（电力系统及其自动化专业论文）综合式发电机定子接地保护的研究及实现.pdf

a bs t r a c t s t a t o rg r o u n d - f a u l ti so n eo ft h ec o m m o ng e n e r a t o rf a u l t s ，a n di ti st h ed i r e c tc a u s eo ft h e i n t e r n a ls h o r t - c i r c u i tf a u l tw h i c hm a yi m m e d i a t e l yd a m a g eg e n e r a t o r t h es t a t o rg r o u n d p r o t e c t i o ni s a ni m p o r t a n tp a r tf o rt h eg e n e r a t o rp r o t e c t i o n f i r s t l y , t h ed i f f e r e n tn e u t r a l g r o u n d i n gm e t h o d sa r ea n a l y z e di nd e t a i li nt h ep a p e r t h et h e o r ya n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ep r o t e c t i o ns c h e m e sr e s p e c t i v e l yb a s e do nt h ez e r os e q u e n c ef u n d a m e n t a lv o l t a g ea n dt h e t h i r dh a r m o n i cv o l t a g ea n dt h ei n j e c t i o nv o l t a g ea r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r b a s e do na b o v e ， t h ep a p e rp r e s e n t st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep r o t e c t i o ns c h e m e sb a s e do nt h ez e r os e q u e n c e f u n d a m e n t a lv o l t a g ea n dt h er e l e v a n ti m p r o v i n gm e a s u r e s i td e d u c e si nd e t a i lt h a tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e n e r a t o rn e u t r a ld i s p l a c e m e n tv o l t a g ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e d i s p l a c e m e n tv o l t a g ea n dt h ea s y m m e t r i cd i s t r i b u t e de a r t hc a p a c i t a n c eo ft h r e e p h a s e c o i l g r o u p s t h ei n j e c t i o n2 0 h zv o l t a g es t a t o rg r o u n dp r o t e c t i o ni sa n a l y z e d ；a n dt h e i n f l u e n c et ot h ep r o t e c t i o nu n d e rt h ei n t e r n a lr e s i s t a n c eo ft h es o u r c ea n dd i f f e r e n tn e u t r a l g r o u n d i n gd e v i c e sp a r a m e t e ri ss i m u l a t e d t h ep a p e rp r o p o s e sa ni n t e g r a t e ds t a t o rg r o u n d p r o t e c t i o ns c h e m e ，w h i c hi n c l u d e st h ep r o t e c t i o nm o d u l eb a s e do nf a u l tc o n t r i b u t i o n c o m p o n e n ta n dt h em o d u l eb a s e do nt h ei n j e c t i o ne l e c t r i c a ls o u r c ea n dt h ef a u l tl o c m i o n m o d u l e f i n a l l y ，d e s i g n st h eh a r d w a r ef r a m e ，p r o t e c t i o na r i t h m e t i c ，f i l t e ra r i t h m e t i c ，a n dt h e d e t a i ld e s i g no fs o f t w a r ef r a m ea b o u tt h ep r o t e c t i o n ，p u tf o r w a r dt h em a i np r o c e d u r e sf l o w c h a r ta n dp r o t e c t i n gf u n c t i o n sf l o wc h a r t k e y w o r d s ：s t a t o rg r o u n dp r o t e c t i o n ；t h i r dh a r m o n i c ；i n j e c t i o nv o l t a g e ；s e n s i t i v i t y ；f a u l t c o n t r i b u t i o nc o m p o n e n t ；f a u l tl o c a t i o n 国网电力科学研究院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得国网电力科学研究院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 国网电力科学研究院学位论文使用授权声明 国网电力科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论 文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权国网电力科学研究院研究生院办理。 e l 期：肆7 第一章绪论弟一早珀t 匕 发电机是现代电力系统最主要的组成部分之一，它造价昂贵，结构复杂，一旦故障， 检修期长，给国民经济造成的间接和直接损失巨大。因此，必须给予足够的重视，其中 之一就是要提高大中型发电机组的继电保护水平。随着电力系统的发展，发电机的单机 容量也越来越大，这对发电机的保护也提出了更高的要求。因此，探索和研究动作速度 快、可靠性和灵敏性高的发电机保护原理具有十分重要和现实的意义。 1 1 定子接地故障及定子接地保护的意义 发电机在运行中易发生的故障主要有：定子绕组相间短路、定子绕组一相匝间短路、 定子绕组单相接地、转子绕组一点或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。目前大 容量发电机组均采用水内冷冷却方式，使得发生漏水而接地的可能性增大了。另外发电 机组高速旋转振动较大，发生机械损伤接地的可能性也大大增加。国内曾有因发电机铁 心松动致使硅钢片滑出引发定子接地故障的事故发生。由此可见定子绕组单相接地是发 电机最常见的内部故障之一，其危害主要表现在当发生接地故障后接地电流经故障点、 三相对地电容、三相定子绕组和中性点接地装置而构成回路。当接地电流较大时在故障 点引起电弧将烧坏绝缘和铁芯，同时绕组发生一点接地后如未能及时发现，绕组又发生 另一点接地时就会造成匝间或严重的相间短路，使得发电机定子受到更严重的破坏。而 且非接地相对地电压的升高，将危及对地绝缘，对绝缘水平提出更高的要求【1 1 。因此， 发电机安装定子单相接地保护是必要的，继续研究动作速度快、可靠性和灵敏性高的发 电机定子单相接地保护也是必要的。 1 2 发电机中性点接地方式分析 研究发电机定子接地故障的危害及相应的定子接地保护首先要搞清楚保护对象的 中性点接地方式。对于发电机中性点接地方式，虽然主要目的都是防止发电机和其他设 备受不对称故障的危害，但由于技术经济的原因，加之设计习惯的不同，采用的形式也 有所不同。发电机组一般是发电机变压器组方式，也有直接并网的中小型发电机，发电 机中性点的接地方式的选择与定子单相接地故障电流的大小、定子绕组的过电压、定子 接地保护的实现等因素有关，除供电可靠性外，还应注意发电机组内部动态过电压水平 l 里塑皇垄型兰堕壅堕堡主堂竺丝苎 和铁芯安全问题。随着电力系统的发展，对发电机中性点接地方式的观点也在不断的改 变，总的趋势是要求单相接地故障电流尽量小些、动态过电压倍数低些和易于实现高灵 敏度的定子接地保护。 1 2 1 安全接地电流的研究 8 0 年代初我国提出了安全接地电流的概念。为确保定子铁芯的安全，不使单相接地 故障发展成为相间或匝间短路，应该使单相接地故障处不产生电弧或者使接地电弧瞬间 熄灭，这个不产生电弧的最大接地电流被定义为发电机单相接地的安全电流，其值与发 电机额定电压有关。当发电机发生定子单相接地时接地故障电流不应超过安全接地电 流。 河南省电力科学试验研究所进行了定子铁芯在电容电流作用下的烧伤试验，试验得 出了在不同额定电压下当发电机定子发生单相接地故障时允许的接地电流值，如表1 1 所示： 表1 1 单相接地安全电流值 发电机电压容量安全接地电流 备注 6 3 k v 5 0 m w 及以下 4 a 1 0 5 k v5 0 - 1o o m w3 a l3 弘l5 7 5 k v12 5 2 0 0 m w2 a 氢冷发电机2 5 a 1 8 k v 以上 3 0 0 - - 6 0 0 m w1 a 当单相接地电流小于上述安全电流时，定子接地保护动作后可考虑只发信号而不跳 闸，但应及时处理转移负荷，平稳停机以免再发生另一点接地故障而烧毁发电机。我国 曾有过单相接地电流小于2 a ，调相机继续长时间运行最终发展为相间短路的严重教训， 因此限制单相接地电流在安全范围内是保证发电机安全的一个重要条件。 1 2 2 选择中性点接地方式的技术原则 作为发电机中性点接地方式选择的技术原则主要有以下三条： ( 1 ) 定子绕组单相接地故障不应烧损定子铁芯。 ( 2 ) 不应因单相接地的间歇性弧光过电压使单相接地故障发展为相间或匝间短路。 ( 3 ) 发电机中性点接地方式应有利于提高定子绕组单相接地保护的技术性能。 第一章绪论 我国中小型汽轮发电机的中性点接地方式多为中性点不接地或经电压互感器接地， 后者实际上也是一种中性点不接地方式。大多数水轮发电机则采用中性点经消弧线圈接 地方式。发电机中性点接地方式的选择对于发电机安全稳定运行至关重要，要根据各种 因素，权衡利弊选择合适的接地方式，而不是盲目照搬国外的模式【2 l 。 我国对容量为2 0 0 m w 及以上的大型发电机中性点的接地方式有2 种不同的主张， 一种认为应当采用经消弧线圈接地方式，另一种认为应当采用经配电变压器高阻( 或中 阻) 接地方式。 发电机中性点经消弧线圈接地方式在发生单相接地后，由于接地故障电流补偿到安 全允许值，接地保护可不必立即跳闸停机，而是作用于信号。虽然单相接地电流已小于 允许值，但为了大机组的安全，在定子接地保护动作于信号后，应立即转移故障机组负 荷，实现平稳停机，这对机组本身、用户和系统都是有利的。发电机中性点经消弧线圈 接地可限制暂态过电压不超过2 6 倍的发电机额定相电压。定子接地保护简单且灵敏度 高，我国近5 0 年来水轮发电机普遍采用中性点经消弧线圈接地，已积累了丰富的成功 经验；近些年3 0 0 m w 汽轮发电机也有采用这种方式的，运行经验也证明经消弧线圈接 地方式安全可取，所以应推荐大型发电机采用中性点经消弧线圈接地方式【3 1 。 国外引进的大型发电机中性点一般采用经配电变压器高阻接地方式。国内也有人主 张推荐采用这种接地方式，这主要是担心采用经消弧线圈接地方式会出现间歇性弧光接 地暂态过电压，科学试验和运行实践均己证明这种担心是多余的。发电机中性点经配电 变压器高阻接地方式下由于接地电流增大超过规定的允许值，为了机组的安全不得不令 定子绕组接地保护动作于跳闸，使本来很轻微的故障却采取了的紧急跳闸措施，给系统 和机组造成较大冲击，另外这种中性点接地方式使得在我国广泛应用的三次谐波电压型 定子接地保护的灵敏度降低。 1 2 3 中性点经配电变压器高阻接地 大型发电机中性点的高电阻接地方式在美同等国已经形成惯例。近些年来，我国引 进的大型发电机组多属此种接地方式，此种接地方式的出发点是限制间歇电弧引起的积 累性电压升高，从而降低电弧接地暂态过电压。但这种接地方式增大了定子绕组单相接 地时的接地电流，接地保护须快速跳闸。 当中性点接地电阻r 。小于或等于发电机对地容抗x c 时，经配电变压器高阻接地可 里塑皇垄型兰堕壅堕堡圭堂篁丝茎 以很好的限制暂态过电压在安全范围内。此时由于接地电阻的存在，若系统高压侧发生 单相接地，产生的传递过电压也不会引起发电机基波零序电压定子单相接地保护的误 动。但经配电变压器高阻接地后流经故障点的接地电流为发电机的接地电容电流与流经 该电阻的有功电流两者的矢量和，因此当发电机对地电容很大时接地故障电流明显增 大，有烧损铁心的危险，使保护出口只能动作于瞬时跳闸，对发电机和电力系统造成冲 击，产生发电机跳闸后的暂态过电压。由于发电机灭磁需要一定时问，断路器跳闸不等 于故障电流的切断，因此故障电流的持续时间不可能太短( 约数秒钟) ，铁心同样还有被 烧损的危险。 1 2 4 中性点经消弧线圈接地 i r l r l 图1 1 中性点经消弧线圈接地时的等值电路 图1 1 为发电机在中性点经消弧线圈接地时机端发生金属性接地故障时的零序等效 电路。图中u p h 为接地处的零序电压，其量值为发电机额定相电压，c 为发电机电压系 统对地总电容，i 为补偿后的接地故障电流。 流经消弧线圈的电流为： 屯= 盖= 菩矗一歹筹籍吐圳l m ， 流过对地电容的电流为： i c = j c - o c u a , = j i c ( 1 - 2 ) 所以接地电流为： i = k + 七= 厶+ j ( i l + 七夕 ( 1 - 3 ) 当认为消弧线圈为纯电感( r = 0 ) 时，通常定义补偿系数k 为电容电流与电感电流的 比值，即： 七：争= o ) 2 l c ( 1 - 4 ) ll 但考虑消弧线圈本身及附加电阻时这样定义就不正确了，因为流经消弧线圈的并不 是纯电感电流，这时应该从消弧线圈的补偿机理出发，定义补偿系数k 为电容电流与消 弧线圈电流中感性分量的比值即： 拓l ，c ，= c ( r 2 + 三a j 2 l 2 ) ( 1 - 5 ) l 三 一 脱谐度v 定义为： y ：生互：j 三 i c k v = 0 完全补偿； v 0 欠补偿。 阻尼率d 定义为 扛i r = 国c 俾。r 爵历 1 - 6 ) i cc 心+ ( d ze ) ”“ 由式1 - 5 ，1 - 6 可得 脚：旦：土 o j l q q 为消弧线圈的品质因数( q = m l r ) 为了确保定子铁心的安全，当发电机发生定子单相接地时，接地故障电流不应超过 安全接地电流，即，o ，再由公式( 1 - 1 ) 至l j ( 1 5 ) 推导得出： 矗姗壶 7 ) l ci c 所以若将故障电流限制在i o 范围内，补偿系数应满足以上关系， 三= 影m h + 2 r = 珊十 当i = i o 时可求出： ( 1 8 ) ( 1 9 ) 按不同的电压等级设定安全接地电流值，按式1 7 选取补偿系数后，再由式1 8 和 国网电力科学研究院硕士学位论文 1 - 9 计算出消弧线圈的电感和串联电阻。选取消弧线圈的电感和电阻时，还需计算高压 侧系统发生接地故障时高压侧的零序电压经升压变高、低压绕组间的耦合电容施加在发 电机机端的传递电压应满足绝缘耐压要求，通常不应使发电机相对地电压超过发电机额 定线电压。大型水轮发电机按式1 - 9 选取的小值串联电阻可以将传递过电压限制在安全 范围内( 见表1 1 ) 。但在考虑传递电压对基波零序电压定子单相接地保护的影响时，此 传递电压将使基波零序电压定子接地保护的动作值提高很多，影响保护的灵敏性与可靠 性。即限制传递电压和减小故障电流是一对相互矛盾的要求，增大串联电阻( 或减小消 弧线圈的品质因数) 将使传递过电压减小，故障电流增大 4 1 。 r l 图1 2 计算传递过电压的零序等值电路 算例发电机：发电机额定电压2 0 k v ，每相绕组对地电容为1 8 1 f ，机端附加电容 为0 2k tf ，高压侧为5 0 0 k v 系统。根据经验值取u o n = o 5 5 0 0 3 = 11 4 k v 。c m = o 0 0 6 8 5 f 。 根据算例发电机安全接地电流应取1 a ，由式1 7 计算得到0 9 5 6 k 。由此可见，在正常运行时，发电机的中 性点测的三次谐波电压以m 总是大于发电机机端的三次谐波电压。当发电机孤立运 行时，即发电机出现机端开路，c , - - o 时，且发电机中性点不接地时，机端和中性点三 次谐波电压相等。对于其他情况，中性点三次谐波电压均大于机端的三次谐波电压。 3 1 2 发电机发生接地故障时三次谐波分布特性 定子绕组单相接地时的三次谐波电压分布如图3 2 所示 n r j 飞 咫k i；s l u 一等! lli ；i 3 c ，j - 三 j 歹 图3 2 定子绕组单相接地时三次谐波电压的分布 k 为接地点，r 为过渡电阻。由此可以写出中性点三次谐波电压为： 职=g + j b s ) e ；+ j b s e ；一g e ；t j b s e 3 g + j ( b n + b s )g + j ( b h + b s ) i 司理 f 一g e ；+ j b ，e 3 u 1 p 一一 盐 g + j ( b n + b s ) 在正常状态下( g = 0 ) u 3 n = u 3 n o u3 s2 u3 s o 当k 点发生单相接地故障时( g = 0 0 ) ， u 3 n = e 3 u3 s = e 如图3 3 所示： 图3 - 3 定子绕组发生金属性接地时的三次谐波电压分布 2 2 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 第三章三次谐波电压型定子接地保护 当k 点经过渡电阻( g o , g o o ) 接地时眈可写为 其中 以= 宦+ 垒 搿= 宦+ 垒圣搿f ，1 - e - j 2 口夕 ( 3 - 7 ) 秒：伽幻行鱼堡 g 毯= e 3 c o s q ，e 姆 e ；= e ，( 、一c o sq e 娜) 对于既定的发电机和既定的故障点式( 3 7 ) 中摩、岛也也均为常数，因此，的 相量端点是一个圆，该圆的圆心对应的相量为： 圆半径为： 吒由器芋= 志岛 ，= i 定一瓯i = = 眵焘岛 由于该圆是在电势不变的情况下作出的，所以称它为等电势圆，如图3 - 4 所示。 图3 - 4k 点经过渡电阻接地时末端轨迹 3 2 利用三次谐波构成的保护方案 势 线 发电机固有三次谐波电压的主要特征如下： a 、发电机正常运行时机端开口三角和中性点t v 二次电压以三次谐波为主，其次 是基波。 2 3 垦塑皇塑型堂婴堑堕婴兰竺丝茎 b 、 发电机三次谐波电压随有功增加而增大。 c 、机端、中性点三次谐波电压的相角差很小，并网后不同负荷下的相角差不大 于5 度。 d 、机端、中性点三次谐波电压基本上按发电机两侧对地电容分布。无论并网与否 与负荷大小，比值变化不大。 近年来，国内外许多学者针对如何利用三次谐波电压来构成定子接地保护，以提高 保护灵敏度问题进行了许多深刻的研究和实践。目前国外采用的多为反映中性点三次谐 波电压单侧量变化的方案，即中性点三次谐波低电压保护，该方案受系统运行方式的影 响较大，灵敏度也不高。而国内主要兼用机端和中性点三次谐波电压双侧量的变化来构 成保护。利用双倾j j - - 次谐波电压构成的定子接地保护主要有以下几种： ( 1 ) 以i 瓯i l l 1 o 为动作条件的定子接地保护原理 发电机中性点不接地( 包括经单相t v 接地或经消弧线圈接地) 时，在正常运行时总 有i 吼l i i 1 0 ，当在中性点侧5 0 定子绕组内发生金属性接地故障l 瓯玩n 1 1 0 ， 利用此判据可以保护中性点附近5 0 的定子绕组。 当发电机中性点经配电变压器高阻接地时， i i = ( 兰彩c ，) 2 + ( 去) 2 啦 m = 9 国f ，去q + q 夕 m 于l y 1 l y i ，正常运行时已有1 吨l i i 1 0 ，这时将判据改为 瓯i i i c ( c i 0 ) 由于i 瓯l l i 完全取决于中性点和机端的三次谐波等效阻抗，消除了忘的影响。 理论上与发电机的运行工况无关，比采用单侧量作为保护判据的稳定性要好得多，在实 际中i 瓯l i 瓯i 随有功功率的变化而有微小的变化。以一台2 0 0 m w 的汽轮发电机为例， 当p 从0 到1 8 0 m w 变化时，i 瓯i i 玩i 的最大变化范围为0 8 5 , - , 0 9 0 。 阈值较小的接地保护灵敏度高，所以发电机中性点经配电变压器高阻接地，它的接 地保护不仅基波部分灵敏度低，而且三次谐波部分灵敏度也低，根本原因是中性点对地 并接了一个电阻使发电机正常运行时以。比较低，当发电机中性点附近经r f 发生接地 墨三! 三姿堕鲨里些型星堡垫堡翌 故障时晚降低不明显，当发电机中性点不接地或经消弧线圈接地时，中性点附近发生 经附的接地故障将明显的表现出魄的下降，保护较灵敏动作阴。 ( 2 ) 以1 吨一霞l l l j ，d 为动作条件的定子接地保护原理 为了进一步提高灵敏度，同时减小动作量和制动量的大小，动作量改为 i 玩s 一霞以l ，在机组正常运行时调整系数霞，使i 眈s 一足以i o ，动作量非常小。在 此前提下减小制动量即以p l o , i 作为新的制动量，理论上可a a i e 4 , ，实际取 = o 2 o 3 以确保安全。由此得到如下动作判别式为： l 比一霞川i j 0 当发电机发生单相接地时，故障点在机端附近时眈s 减小而眈增大，故障点在中 性点附近时眈s 增大而眈减，j 、，其结果总是使动作量l 玩s k 眈i 显著增加而制动量相 对较小。即使在机端发生金属性接地时吃达到最大，这时的动作判据为l 蛾i 纠瓯i 1 0 仍然有效，因为霞接近1 ，而远远小于1 。由此可见这个方案在精心整定和调试的条 件下，三次谐波电压型定子绕组单相接地保护可以单独实现1 0 0 保护区。 以上介绍的两种方案均利用了1 吨l l i 比值的变化来反映定子接地故障，虽然眈s 和玩v 随运行工况的变化很大，但其比值l 叱l j i 以及玩s 和玩的相位差随工况的变 化, i e 4 , 。因此两个方案都具有较好的稳定性。在灵敏度方面，方案1 由于其制动量较大 导致灵敏度不高，方案2 中引入了幅值和相角调节系数霞因而可以较大限度的减小动作 量从而降低了制动量，灵敏度有很大的提高，但是由于霞的选取与发电机的运行方式有 关，不宜选得过低，灵敏度仍然受到限制。目前南瑞继保及中德保护的发电机三次谐波 型定子接地保护均有采用此判据。 ( 3 ) 自适应判据构成的定子接地保护原