式

對于電容值較大的發電機組，當發電機組中性點不接地時，在形成故障時的接地電容電流過大，容易破壞繞組對定子鐵心的絕緣，而形成常見的單相接地故障。若不及時發現，再出現另一接地點，就會造成匝間或相間短路，使發電機受到更嚴重的破壞。因大型發電機定子的電容電流往往數倍超過安全接地電流值，故應采用消弧線圈方式進行補償。

2.2.1 接地電阻的選取

當電網中性點以不接地方式運行，發生單相接地故障時，即使對地電容電流不大，由于對地電弧的燃燒和熄滅的重復過程，使健全相的電位可能升高并破壞其絕緣水平，甚至發生相間短路故障。在中性點通過高電阻接地，則可在熄弧后釋放其能量，降低中性點電位，故障相的電壓恢復速度也變慢，減少了電弧重燃的可能性[3]。即接入發電機中性點高電阻的大小，將影響發電機單相接地時健全相暫時過電壓值。

為限制動態過電壓不超過2.6倍的額定電壓[4]，接地電阻（一次值）取值為：RN≤ 1 /3ωCg。結合表1的相關數據，可得：

2.2.2 故障分析計算

與發電機不接地系統相同，此處只分析發電機機端單相接地故障，經不同過渡電阻值Rf接地時電氣量變化。

圖2 經高阻接地發電機單相接地故障

根據基爾霍夫定律可以得出：

可得：

故障點的故障電流：

該接地方式下接地故障時機端三相電壓計算公式同公式（4）～（6）。

2.3 發電機中性點經消弧線圈接地方式

中性點經消弧線圈接地，當發生定子繞組單相接地故障時，電感電流可以補償接地故障的電容電流。在發電機內部發生短路時，降低了定子鐵心損害[5]。使發電機能夠在故障情況下運行一段時間，減少了對系統的沖擊。

經消弧線圈接地又分別分為欠補償、過補償和諧振接地，本文以諧振接地方式進行分析。

2.3.1 接地電阻的選取

中性點諧振接地的發電機機端發生單相金屬性接地故障時等效零序電路如圖3所示。圖中RL和RC0分別為消弧線圈和發電機定子絕緣介質損耗等效電阻。

圖3 單相接地等值電路

機端單相金屬性接地故障時等效零序阻抗Z0為：

為避免理論上的諧振狀態，應使消弧線圈有一定大小的電阻RL，同時假設 3RL=RC0，考慮到RL，RC0＜＜xL，則有

實際上為防止主變高壓側發生接地故障時的零序電壓UH0通過耦合電容傳遞到發電機側而引起過電壓，Z0不能太大，即RL不能太小。由圖4可知高壓側接地故障時發電機機端電壓：

由此可得：

圖4 主變高壓側零序電壓傳遞到機端的過電壓

與該發電機相連的主變壓器的設備參數見表2。

表2 變壓器參數

根據表1的數據，發電機允許的相對地最高電壓為20kV，則有：

即UG≤ 8 .45(kV)。

將表2及UG的數值代入式（12）中得：

Z0=52128.5?

將Z0代入到式（11），可計算出：

RL=6.86?

通過計算，只要消弧線圈參數為6.86+j488.53?就可保證當主變高壓側發生單相接地故障時對發電機的傳遞過電壓不超過允許值20kV。

2.3.2 故障分析計算

發電機中性點經消弧線圈接地機端單相接地故障示意圖與經高阻接地單相故障示意圖 2類似，此處使用圖3單相接地等值電路圖模型，機端經過渡電阻接地如圖5所示。

故障點的故障電流：

零序電壓：

該接地方式下接地故障時機端三相電壓計算公式與公式（4）～（6）相同。

圖5 經過渡電阻單相接地等值電路

3 MATLAB仿真分析

3.1 故障電壓分析

結合表1的發電機參數，根據公式（2）、（4）、（5）、（6），利用MATLAB軟件針對發電機出口處經不同過渡電阻接地故障情況進行仿真，三種不同接地方式下Rf變化時的變化軌跡和UAd、UBd、UCd、U0的曲線變化圖。

圖6 不接地方式Rf變化時的變化軌跡

圖7 經高阻接地方式Rf變化時的變化軌跡

由圖6和圖7可以清楚地看到，發電機中性點不接地的方式下，當Rf=0～∞變化時，地電位點的軌跡是以故障相（本文是A相）模值為直徑的半圓弧，將沿此半圓弧而改變；中性點經高阻接地時，地電位點的軌跡是以故障相模值為弦長的一段圓弧，沿此圓弧而改變。

中性點諧振接地時，由式（11）可知，Z0是阻性的，且諧振接地方式下的Z0遠大于高阻接地方式下零序并聯阻抗故該接地方式下U0變化軌跡是一段直線，如圖8所示，U0軌跡與故障相相重合。

圖8 諧振接地方式Rf變化時的變化軌跡

由圖9～11可知：

（1）不接地方式下機端接地故障時故障相（本文為A相）的超前相（本文為UCd）最大故障電壓超過線電壓，達到 1.823倍的相電壓值，滯后相最大故障電壓為線電壓；超前相有最小故障電壓，為 0.823倍的相電壓值；故障相與其滯后相在接地電阻為 850?處相交，即故障電壓相等，若接地電阻大于該值，則故障相電壓值介于非故障相之間。

（2）經高阻接地方式機端接地故障時故障相電壓恒小于非故障相電壓；且滯后相故障電壓在接地電阻值大于2000?時幾乎維持在額定電壓附近。

（3）諧振接地方式機端接地故障時，非故障相電壓相等。

（4）不接地和經高阻接地方式下當機端發生單相接地故障時，超前相故障電壓總大于滯后相的故障電壓；故障相電壓總是小于額定相電壓。

此外在距中性點α位置發生單相接地故障時，故障電壓變化趨勢與機端接地趨勢相似。如圖9所示，高阻接地方式在距機端 50%處單相接地時，與機端接地故障相比，50%處單相接地時非故障相電壓最大值為1.323倍的相電壓，零序電壓值減半。