轉(zhuǎn)子接地保護(hù)及二次回路對(duì)地過(guò)電壓的分析

作者/孫道陽(yáng),華能聊城熱電有限公司

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)及二次回路對(duì)地過(guò)電壓的分析

作者/孫道陽(yáng),華能聊城熱電有限公司

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的二次回路中，一般將保護(hù)回路接到轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)兩端，對(duì)于600MW及以上的大型發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其中額定的勵(lì)磁電壓普遍較高，因此在運(yùn)行過(guò)程中，容易出現(xiàn)二次回路中的絕緣系數(shù)不夠，從而影響這個(gè)回路的正常運(yùn)行。本文對(duì)二次回路中產(chǎn)生地過(guò)電壓原因進(jìn)行總結(jié)，并通過(guò)實(shí)際分析，總結(jié)了對(duì)回路中轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的具體方法。

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)；二次回路；過(guò)電壓

前言

在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，往往會(huì)受到內(nèi)部元件老化或者外力破壞影響，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能正常運(yùn)行。在二次回路中，有很多電感線圈存在，這種電感線圈都帶有一定電感量，在發(fā)生意外事故時(shí)，容易導(dǎo)致反電勢(shì)的產(chǎn)生，而且幅值大，頻率高，這對(duì)發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1. 二次回路中的接線方式

下面以注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)為例，來(lái)介紹二次回路中接線方式。圖1是二次回路中一個(gè)常見(jiàn)的接線方式。

在注入式轉(zhuǎn)子接地過(guò)程中，Cy和Ry是轉(zhuǎn)子中的繞組對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大軸的分布參數(shù)，Rf是出現(xiàn)接地故障時(shí)產(chǎn)生的過(guò)度電阻，在圖1中，接地故障出現(xiàn)在F點(diǎn)中。在故障出現(xiàn)之后，保護(hù)裝置內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幾十伏電壓信號(hào)，這種電壓信號(hào)通過(guò)耦合電阻的傳導(dǎo)（圖1中用R1表示），進(jìn)入發(fā)電機(jī)繞組回路中，此時(shí)對(duì)于回路中內(nèi)部電阻Rm1來(lái)說(shuō)，由于接觸到故障信號(hào)，會(huì)有泄漏電流產(chǎn)生。而回路中的外部電阻對(duì)整個(gè)二次回路起到分壓器作用，為整個(gè)回路安全運(yùn)行提供了更多保障。

圖1 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)以及轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量

在圖1中，直接繞組和勵(lì)磁繞組在正負(fù)極上連接的電纜總稱(chēng)為二次回路電纜，一般來(lái)說(shuō)，都是通過(guò)風(fēng)壓電阻R2或者是耦合電阻R1接到保護(hù)裝置中，這也是二次電纜具體定義。

2. 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路中的過(guò)電壓

在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和非正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路中會(huì)出現(xiàn)很多不同形式的過(guò)電壓，這其中主要包括以下幾種形式：第一，換相過(guò)電壓，這種過(guò)電壓主要出現(xiàn)在可控硅的整流橋上。第二，操作過(guò)電壓，這種過(guò)電壓主要出現(xiàn)在定子側(cè)或者轉(zhuǎn)子側(cè)中，是由斷路器的通斷現(xiàn)象所引起。第三，運(yùn)行過(guò)電壓，這是由于在發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中，由于三相不協(xié)調(diào)對(duì)稱(chēng)，或者沒(méi)有進(jìn)行全相運(yùn)行，從而造成運(yùn)行過(guò)電壓的產(chǎn)生。第四，傳遞過(guò)電壓，當(dāng)定子側(cè)在接地時(shí)發(fā)生故障或者雷擊時(shí)，勵(lì)磁變壓器就會(huì)出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，從而導(dǎo)致過(guò)電壓產(chǎn)生。

根據(jù)對(duì)上述原因分析和總結(jié)，在勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了多種電壓抑制和保護(hù)措施，來(lái)保證轉(zhuǎn)子繞組中正負(fù)兩端不會(huì)差生太大的電壓差距，為此，相關(guān)人員還制定了公式，從而保障勵(lì)磁繞組能夠在工作中發(fā)揮有效發(fā)揮出自己的作用：

上式中，Ufd.n代表的是額定勵(lì)磁電壓；Um是實(shí)際試驗(yàn)中測(cè)試電壓。

通過(guò)對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參照，可以確定在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中實(shí)驗(yàn)電壓的幅值大約在30%到50%之間，而且在過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)值一般不會(huì)超過(guò)實(shí)驗(yàn)中電壓幅值的70%。另外，在過(guò)電壓中，有一種特殊共模性質(zhì)的過(guò)電壓，這種過(guò)電壓在轉(zhuǎn)子繞組正負(fù)兩端所體現(xiàn)出來(lái)的電壓差是保持不變的，但如果回路和轉(zhuǎn)子兩端電壓都提升時(shí)，會(huì)使勵(lì)磁變壓器中的傳遞電壓數(shù)值發(fā)生變化，其具體變化如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁變壓器耦合過(guò)程中的等值電路

根據(jù)圖2所示，在勵(lì)磁變壓器的高壓一端，如果出接地或者遭受雷擊后，會(huì)產(chǎn)生一種特殊電壓UH0,這種電壓在后來(lái)被人們稱(chēng)為對(duì)地零序電壓，這種電壓也會(huì)在勵(lì)磁變壓器中得到有效傳遞，并通過(guò)電容C12傳遞到變壓器的低壓一端，對(duì)地電容用C20表示。而對(duì)于零序電壓來(lái)說(shuō)，當(dāng)其到達(dá)勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)一端時(shí)，會(huì)零序電壓剛開(kāi)始差生之時(shí)存在一種關(guān)系，該關(guān)系可表示為：

UL0就是這種零序電壓到達(dá)變壓器低壓側(cè)之后的具體數(shù)值。在以往勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)中，會(huì)在各個(gè)高低壓線圈中安裝屏蔽網(wǎng)，避免變壓機(jī)在工作過(guò)程中受到系統(tǒng)靜電影響。另外，將屏蔽網(wǎng)安裝在低壓線圈之外，從而引出接地裝置。通過(guò)這種方式，增加了C20，減小了C12，而且使得C12幾乎接近于零，這樣，根據(jù)上述公式分析可以得出，UL0的數(shù)值也會(huì)接近與零。

3. 二次回路中防范地過(guò)電壓的有效措施

在工作過(guò)程中，一旦出現(xiàn)電感回路被切斷時(shí)，就會(huì)差生較強(qiáng)的干擾電壓，根據(jù)上述分析，可以確定一下防范措施：

3.1 在線圈兩端并聯(lián)非線性電阻

對(duì)于這種非線性電阻來(lái)說(shuō)，二極管最合適不過(guò)。為了有效防止在工作過(guò)程中地過(guò)電壓的出現(xiàn)，經(jīng)常在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)非線性電阻，如果回路中的電感電流被切斷，反電勢(shì)會(huì)大大增加，由于二極管自身特點(diǎn)，這種反電勢(shì)會(huì)通過(guò)二極管，并且出現(xiàn)短路現(xiàn)象，讓線圈中的電流得到有效衰減，一般來(lái)說(shuō)這種衰減呈指數(shù)規(guī)律。同樣的道理，在二極管兩端出現(xiàn)的降壓情況，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電源的電壓值，所以也不會(huì)在回路中產(chǎn)生振蕩電壓，但是這種現(xiàn)象只適用于直流發(fā)電機(jī)。

3.2 在線線圈兩頓并聯(lián)阻容支路

對(duì)于這種方式來(lái)說(shuō)，通過(guò)并聯(lián)阻容支路，改變回路中整個(gè)電阻的數(shù)值，使電阻達(dá)到臨界數(shù)值，可以有效保證感應(yīng)線圈中電流一旦突然被切斷，不會(huì)在感應(yīng)線圈周?chē)a(chǎn)生振蕩電流。另外，由于各個(gè)支路具有相同的時(shí)間常數(shù)，不斷電路中的電流在單位時(shí)間內(nèi)受到怎樣的影響，在兩只回路中流過(guò)的電流總量大小相同，方向相反。因此，對(duì)于這種接線方式來(lái)說(shuō)，可以有效緩解回路中地過(guò)電壓的產(chǎn)生，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了在負(fù)載被切斷時(shí)，開(kāi)關(guān)這種不會(huì)產(chǎn)生電弧。

3.3 在電纜外側(cè)加裝金屬屏蔽層

如果二次回路距離電纜較近時(shí)，由于電纜具有較高電壓，通過(guò)二次回路連接，容易出現(xiàn)電纜中的電容互相傳遞，為了減少這種傳遞，人們?cè)陔娎|外側(cè)加裝金屬屏蔽層，并將屏蔽層兩端進(jìn)行接地，有效保證電壓磁力在屏蔽層附近集中，使其不會(huì)進(jìn)入電纜內(nèi)部，有效避免了過(guò)電壓的專(zhuān)遞。

4. 二次回路中電纜絕緣的選擇

根據(jù)上述研究可知，在勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中將耦合電容保持到最小數(shù)值，并且增加了對(duì)地電容，同時(shí)，在考慮到實(shí)際工作中勵(lì)磁繞組也會(huì)產(chǎn)生較大的對(duì)地電容量，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，UL0的數(shù)值盡量保持在0.1%UH0。在高壓側(cè)中，由于加裝了避雷設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)電壓的有效抑制，UH0也不會(huì)特別高，從對(duì)比中可以看出，UL0的影響完全可以忽略不計(jì)。

以700MW的水電機(jī)組為例，按照?qǐng)D1中的接線方式，根據(jù)規(guī)格可以得知，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁額定電壓為456V。在二次回路設(shè)計(jì)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)以及A點(diǎn)所在的線路保護(hù)絕緣按照2kV來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)上述分析數(shù)據(jù)可知，如果單獨(dú)從勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)兩端引入5kV設(shè)計(jì)效果會(huì)更好。在經(jīng)過(guò)分壓器進(jìn)行分壓之后，保護(hù)裝置中的電纜要按照3.5kV來(lái)設(shè)計(jì)。對(duì)于這種設(shè)置要求來(lái)說(shuō)，由于高壓電纜在鋪設(shè)過(guò)程中距離較長(zhǎng)，工作量較大，而且造價(jià)昂貴，不論是5kV還是3.5kV，實(shí)際建設(shè)起來(lái)較為困難，所以說(shuō)，這種電纜絕緣方法的使用不利于轉(zhuǎn)子接地保護(hù)及二次回路對(duì)地過(guò)電壓的研究，也為電纜長(zhǎng)期安全運(yùn)行增加了巨大隱患。

5. 總結(jié)

綜上所述，在勵(lì)磁回路中如果出現(xiàn)了過(guò)電壓，而且在正負(fù)兩端出現(xiàn)接地故障時(shí)，就會(huì)造成二次回路中產(chǎn)生較大的過(guò)電壓，從而影響回路正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際工作中，過(guò)電壓和接地故障同時(shí)發(fā)生的概率較小，但因?yàn)槠渫{能力較強(qiáng)，不得不對(duì)其提高警惕和重視。根據(jù)上述研究結(jié)果，二次回路中的電纜耐壓程度不同，直接影響了轉(zhuǎn)子繞組的連接情況，因此，在轉(zhuǎn)子接地保護(hù)中，應(yīng)該采用獨(dú)立注入方式，并且要在勵(lì)磁屏蔽柜中安裝相應(yīng)保護(hù)裝置，從而使縮短二次回路中的電纜安裝距離，實(shí)現(xiàn)成本降低的同時(shí)，提高了回路的安全性和可靠性。

＊ [1]霍新霞,許廣義.淺議變電站PT二次回路中性點(diǎn)安裝過(guò)電壓保護(hù)的重要性[J].電子測(cè)試,2016,(01)：80—81.

＊ [2]李謙.電壓互感器二次回路中性點(diǎn)安裝過(guò)電壓保護(hù)的必要性研究—接地短路故障和雷擊時(shí)地網(wǎng)電位分布的計(jì)算分析[J].廣東電力,2016,(03)：1—5.

＊ [3]李謙.電壓互感器二次回路中性點(diǎn)安裝過(guò)電壓保護(hù)的必要性研究—二次回路中性點(diǎn)雷電傳遞過(guò)電壓的試驗(yàn)和計(jì)算分析[J].廣東電力,2015,(02)：6—10+48.