发电机中性点接地与定子接地保护.pdf

东北电力技术 2000年第1期 发电机中性点接地与定子接地保护 NeutralGroundingofGeneratorsand GroundingProtectionforStators 东北勘测设计研究院 130021 朱杰民 王 丽 王雪松 摘 要 关于国内大中型发电机中性点接地方式主要有两种 一种采用消弧线圈接地方式 另一种采用配电变压器二次 侧并联电阻的高阻接地方式 专家对两种接地方式的意见并不相同 本文对此进行了简要分析比较 着重对采用配电变接 地方式时 发电机定子三次谐波保护动作判据进行了推导 结果表明不会因采用配电变接地使保护灵敏度下降 并且认为 该种接地方式是经济可行的优选接地方式 关键词 发电机 接地方式 定子接地保护 灵敏度 三次谐波 发电机中性点经消弧线圈接地 在我国得到了 广泛应用 实践证明也是可行的 那么为什么还要 采用配电变压器二次侧并联电阻的高阻接地 以下 称高阻接地 方式呢 当然有的电厂 站 是因为 发电机组进口 中性点接地随之配套采用了高阻接 地方式 但这不是根本原因 在数量上 这种接地 方式逐年增多 如广州抽水蓄能 隔河岩 二滩 李家峡和三峡等水电机组 均先后采用了高阻接地 方式 汽轮发电机组采用这种接地方式的也为数不 少 这种情况是由于多方面因素形成的 1 两种接地方式的分析比较 111 与电力系统的关系 消弧线圈接地为大家所熟知 因为消弧线圈是 一种可调式电抗器 在发电机单相接地时 抵消发 电机组的电容性电流 将发电机故障点的电流限制 在发电机允许的范围内 消除间歇电弧引起的过电 压 允许发电机组带故障继续运行2h 便于组织 抢修或减负荷停机 从而避免或减小了对系统的冲 击和对用户的影响 我国早期电力发展滞后 电力网小 单机所占 比重较大 1台机突然切除 对电网冲击大 严重 影响用户负荷 由此可见 受电力系统的限制 采 用消弧线圈接地 是与当时我国的国情相适应的 有其合理的因素 也积累了较成熟的经验 随着改革开放 我国电力系统得到了迅速发 展 单机容量占所接入的系统容量比重越来越小 单机故障瞬时停机 对系统的冲击将很小 同时由 于系统备用容量大于故障单机容量 也不会使用户 停电 特别是近年来 电厂 站 自动化水平大大 提高 采用 无人值班 少人值守 进行设计的水 电站已成为现实 采用消弧线圈接地 故障时延长 停机2h组织人力抢修 已变得不太现实 从故障 对机组的影响看 意义已不大甚至是不可取的 采用配电变压器的高阻接地 由于故障电流要 大于消弧线圈接地 一般故障保护作用于瞬时停 机 这对目前的电力系统是允许的 利用变压器变 比关系和过载特性 并联的二次电阻可以做的很 小 变压器容量仅为消弧线圈容量的1 3 1 6 因而采用高阻接地 具有装置占地面积小 便于布 置 较为经济的特点 有人担心 会投入新装置的 开发研制费 其实变压器和电阻在设计和制造上并 不存在难题 国内已有生产 112 对机组本身的影响 由于消弧线圈接地允许单相接地故障继续运 行 对绝缘的破坏严重 会缩短绝缘材料的寿命 又因电弧燃烧的不稳定性 引起过电压增大 有发 生匝间短路等继发性故障的可能性 发电机出现一 点接地 意味着机组其它绝缘部分也有问题 这种 故障一旦发展成继发性故障 就会烧坏定子绝缘和 铁芯线棒 造成较大损失 这一点得到了专家的共 识 并且实例较多 2 避免瞬时故障停机带来的 好处 与对机组的严重影响相比 得不偿失 可见 消弧线圈接地的优点几乎不存在了 61 高阻接地 要求瞬时跳闸的运行方式 有利于 保护机组 虽然较消弧线圈接地定子电流增大 发 电机还是允许的 由于瞬时跳闸 不会对发电机造 成危害和影响 113 过电压问题 引起发电机组过电压主要有传递过电压和谐振 过电压 对消弧线圈接地 如配合不当 理论上有 通过电容的静电耦合和电感的电磁耦合 在故障回 路形成工频电压传递 引起过电压的可能 当容抗 与感抗接近时 如果发生单相接地或断路器不同期 操作 会在发电机相接的变压器或PT之间出现谐 振过电压 危及发电机绝缘 但由于这些情况设计 中有所考虑 实际发生的几率很小 尚未发现因采 用消弧线圈接地引起危险过电压的实例 采用高阻接地 由于电阻增大了回路的阻尼 率 对过电压的幅度和陡度有明显的阻尼作用 防 止了传递过电压和避免了谐振过电压产生的可能 一般来说 保证过电压不超过216倍相电压 依据发电机单相接地动态过电压实验曲线如图 1所示 有的意见认为单相接地过程中频率维持在 额定值附近 动态过电压消弧线圈接地比高阻接地 要低 并且故障瞬时跳闸必然造成频率偏离额定 值 不如采用消弧线圈接地为好 其实前者是相对 故障情况下的过电压 持续时间短 从图1曲线 看 既使高阻接地 过电压也在215倍相电压左 右 更何况是瞬时功机 如果说瞬时跳闸必然造成 频率偏离 又恰好发生谐振 那么消弧线圈电感接 地远比高阻接地方式动态过电压要高 发生的几率 要大 实践中 由于故障瞬时停机频率偏移引发谐 振的尚未见报道 而由于单相接地故障继发相间短 路的实例却较多 所以为避免发电机故障扩大 应 选择瞬时跳闸 并且以高阻接地引起过电压为低 可能性也小 2 发电机定子接地保护 211 定子接地保护方式 由于发电机组是电力系统中最重要的电气元 件 装设反应定子绕组单相接地保护并动作于跳闸 停机 显得尤为必要和重要 一般定子绕组单相接 地保护采用零序电压或电流分量 保护范围能达到 定子绕组的85 95 采用三次谐波过滤装置 特性较好的 保护范围就大 但仍存在死区 为了 达到100 定子接地保护 除少数在机端接配电变 或PT实现外 多数在采用零序保护后 再利用叠 加交流或直流低于工频的信号电源 或采用三次谐 波保护 保护范围为发电机定子靠中性点侧 50 与零序保护构成发电机定子100 接地保 护 212 接地方式对定子接地保护的影响 就新建的电厂 站 来说 采用消弧线圈或高 阻接地 继电保护均可实现 影响不大 对于采用 三次谐波保护 两种接地方式都有误动的报道 主 要是采用的保护动作方程复杂 调整不当 以及保 护装置性能不良等因素造成的 当采用微机保护 后 这一状况将会大大改观 认为发电机中性点经 配电变高阻接地 降低了接地保护动作的灵敏度和 可靠性的理由是不充分的 213 三次谐波保护动作判据分析推导 通过对发电机三次谐波机端电压US与中性点 电压UN的分析推导 得出正常运行US UN1 取US UN作为定子 接地保护动作判据 理论上是可行的 在实际中也 有采用集成模块的微机保护 利用该判据构成三次 谐波保护成功的实例 有人推导发电机配电变高阻接地动作判据大于 1 认为某保护灵敏度下降 其原因是未计入接地 变感抗 虽然未见有关计入变压器感抗的论述或推 导计算 但实际配电变感抗不可能为零 也没有必 要对配电变降低感抗设计 图1 发电机单相接地动态过电压 1 消弧线圈为纯电感的谐振接地方式 2 每相对地电容为分布参数并有串联小电阻的谐振接地方式 3 计及附加串联小电阻的谐振接地方式 计入配电变感抗 取阻抗电压降UK 忽 略励磁回路导纳 发电机经配电变压器高阻接地的 三次谐波等效电路如图2所示 图中 YN YS分别为发电机中性点和机端三相 对地导纳 Cf Ct分别为发电机定子和端部所联 设备每相对地电容 R为变压器二次侧并联电阻 71 图2 发电机中性点经配电变压器高阻接地的三次谐波等效电路 折 算到一次侧值 XT为变压器感抗 Rg为定子 接地时过渡电阻 假设 YN YS 1 则 YN 2 YS 2 0 上述关系反之亦成立 只要我们证明 YN 2 YS 2 0 则 US UN YN YS 1 8 Cf时 判据小于1成立 b1 当忽略Ct时 Ct 0 代入上式 解得 m 01065 判据小于1成立 在这里 m UK K 一般UK 3 8 K 3 6 m 9 永远成立 c1 当考虑变压器电抗和Ct时 可取 1 93 m Cf 8 243m2 Ct作为判据成立与 否的判别式 0 判据小于1成立 由于部分大中型发电机机端并没有加装冲击波 吸收电容器 所以Ct 1 8 Cf的情况还是有的 但 既便如此 由于变压器电抗值的存在 即使忽略 Ct 如b分析 判据不会发生变化 保护灵敏度不 会下降 由于忽略电抗是与实际不相符的 结论必 然相反 是不能成立的 3 结论 发电机中性点经消弧线圈接地与经配电变高阻 接地 无论对电力系统的影响还是从过电压看 技 术上均可行 由于计入接地变的电抗 发电机定子 接地采用三次谐波保护灵敏度不会下降 接地变励 磁回路经推导 是可以忽略的 而接地变对地电容 相对电抗值不宜忽略 计入接地变对地电容 对结 果影响不大 结论不变 从利于减小发电机故障范 围和经济角度看 配电变高阻接地更具有优势 发 电机定子接地保护具有与消弧线圈接地相同的三次 谐波保护灵敏度 是设计