小灣電廠發(fā)電機(jī)定子改接線對定子接地保護(hù)整定值的影響

鄭智燊+++邢志江

摘 要：本文分析了小灣電廠發(fā)電機(jī)定子改接線對定子接地保護(hù)整定值的影響，介紹了發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)定值現(xiàn)場整定方法。通過單相接地的整定試驗證實了定子改接線對定子接地保護(hù)整定值的影響。

關(guān)鍵詞：三次諧波；定子接地保護(hù)、阻抗補(bǔ)償。

0 引言

小灣水電站位于瀾滄江中下游河段大理州南澗縣和臨滄市風(fēng)慶縣交界處，是“西電東送”的標(biāo)志性工程；總裝機(jī)容量420萬千瓦（6×700MW）。

小灣發(fā)電機(jī)采用整數(shù)槽（q=4）波繞組（定子繞組節(jié)距為y1=13、y2=11），40極，定子槽數(shù)為480，每相8分支，每分支20個線圈。電站投產(chǎn)后，發(fā)電機(jī)線棒陸續(xù)出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，阿爾斯通水電設(shè)備（中國）有限公司通過改進(jìn)發(fā)電機(jī)定子繞組接線方式對線棒進(jìn)行防暈處理。

發(fā)電機(jī)定子改接線不會改變發(fā)電機(jī)單相接地時的零序電壓分布規(guī)律，因此不會對利用零序電壓原理構(gòu)成的定子接地保護(hù)造成影響，但發(fā)電機(jī)定子改接線改變了定子對地分布電容，會影響三次諧波定子接地保護(hù)及注入式定子接地保護(hù)的整定值。

1 發(fā)電機(jī)定子改接線簡介

小灣電廠發(fā)電機(jī)原繞組繞線方式中，所有繞組的走線方向都是相同的，這就造成相鄰的不同相別的線棒（定子端部每8根線棒）之間的電勢差逐漸從零（中性點(diǎn)端）變大到18kV（出口段），繼而造成定子繞組電場分布不均，局部電勢差過高，加重了電暈。為解決電暈問題，小灣電廠對發(fā)電機(jī)定子進(jìn)行改接線，改變部分支路繞組的走線方向，使相鄰的不同相別繞組的走線方向相反，這樣就使得它們之間的電勢差始終保持在10.4kV左右，從而降低繞組間的局部電勢差、改善線棒間的電場分布，進(jìn)而減少、減弱電暈的發(fā)生[1]。

2 發(fā)電機(jī)定子改接線對三次諧波定子接地保護(hù)定值的影響

發(fā)電機(jī)三次諧波定子接地保護(hù)是通過比較發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)的三次諧波電壓的比值，來判斷發(fā)電機(jī)是否滿足定子接地相關(guān)動作條件，以達(dá)到檢測距中性點(diǎn)5%～15%范圍內(nèi)定子接地故障的目的。三次諧波定子接地保護(hù)的動作判據(jù)為：U3T/U3N >K3wzd，式中： U3T、U3N為機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓值，K3wzd為三次諧波電壓比定值。機(jī)組在并網(wǎng)后，受變壓器對地容抗的影響，機(jī)端等值容抗會發(fā)生較大的變化，三次諧波電壓比值也會隨之變化，因此微機(jī)保護(hù)在機(jī)組并網(wǎng)前后各設(shè)置一個三次諧波電壓比值整定值，根據(jù)機(jī)組出口斷路器位置接點(diǎn)變化自動切換。

根據(jù)實際運(yùn)行情況，正常運(yùn)行時機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓比值并不是一個固定的值，隨著機(jī)組有功負(fù)荷變化而變化。這是因為：隨著發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的改變，定子繞組各點(diǎn)溫升有差異，不同程度改變著定子繞組各點(diǎn)對地電導(dǎo)的大??；隨著發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的改變，發(fā)電機(jī)沿磁極表面各部位飽和程度不一致，發(fā)電機(jī)磁場是不均勻分布的，由此造成三次諧波電動勢的不均勻；隨著發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的改變，升壓變壓器的鐵芯飽和程度不同，變壓器產(chǎn)生的三次諧波電動勢也不同[3]。

發(fā)電機(jī)定子改接線后，改變了發(fā)電機(jī)定子繞組對地電容分布，將對機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓比值U3T/U3N造成影響，同時比值U3T/U3N又隨著機(jī)組有功負(fù)荷變化而變化。因此需要實際測量定子改接線后，機(jī)組不同運(yùn)行工況下機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓比值的最大值，以此為依據(jù)對三次諧波電壓定子接地保護(hù)定值進(jìn)行整定。

小灣電廠1、2、3號機(jī)組定子改接線前后三次諧波現(xiàn)場試驗測量數(shù)據(jù)如下表。

通過現(xiàn)場試驗測量可以看出，定子改接線后U3T/U3N的實測最大值比改接線前增大了，根據(jù)理論計算可以得出，發(fā)電機(jī)定子單相接地故障時：

（1）

（2）

U3T/U3N增大，則 就減小，所以小灣電站發(fā)電機(jī)定子改接線縮小了三次諧波定子接地保護(hù)的保護(hù)范圍。

3 發(fā)電機(jī)定子改接線對注入式接地保護(hù)定值的影響

3.1 注入式定子接地保護(hù)簡介

小灣電廠發(fā)變組B套定子接地保護(hù)使用的是20Hz電源注入式保護(hù)，其原理是在發(fā)電機(jī)定子回路對地之間外加一個20Hz交流電源，保護(hù)的動作判據(jù)為：RE﹤RE.SET﹠IG0﹥ISAFE，即發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻小于接地電阻跳閘定值且流過發(fā)電機(jī)接地設(shè)備的零序電流大于安全接地電流定值時，保護(hù)動作跳閘。發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，三相定子繞組對地是絕緣的，20Hz電源回路檢測到的定子繞組接地電阻很大。而發(fā)生定子接地故障時，20Hz電源回路將檢測到定子繞組的接地過渡電阻值，該值小于接地電阻跳閘定值，同時發(fā)電機(jī)接地設(shè)備將流過較大的零序電流，使保護(hù)滿足動作條件跳閘。保護(hù)具體接線方式為：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器副邊接負(fù)載電阻，20Hz注入式電源疊加在負(fù)載電阻上，通過接地變壓器副邊耦合至一次側(cè)。

注入式接地保護(hù)的整定值主要有：接地電阻定值、安全接地電流定值、相角補(bǔ)償值、電阻補(bǔ)償值、電抗補(bǔ)償值、電阻折算系數(shù)、電壓回路監(jiān)視定值、電流回路監(jiān)視定值。

3.2 接地電阻定值

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器高阻接地，當(dāng)定子繞組發(fā)生單相接地故障時，其等效的基波零序回路電路如圖2所示。圖中，E為發(fā)電機(jī)相電壓；RE為故障點(diǎn)的接地過渡電阻；α為接地故障位置至中性點(diǎn)的匝數(shù)占定子繞組一相串聯(lián)總匝數(shù)的百分比；Rn為中性點(diǎn)接地電阻；Xc為三相定子繞組側(cè)系統(tǒng)對地總電容的容抗； U0為基波零序電壓；IE為流過故障點(diǎn)的基波零序電流。

考慮發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)端接地故障，根據(jù)規(guī)程允許的接地故障電流值，通過等效電路求出接地過渡電阻值，此電阻值作為保護(hù)接地電阻報警值和調(diào)整值的整定依據(jù)。

根據(jù)等效電路可得出

（3）

式中RN為接地變壓器等效至發(fā)電機(jī)一次側(cè)的電阻值。

根據(jù)公式（3）可以計算出機(jī)端接地故障時在規(guī)定接地故障電流下的過渡電阻值。接地過渡電阻值由兩部分組成：可以看出第一部分是一個固定值（機(jī)端接地時α=1，IE取規(guī)程允許的接地故障電流值）；第二部分在定子改接線后變化很小，這是因為發(fā)電機(jī)定子繞組對地總電容的容抗Xc比RN大得多，定子改接線后Xc發(fā)生了一定的變化，但Xc仍然比RN大得多，RN/（-jXc）的值變化很小。

綜上所述，定子改接線前后，機(jī)端接地故障時在規(guī)定接地故障電流下的過渡電阻計算值變化很小，所以注入式定子接地保護(hù)的接地電阻定值受發(fā)電機(jī)定子改接線的影響很小。

3.3 安全接地電流定值

發(fā)電機(jī)停機(jī)時，機(jī)端金屬性接地，串接一電流表，發(fā)電機(jī)零起升壓，當(dāng)電流表顯示接地故障電流到達(dá)安全電流時，讀取保護(hù)裝置檢測到的流過接地變壓器電流IG0，作為安全接地電流的定值。這是比較準(zhǔn)確的安全接地電流的整定方法[7]。

如圖2在定子繞組對地總電容和接地變壓器構(gòu)成的并聯(lián)回路中，流經(jīng)接地變壓器的接地故障電流為：

（4）

由于發(fā)電機(jī)定子繞組對地總電容的容抗Xc比RN大得多，所以流經(jīng)接地變壓器的電流占發(fā)電機(jī)接地故障電流的很大一部分。發(fā)電機(jī)定子改接線雖然改變了定子繞組對地總電容的容抗Xc，但Xc仍比RN大得多，定子繞組對地總電容和接地變壓器構(gòu)成的并聯(lián)回路的總阻抗變化很小，流經(jīng)接地變壓器的接地故障電流的變化也很小，所以對安全接地電流定值不會有太大的影響。

3.4 相角補(bǔ)償值

發(fā)電機(jī)在正常絕緣情況下，注入電流表現(xiàn)為電容電流，注入電壓滯后注入電流90°，由于電壓、電流回路硬件檢測通道相位存在延遲差異，會使電壓、電流相位發(fā)生偏移。因此須查看正常狀態(tài)下保護(hù)裝置顯示的相角，然后通過修改相角補(bǔ)償值進(jìn)行相角補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的相角為270°[8]。

發(fā)電機(jī)定子改接線后改變了定子繞組對地總電容容抗Xc的大小，但不會改變注入電流、電壓的相角關(guān)系，因此發(fā)電機(jī)定子改接線對注入式定子接地保護(hù)的相角補(bǔ)償值沒有影響。

3.5 電阻、電抗補(bǔ)償值

電阻補(bǔ)償值、電抗補(bǔ)償值的整定方法為：發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，接地變壓器高壓側(cè)對地短路，投入“補(bǔ)償試驗狀態(tài)投入”控制字，讀取測量電阻二次值作為電阻補(bǔ)償值，讀取測量電抗二次值作為電抗補(bǔ)償值。經(jīng)補(bǔ)償后裝置測量的電阻值應(yīng)該接近為零[8]。

20Hz注入式電源的等效電路如圖3所示，圖中， 、是接地變壓器一次側(cè)繞組漏阻抗，R2、X2是接地變壓器二次側(cè)繞組漏阻抗，、是接地變壓器激磁阻抗，EZ是注入式電源電動勢，各參數(shù)均為20Hz下折算到接地變壓器二次側(cè)的值。可以看出，接地變壓器高壓側(cè)對地短路時，所測量出來的電阻二次值、電抗二次值，實際上就是接地變壓器的電阻、電抗值，因此發(fā)電機(jī)定子改接線對注入式定子接地保護(hù)的電阻補(bǔ)償值、電抗補(bǔ)償值沒有影響。

3.6 電阻折算系數(shù)

理論上電阻折算系數(shù)，但實際的接地變壓器電壓變比nt、分壓器分壓比、中間電流互感器變比與設(shè)計值之間有偏差，因此需按現(xiàn)場模擬接地故障試驗調(diào)整該系數(shù)。發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，中性點(diǎn)對地經(jīng)過電阻接地，將實際電阻值與裝置中測量的接地電阻值進(jìn)行比較，電阻折算系數(shù)，其中RE為實際接地故障電阻的阻值（一次值），為裝置測量到的接地電阻的二次值。調(diào)整折算系數(shù)后，裝置測量結(jié)果（一次值）應(yīng)與實際電阻阻值相對應(yīng)。由上述可見，電阻折算系數(shù)與電壓、電流回路變比有關(guān)，發(fā)電機(jī)定子改接線對注入式定子接地保護(hù)的電阻折算系數(shù)沒有影響。

3.7 電壓回路監(jiān)視定值

在發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)做金屬性短路試驗，實測低頻零序電壓為，則電壓回路監(jiān)視定值，其中Krel為可靠系數(shù)，取0.4～0.6。根據(jù)T型等效電路圖（圖3）可以看出，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)金屬性短路時，其實測低頻零序電壓的大小與定子繞組對地總電容的容抗Xc無關(guān)，因此發(fā)電機(jī)定子改接線對注入式定子接地保護(hù)的電壓回路監(jiān)視定值沒有影響。

3.8 電流回路監(jiān)視定值

在發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，無接地故障時，保護(hù)裝置實測低頻零序電流為IG0.min，則電流回路監(jiān)視定值，其中Krel為可靠系數(shù)，取0.4～0.6。

無故障時保護(hù)裝置檢測到的低頻零序電流主要為發(fā)電機(jī)對地低頻電容電流，其大小與定子繞組對地總電容的容抗Xc有很大關(guān)系，因此發(fā)電機(jī)定子改接線對注入式定子接地保護(hù)的電流回路監(jiān)視定值有較大影響。

3.9 注入式定子接地保護(hù)現(xiàn)場試驗情況

小灣電廠1、2、3號機(jī)組定子改接線前后注入式定子接地保護(hù)現(xiàn)場試驗整定數(shù)據(jù)如下表。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，小灣電站發(fā)電機(jī)定子改接線前后，通過現(xiàn)場試驗方法整定的注入式定子接地保護(hù)的相角補(bǔ)償值、電阻補(bǔ)償值、電抗補(bǔ)償值、電阻折算系數(shù)、電壓回路監(jiān)視定值變化很小，只有電流回路監(jiān)視定值發(fā)生了比較明顯的變化。

4 結(jié)束語

小灣電站發(fā)電機(jī)定子改接線后，定子繞組對地總電容的容抗Xc發(fā)生了變化，改變了正常運(yùn)行時機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓比值，使三次諧波定子接地保護(hù)的保護(hù)范圍縮小。對于注入式定子接地保護(hù)，定子改接線后改變了發(fā)電機(jī)對地低頻電容電流的大小，從而影響了電流回路監(jiān)視定值，對注入式定子接地保護(hù)的其他定值影響很小或者沒有影響。綜上所述，發(fā)電機(jī)定子接線結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，會對三次諧波定子接地保護(hù)定值及注入式定子接地保護(hù)的部分定值造成影響，需要對這兩種定子接地保護(hù)的定值重新進(jìn)行現(xiàn)場試驗整定。