發電機中性點接地變壓器短路電阻和短路電抗測算方法

林彤，王昀帆，王睿，陳俊

（1.浙江浙能樂清發電有限責任公司，浙江 樂清 325609；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

目前，國內的發電機中性點大多經接地變壓器接地，發電機中性點零序電壓一般取自接地變壓器的二次負載電阻抽頭，當接地變壓器的短路阻抗較大時，基波零序電壓定子接地保護定值整定應考慮短路阻抗的影響，需要知道接地變壓器的短路電阻和短路電抗值才能核算該保護的保護范圍[1]。但接地變壓器銘牌上一般只提供短路阻抗，而沒有短路電阻和短路電抗的大小，并且短路阻抗銘牌值往往與實際值還存在一定的誤差。

當然，可通過短路試驗來測量變壓器短路阻抗（也稱為伏安法）[2]，將二次繞組先短路，一次繞組再加電壓，電壓從零逐漸升高，到一次繞組電流為額定值，停止升壓，測量一次側電壓和輸入功率，由一次側電壓除以一次電流即為短路阻抗，由輸入功率除以一次電流的平方即為短路電阻，由短路阻抗和短路電阻即可求得短路電抗值。實際上現場并不進行接地變壓器的短路試驗。

為了測量接地變壓器的短路電阻和短路電抗，本文提出一種新方法，通過模擬發電機定子單相接地故障試驗，來確定中性點零序電壓與機端零序電壓之間的比例關系，為基波零序電壓定子接地保護整定計算提供依據，同時完成發電機中性點接地變壓器的短路電阻和短路阻抗的間接測量。

1 接地變壓器短路阻抗測算新方法

1.1 基本研究思路

發電機定子單相接地故障時，機端和中性點工頻零序電壓一次值近似相等，因此，模擬發電機定子單相接地故障，通過發電機保護裝置記錄故障時的機端零序電壓和中性點零序電壓波形數據，結合機端和中性點零序電壓PT變比以及接地變二次負載電阻值，即可求得發電機中性點接地變壓器的短路電阻和短路電抗值[3]。

1.2 定子單相接地故障試驗方法

圖1 考慮短路阻抗的接地變模型Fig.1 Grounding transformer model considering short circuit impedance

圖2 機端和中性點零序電壓波形Fig.2 Terminal and neutral zero-sequence voltage waveform

停機狀態下在發電機機端PT處設置單相接地點，投他勵電源，緩慢遞升勵磁電流，直到發電機中性點零序電壓超過發電機基波零序電壓定子接地保護動作定值，由發電機保護裝置記錄故障時的機端零序電壓和中性點零序電壓波形數據，根據錄波數據可計算出機端零序電壓與中性點零序電壓基波幅值的比例關系，為基波零序電壓定子接地保護的整定計算提供依據，同時為中性點接地變短路電阻和短路電抗的計算做準備。

1.3 短路電阻和短路電抗計算方法

考慮短路阻抗后的中性點接地變壓器的等效電路如圖1所示，其中rn為接地變壓器二次負載電阻值，rk和xk分別為接地變壓器的短路電阻和短路電抗二次值，為中性點零序電壓。

圖3 k1和k2計算值Fig.3 K1 and K2 calculated values

圖4 短路電阻和短路電抗計算值Fig.4 Short-circuit resistance and short-circuit reactance calculation value

發電機定子單相接地故障時，機端零序電壓和中性點零序電壓工頻分量近似相等，可得

上式中：a(k)和b(k)分別為余弦分量和正弦分量，N為工頻每周波采樣點數，x(k)為離散采樣值。

將式（4）和式（5）帶入式（3），得

根據以上方程組可求得

從而可得短路電阻rk和短路電抗xk計算式：

2 試驗驗證

以樂清電廠4號發電機為例，驗證本文提出的接地變壓器短路阻抗測算方法。

發電機中性點接地變壓器型號為DC-140/20，容量Sn為140kVA，一次額定電壓Un為20kV，變比為20kV/230kV，二次負載電阻rn為0.22Ω，短路阻抗銘牌值為6.05%，機端和中性點零序電壓相關系數為1.33。在4號發電機上模擬定子單相接地故障，手動增加勵磁直到基波零序電壓定子接地保護動作，記錄下了故障時的相關電壓波形。

發電機定子單相接地保護動作時的機端和中性點零序電壓波形如圖2所示。

依據圖2所示的機端和中性點對地零序電壓波形數據，由式（9）和式（10）可求得k1和k2值，如圖3所示。

圖3中，n為采樣點數，前24點過渡過程，為24個點以后的數據為有效數據窗，可見，k1和k2分別約為0.769和0.072，帶入式（11）和式（12）可求得接地變壓器的短路電阻rk和短路電抗xk二次值如圖4所示，分別約為34Ω和158Ω左右。

采用JLZ-2004阻抗測試儀實測4號發電機接地變壓器的短路阻抗，短路電阻和短路電抗約為34.84Ω和162.7Ω。可見，測算值和銘牌值兩者基本吻合，考慮到接地變壓器的銘牌參數存在誤差，發電機機端和中性點零序電壓測量也存在一定的誤差，本項目提出的測量方法可以滿足工程要求。

3 結語

本文提出了一種發電機中性點接地變壓器短路電阻和短路電抗測算方法，通過模擬發電機定子單相接地故障，由發電機保護裝置記錄故障時的機端和中性點零序電壓，利用發電機定子單相接地故障時，機端一次零序電壓和中性點一次零序電壓工頻分量近似相等的特征，采用全周傅立葉算法即可求得短路電阻和短路電抗。

現場定子單相接地故障錄波數據驗證了該方法的正確性。

[1]陳俊,劉洪,嚴偉,等.大型水輪發電機組保護若干技術問題探討[J].水電自動化與大壩監測,2012,36(04):41-44.

[2]李發海,朱東起.電機學[M].北京:科學出版社,2007.

[3]陳俊,朱松強,李軍保,等.發電機中性點接地變壓器短路電阻和短路電抗測算方法:中國,201210066533.0[P].2012-3-14.

[4]許正亞.變壓器及中低壓網絡數字式保護[M].北京:中國水利水電出版社,2004.