一起大型發電機定子接地基波零序電壓整定

摘 要：在大型發電機的定子接地保護整定中，在確保接地故障電流小于安全允許接地電流的前提下，整定值應按躲過正常運行時中性點單相電壓互感器或機端三相電壓互感器開口三角繞組的最大不平衡基波零序電壓和主變高壓側接地故障時，經主變高、低壓繞組間的耦合電容傳遞到發電機側的傳遞零序電壓來計算整定。本文在此指導思想下對首陽山600MW發電機變壓器組中的定子接地基波零序電壓進行整定計算，計算過程供各位同仁在后續整定時參考。

關鍵詞：定子接地保護；基波零序；允許接地電流；耦合電容；傳遞電壓

中圖分類號：TM307 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0145-03

Example of A Large Generator Stator Ground to

Ground Zero Sequence Voltage Setting

WANG Shaohui

（XuJi Electric Limited Corporation，Xuchang Henan 461000）

Abstract： In the large-scale generator stator ground protection setting， should ensure that the ground fault current is less than the safety allowable ground current under the premise of the set value should be avoided by the normal operation of the neutral point single-phase voltage transformer or machine-side three-phase voltage transformer opening triangular winding maximum unbalanced fundamental zero-sequence voltage and the main transformer high voltage side of the ground fault， the main transformer between the high and low voltage winding to the generator side of the transmission zero sequence voltage to calculate the setting. This paper under the guiding ideology of Yangshan 600MW generator Transformer group in the stator ground wave zero sequence voltage to set the calculation， the calculation process for colleagues in the follow-up when the reference.

Keywords： stator ground protection；base wave zero sequence；allowable ground current；coupling capacitor；transfer voltage

1 發電機定子接地保護

發電機定子接地保護由基波零序電壓和三次諧波電壓構成，作為發電機定子回路單相接地故障保護，當發電機定子繞組任意一點發生單相接地時，該保護按要求的時限動作于跳閘或信號。基波零序電壓原理保護發電機85%～95%的定子繞組單相接地；三次諧波電壓原理保護發電機中性點附近定子繞組的單相接地[1]。

1.1 基波零序電壓定子接地保護判據

基波零序電壓定子接地保護判據為：高定值段動作判據為：[3U0>Uop]；低定值段動作判據為：[3U0>Uopl]。

其中，[3U0]為基波零序電壓，一般取中性點電壓，如果中性點無TV，則取機端零序電壓，TV異常閉鎖；[Uoph]、[Uopl]分別為基波零序電壓高/低定值段整定值。

1.2 三次諧波定子接地保護動作判據

三次諧波定子接地保護動作判據主要分為兩個方案：

方案1：[U3sKK′pU3n] （1）

方案2：[U3s+KpK′pU3nKK′pU3n] （2）

其中，[U3s]和[U3n]分別為發電機機端TV開口三角繞組和中性點TV輸出中的三次諧波分量；[K′p]為機端和中性點TV的變比調整系數。

2 設備參數

以河南華潤電力首陽山2[×]600MW發電機變壓器組為例，由于發電機定子接地保護主要跟設備本身參數和機端分布電容有關，跟系統的運行方式等無關，所以無需進行短路電流計算。發電機配有機端斷路器，機端側裝設有沖擊波吸收電容0.13μF，主變側裝設有沖擊波吸收電容0.26μF，發電機每相對地電容0.232μF，機端外接設備的每相分布電容0.023μF。發電機中性點裝設配電變壓器額定容量100kVA，額定電壓22/0.23kV，中間抽頭電壓為100V，二次側并接電阻0.18Ω，中性點接地線裝有單相電流互感器變比是10/5A、5P10[2]。

3 整定計算

3.1 發電機最大接地電流

中性點接地配電變壓器二次側并接電阻[Rn=0.18Ω]，折算到一次值：

[RN=Rnn2tv0=0.18×（22/0.23）2=1.646 9kΩ，（RN≈X∑/3.hz）]。

發電機配有機端斷路器，機端側裝設有沖擊波吸收電容[Cg.xs=0.13μF]，主變側裝設有沖擊波吸收電容[Cmt.xs=0.26μF]，發電機每相對地電容[Cf=0.2μF]，勵磁變高壓側分布電容[C1c.h=0.032μF]，機端外接其他設備的每相分布電容[Ct=0.015μF]。

3.1.1 GCB分閘未并網時。當機端斷路器GCB未合閘（分閘）時，機端每相分布總電容是：

[C∑.fz=Cf+C1c.h+Ct+Cg.xs=0.2+0.032+0.015+0.13 =0.377μF]（3）

GCB分閘時機端每相容抗：

[X∑.fz=106/ωC∑.fz=106/（314.15×0.377）=8.443 5kΩ]（4）

三相總容抗：

[X∑./3.fz=8.443 5/3=2.814 5kΩ] （5）

機端單相金屬性接地短路電容電流：

[3IC.fz=3ωC∑.fzUgn/3 =3×314.15×0.377×10-6×22/3=4.513 1A]（6）

機端單相金屬性接地短路的接地電阻電流：

[IR=Ugn/3RN=22/（3×1.646 9）=7.712 7A] （7）

未并網GCB分閘時，機端單相金屬性接地短路的接地故障電流：

[I（1）gA.fz=I2R+（3IC.fz）2=7.712 72+4.513 12=8.936 1A] （8）

式（8）計算出的電流遠超過《規程》所允許的安全接地電流（《規程》規定不能大于1A），易燒毀發電機定子鐵芯，應切實注意并采取相應保護措施。

3.1.2 GCB合閘并網時。當機端斷路器GCB合閘時，機端每相分布總電容是：

[C∑.hz=Cf+Clc.h+Ct+Cg.xs+Cmt.xs=0.2+0.032+0.015+0.13+0.26=0.637μF] （9）

GCB合閘時機端每相容抗：

[X∑.hz=106/ωC∑.hz=106/（314.15×0.637） =4.997 2kΩ] （10）

三相總容抗：

[X∑/3.hz=4.997 2/3=1.665 7kΩ] （11）

機端單相金屬性接地短路電容電流：

[3IC.hz=3ωC∑.hzUgn/3=3×314×0.637×10-6×20/3=7.625 6A] （12）

機端單相金屬性接地短路的接地故障電流：

[I（1）gA.hz=I2R+（3IC.hz）2=7.712 72+7.625 62=10.846 0A] （13）

式（13）計算出的電流比GCB斷路器分閘時的接地故障電流還大1.2倍，遠超過《規程》的安全允許接地電流1A的規定要求，對定子鐵芯有很大燒傷能力（《規程》規定不能大于1A）[3]。

3.2 基波零序電壓整定計算

基波零序電壓整定值應按躲過正常運行時中性點單相電壓互感器、機端三相電壓互感器開口三角繞組的最大不平衡基波零序電壓[Uunb.max]和主變高壓側接地故障時，經主變高、低壓繞組間的耦合電容傳遞到發電機側的傳遞零序電壓[Ug.0]來計算整定。

考慮到基波零序電壓動作整定值既有最大的保護范圍，又能躲過主變高壓側接地短路傳變到機端的最大傳遞零序電壓，應先求出安全允許接地電流1A下的接地部位[α]和傳遞零序電壓[4]。

3.2.1 安全允許接地電流1A下的接地部位[α]

3.2.1.1 GCB分閘未并網時。接地故障電流：

[3I0=α3U0d/（RRC+3Rg）2+X2RC] （14）

則接地部位：

[α=3I0（RRC+3Rg）2+X2RC/3U0d] （15）

式中：[RRC]是[ZRC=3RN//（-jXΣC）]的實部，[XRC]是[ZRC=3Rn//（-jXΣC）]的虛部，[RN]是中性點側接地電阻的一次值，[XΣC]是機端每相對地電容的總容抗，[U0d]是接地短路點的零序電壓。

GCB分閘時機端每相對地總容抗（一次值）：

[XΣC=XΣ.fz=8.443 5kΩ，RN=1.646 9kΩ] （16）

中性點側接地電阻（一次值）：

[3RN=3×1.646 9=4.940 7kΩ] （17）

中性點側接地電阻與機端每相對地總容抗的并聯值：

[ZRC=4.940 7 //（-j8.443 5）=4.264 3e-j300 =3.693-j2.132 2（kΩ）] （18）

令[3I0=1A]，金屬性接地短路[Rg=0]時，當接地故障電流等于安全允許電流時的最大接地部位：

[αfz=1×3.6932+2.133 22/[3×（22/3）]=0.111 9]。

在[αfz=0.111 9]部位的接地短路零序電壓二次值（由中心點側接地變到裝置入口處）：

[3U0.α=αfzUgn/3ntv0 =0.111 9×22×103/[3×（22/0.1）]=6.46V]（19）

式（19）中：22/0.1是接地變壓器變比（22/0.23）與二次并接電阻分壓比（0.23/0.1）的乘積。

這說明在等于或小于距中性點的0.111 9部位發生單相接地故障時，接地故障電流等于或小于安全允許接地電流1A，機組定子繞組是安全的。

3.2.1.2 GCB合閘并網時。中性點側接地電阻與機端每相對地總容抗的并聯值（不考慮接地變阻抗）：

[ZRC=3RN//（-jX∑.hz）=4.940 7//（-j4.997 2）=35.134e-j450=2.484 3-j2.484 3（kΩ）] （20）

令[3I0=1A]，金屬性接地短路[Rg=0]時，當接地故障電流等于安全允許電流時的最大接地部位：

[αhz=1×2.484 32+2.484 32/[3×（22/3）]=0.092 2]。

在[αhz=0.092 2]部位的接地短路零序電壓二次值：

[3U0.α=αhzUgn3ntv0 =0.092 2×22×103/[3×（22/0.1）]=5.32V] （21）

發電機并網運行時，接地故障電流等于或小于安全允許接地電流1A的接地部位減小為0.092[5]。

3.2.2 主變高壓側接地短路時機端的傳變零序電壓。由《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》附錄J可知主變高、低繞組間耦合電容：

[CM=KmoSn×10-4 =2.25×720×10-4=0.006 04（μF/ph）] （22）

半耦合電容的容抗：

[XM/2=106/（314.15×0.006 04×0.5）=1 054.04kΩ] （23）

半耦合電容與機端分布電容之和：

[Cmf=0.5CM+CΣ.hz =0.5×0.006 04+0.637=0.640 02μF] （24）

其容抗：

[Xmf=1/ωCmf=106/（314.15×0.640 02）=4.973 6kΩ]（25）

與中性點接地電阻的并聯值：

[ZMR=3RN//Xmf=4.940 7//（-j4.973 6） =3.505 2e-j450kΩ=2.478 6-j2.478 6] （26）

分壓系數：

[β=ZMR/（ZMR+XM/2）=3.505 2/1 056.52=0.003 3]（27）

主變高壓側發生接地短路時的最大零序電壓是0.461 5（標幺值，短路計算得到），有名值：

[E0.max=0.461 5×525/3=139.89kV ] （28）

機端傳遞零序電壓：

[Ug.0=βE0/nTV0=0.003 3×139.89×103/（22/0.1）=2.10V]（29）

3.2.3 基波零序電壓動作值整定計算。從前述計算可知，在小于或等于安全允許接地電流1A以內的接地部位[α=0.092 2合閘（0.111 9分閘）]比較大。如果按躲過不平衡零壓計算整定，假設實測的最大不平衡基波零序電壓是3.5V，可計算基波零序電壓動作整定值：

[U0.op=3U0.set=KrelUunb.max=1.5×3.5=5.25V] （30）

如果按躲過傳遞電壓計算整定，基波零序電壓動作整定值：[U0.op=KrelUg.0=1.5×2.10=3.15V]。

取二者中較大值為基波零序電壓動作整定值：[U0.op=5.3V]。

4 結論

綜上，首陽山發電機定子接地基波零序電壓動作整定值為5.3V（高值和低值一樣），延時為1s。上述的整定指導思想是從保護范圍和接地故障電流大小等全方位對基波零序進行考量。在這種情況下，發生距離機端90%以內的定子繞組單相接地，定子接地保護具備足夠靈敏度，同時鐵芯流過的故障電流也小于安全允許的接地電流，能保證在切除故障的同時確保發電機定子的安全。另外，對于距離中性點10%以內的定子接地故障則由高靈敏的三次諧波判據反映。

參考文獻：

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理和應用[M].2版.北京：中國電力出版社，2002.

[2]國家電力調度通信中心.國家電網繼電保護培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3] 國家能源局 . 大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則 ：DL/T 684-2012[S] .北京： 中國電力出版社， 2012.

[4] 國家能源局 .GB/T 14285—2006， 繼電保護和安全自動裝置技術規程 [S] .北京： 中國電力出版社， 2006.

[5]國家電力調度通信中心 . 國家電網繼電保護培訓教材[M] .北京： 中國電力出版社， 2009.