单相接地电容电流测量.doc

= 发电机研讨班讲稿水轮发电机单相接地电容电流测量和消弧线圈的整定2006年9月水轮发电机单相接地电容电流测量和消弧线圈整定一、前言在2005年华电集团公司所属水电厂的安全性评价中，我们了解到电厂的发电机系统中电容电流有一定变化，例如一部分水电厂在发电机出口安装了ABB公司生产的SF6断路器，其断口一侧或两侧每相并联了对地电容器电容量较大（例如有的是0.132F/相，有的是0.26F/相），在不投入和投入发电机出口断路器情况下电容电流差别较大。又如两机一变的运行方式，在不同运行方式下，发电机系统的电容电流也差别较大，从而给发电机中性点消弧线圈的整定带来困难。因此有必要进一步了解发电机系统单相接地电容电流的测量方法和消弧线圈整定原则。而且在原国电公司颁发的立式水轮发电机检修技术规程（DL/T817-2002）的第431条表5“发电机大修主要试验测试项目表”中也规定了发电机轴电压及中性点漂移电压测试项目。本部分将对发电机单相接地电容电流测量和消弧线圈整定的有关技术内容作一简要介绍。所讲内容如有不妥之处，请各位同行批评指正。二、水轮发电机中性点接地方式水轮发电机中性点接地主要有三种方式，即中性点不接地，中性点经消弧线圈接地和中性点经有效电阻接地。水电站中发电机中性点一般选用不接地或经消弧线圈接地。发电机中性点不接地方式适用于发电机电压回路电容电流不超过规定值的情况下，一般是不超过5A，当发生一点接地故障时，允许带故障运行一段时间而不必立即停机。一般对容量小的机组可采用发电机中性点不接地方式。当发电机电压回路电容电流超过规定值时，中性点应经消弧线圈接地，发生瞬间接地故障时允许暂时运行。由于消弧线圈的补偿作用使通过故障点残流值降低，避免发电机定子铁心烧损，弧光接地过电压较中性点不接地方式有所降低。发电机定子100%接地保护可作用于信号，使发电机单相接地得到可靠保护，提高机组运行可靠性。三、发电机系统单相接地电流分析与消弧线圈的作用原理及整定原则本节主要是将经过理论分析所得到的结果应用之。发电机系统的接线图和等值电路如图3-1所示。图中：K2 F K1XH（A）发电机系统接线图 F K1 B CK2 X H N IC IB IL UN IDC CA CB CC（B）等值电路图图3-1 发电机系统接线图和等值电路图F发电机XH发电机中性点消弧线圈K1发电机出口刀闸K2发电机中性点刀闸CA、CB、CCA、B、C三相对地电容B、CB、C相对地电流DC发电机单相接地电容电流L流经消弧线圈XH电流UN发电机中性点位移电压经分析计算：1、发电机中性点不接地（即中性点不接有消弧线圈）的情况（1）如果发电机系统三相对地电容相等，即CA=CB=CC =C0（C0发电机一相对地电容），则有：（A）发电机中性点对地电压UN=0（B）如果A相单相金属性接地，此时非接地相对地电压升至线电压，发电机单相接地电容电流IDC： IDC=3C0 UX （3-1）式中： C0相对地电容 UX相电压 U线线线电压（U线线=UX）=2f工频角频率，如果f=50Hz，=314由于IDC与接地相正常时的相电压相角差90，如果是弧光接地，电弧很难熄灭，可能出现弧光接地过电压，损坏设备。（2）实际上发电机系统三相对地电容不可能完全相等，则发电机中性点将出现一定的对地电压，此对地电压叫做中性点位移电压UN，又可称为中性点不对称电压UPD。在不考虑系统各相绝缘对地存在泄漏电阻的情况下：UN= UPD= （32）式中：a相因子，a=ej120当考虑三相绝缘对地泄漏电阻时，中性点位移电压UN（即不对称电压UPD）为：（33） 式中： 0= 系统的不对称度 d 系统的阻尼率 Rr/3（其中假设各相泄漏电阻相等，即rA= rB= rC= r），一般d35%，比较小。所以中性点位移电压大小主要取决于系统上的不对称度0，即取决于系统三相对地电容的不平衡情况，因此对不对称度的大小有一定的要求，不应过大。通过过电压分析可以知道增大阻尼率，可以降低乃至消除谐振过电压。2、发电机中性点接有消弧线圈的情况（1）消弧线圈的结构消弧线圈是一个带有铁心的电感线圈，铁心具有间隙，以便得到较大的电感电流，并使电感电流和所加的电压成正比，也就是消弧线圈的伏安特性基本是线性的。其一次线圈的接地侧分别有若干抽头（分接头），以便在一定范围内分级调节电感的大小，一般有59个分接头，厂家还给出了每个分接头下的允许运行时间。在出厂试验报告和铭牌上给出了不同分接头下的电流值（也有的给出阻抗值），在现场交接和大修时除测量线圈直流电阻外，还应实测不同分接头的阻抗值（主要是感抗），与出厂值应无明显差别。在消弧线圈的二次还有电压线圈，在一次线圈接地侧还接有电流互感器（电流线圈），可以测量消弧线圈电压和通过一次线圈的电流。消弧线圈的作用在于当系统出现单相接地故障时，补偿系统的接地电容电流，起到熄灭电弧的作用。（2）发电机中性点接有消弧线圈的理论分析（A）当发电机正常运行时，发电机中性点的位移电压UN为： （34）式中消弧线圈的补偿度消弧线圈的补偿度是表示消弧线圈电流IL（因为消弧线圈直流电阻相对于其感抗而言很小，故主要是电感电流）对发电机系统电容电流的补偿程度，即： （35）式中：C0发电机系统一相对地电容L消弧线圈电感IDC发电机系统单相接地电容电流IL消弧线圈电感电流（如果多台发电机并联在一个母线运行，且发电机中性点都接有消弧线圈，应加在一起）由此可以看出：0，即消弧线圈电流ILIDC，对应于过补偿的情况；0=0，即IL=IDC，对应于谐振补偿（全补偿）的情况；0，即 ILIDC，对应于欠补偿的情况。而且消弧线圈的补偿度的数值（绝对值）一般都小于1，因此发电机中性点位移电压要比不投消弧线圈时大。在此说明一下，也可以用系统的脱谐度或系统调谐度k来表示补偿的情况。 （36）由上可知系统的脱谐度即等于负的补偿度。系统的补偿度 （37）（2）当接有消弧线圈的发电机系统出现单相接地时（例如图2-1中的A相接地），则中性点电压UN升高至相电压，在消弧线圈中将产生电流IL（如前所述，设其电感为L），其大小为： （38）此时系统的单相接地电容电流IDC=3C0 UX。通过本节的分析，我们对发电机及其中性点消弧线圈的运行中常用的一些理论知识有了一定了解。但在实际现场主要是要知道如何来测量单相接地电容电流，如何选用和整定消弧线圈，都有哪些规定和要求等，下一节将着重说明之。四、发电机系统单相接地电流的有关规定和消弧线圈的整定原则1、发电机系统单机接地电流允许值的确定在有关规程中规定与发电机有电气连接的315kV回路，当单相接地电容电流大于5A时，若要求发电机带单相接地故障运行，其中性点应装设消弧线圈。由于消弧线圈的补偿作用，这时通过故障点的电流为消弧线圈电流与系统电容电流之差，称为残余电流（简称残流）。但随着发电机额定容量和额定电压的提高，为防止烧损发电机铁心，并降低和限制过电压，在有关规程和反事故措施中进一步降低了发电机单相接地电流（即残流）的允许值。在国家电力公司下发的防止电力生产重大事故的二十五项要求第11.10条中明确规定：“当发电机定子回路发生单相接地故障时，允许的接地电流值如表11-1规定。发电机定子接地保护的动作整定值按表11-1的要求确定。当定子接地保护报警时，应立即停机。200MW及以上容量的发电机的接地保护装置宜作为跳闸。”其中表11-1为：表11-1 发电机定子绕组单相接地故障电流允许值发电机额定电压（kV）发电机额定容量（MW）接地电流允许值（A）10.5100313.815.751252002（对于氢冷发电机为2.5A）182030060012、消弧线圈的整定原则由以上分析可知，发电机中性点消弧线圈的整定原则主要有两条。（1）发电机系统单相接地故障时，故障点流过的残余电流应该尽量小。对大中型发电机，其残流允许值如前面表11-1中所规定。对小型容量的发电机，尚可按不大于5A 考虑。但是，要使残流小，似应将消弧线圈调整到谐振补偿（全补偿）附近。其实不然，这时由于发电机系统对地电容三相不对称，在正常运行情况下，就有可能发生串联谐振，使发电机中性点具有较高的电压UN，这是不允许的。众所周知，发电机正常运行时最高运行电压不应超过额定电压的5%，因此消弧线圈整定时还应考虑第二个原则。（2）消弧线圈投入时，在正常和事故情况下中性点对地电压应不致危害发电机及其系统的正常绝缘。一般要求系统正常运行时中性点位移电压UN，应不超过相电压的15%；发生事故时中性点位移电压UN应不超过相电压的100%。因此：（A）要降低正常运行时的中性点的位移电压，就必须对发电机系统的三相对地电容的不平衡情况，要予以控制，也就是要控制发电机系统的不对称度0。一般是在消弧线圈未投入前，发电机正常运行的中性点位移电压UN= UPD应小于相电压的2%。因此要测量此电压UPD。在366kV的高压线路电力网中还要采取线路换位等方法来降低UPD。（B）为避免产生较大的谐振过电压，消弧线圈不宜整定在谐振补偿，而须整定在过补偿方式或欠补偿方式。其中欠补偿运行方式，一旦由于某种故障或其他原因，使某些设备断开，系统对地电容变小，相应电容电流变小，此时则可能构成串联谐振，产生危险的过电压。所以正常情况下，也不宜采用欠补偿的运行方式，而应采用过补偿的运行方式。但由于目前现场的实际情况，如很多大中型发电机出口安装了SF6断路器（如ABB公司生产的SF6发电机机端断路器），并联了较大的对地电容，又如有些水电厂为两机一变扩大单元接线，不同运行方式下，电容电流是不一样的，差别较大。而目前消弧线圈一般尚不能自动有载调谐，因此整定的结果，在不同的运行方式下，消弧线圈可能运行在过补偿位置，有时也要运行在欠补偿位置。此时应对可能产生的过电压进行校验。（3）消弧线圈的容量选择选择消弧线圈容量一般接过补偿进行设 ，其容量SXH可按下式计算。SXH=1.35IDCUX （kVA） （41）式中 SXH消弧线圈的容量 （kVA）IDC发电机系统接地电容电流（A），它包括发电机三相对地电容电流、发电机出口母线本身及其所连接设备的三相对地电容电流及升压变压器低压线圈的三相对地电容电流等。UX发电机额定相电压（kV）1.35系数，它考虑到计算误差系数1.1、气候影响系数1.05和过补偿运行系数1.1和容量储备系数1.1。发电机系统对地电容电流IDC所包括的三部分可按以下方法计算后相加而得出。（A）发电机三相对地电容电流可以计算，也可以实测。参考一些资料，发电机三相对地电容电流IFC可按下式计算IFC=3CXUX10-6 （A） （42）式中UX发电机额定相电压（V）3CX=CF发电机三相对地电容（F）根据哈尔滨电机厂的计算公式，发电机三相对地电容CF为： （43）式中 CX发电机相对地电容（F） F线棒绝缘介质介电常数，对B级绝缘中沥青云母带取4，对环氧粉云母建议取45.4（有的资料介绍简化可取F =5）Z发电机定子槽数hn、bn分别为发电机定子槽高及槽宽（cm）d发电机定子线棒绝缘厚度(cm)；可取实际发电机图纸上给定的单边绝缘厚度。也可按下列数值计算，一般3kV电机取0.36，对10.5kV电机取0.47，对13.8kV电机取0.54，对15.75kV电机取0.6，对18kV电机取0.7l t发电机定子铁芯长度（cm）按式（43），对某厂SF10040/854水轮发电机，Ue=13800V，Z=324，hn=18.65cm。bn=3.17cm，lt=210cm，d=0.54cm。F取5.5，得出：该发电机实测值为IFC=6.32A一般来看，计算值要比实测值大些。在现场实测前可用这个方法估算一下，做到心中有数。（B）发电机母线的三相对地电容电流，其值一般为每100m长度母线取0.050.1A，其下限值适用于10kV及以下电压，上限值适用于10kV以上电压。如果母线上还接有其他设备，如机端断路器所接的对地并联电容，发电机出口引出的其配电缆等则应另计算后加上。（C）升压变压器（主变压器）低压线圈的三相对地电容电流，一般可按0.1到0.2A估算。（4）消弧线圈的安装地点消弧线圈一般是与发电机中性点相连接，但也可以装在厂用变压器的中性点。这里要注意到，不是任何一台变压器中性点都能够连接消弧线圈，因此在选择装设消弧线圈的变压器时，一方面要考虑和消弧线圈串联的变压器的阻抗，另一方面还要考虑因接入消弧线圈而使变压器过负荷的条件。至于在接有消弧线圈时可能出现的谐振过电压等问题，也要引起我们的注意。因此正确的整定消弧线圈参数，掌握其特性是很重要的。五、水轮发电机单相接地电容电流测量方法1、试验目的和试验项目进行水轮发电机单相接地电容电流测量试验的主要目的是正确的整定发电机中性点消弧线圈的调谐参数，即正确的确定消弧线圈分接头使用位置；同时也为继电保护提供有关参数，例如正常运行时发电机中性点位移电压就是定子单相接地保护的基础值等。而且进一步验证消弧线圈容量是否满足要求。试验的主要项目是测量不同运行方式下发电机单相接地电容电流和中性点位移电压值。对于具体的试验步骤尚须根据现场实际情况制订试验方案。方案中还要明确试验中有关机组转速、励磁调节器使用以及继电保护使用等内容。在本节中主要是介绍试验的结线图、试验中应注意的有关问题和要求。实测发电机单相接地电容电流和中性点位移电压值有许多方法，例如单相金属接地法、中性点外加电压法，改变消弧线圈分接头位置测量中性虫位移电压进行电容电流估算等等。由于在水电厂有条件利用发电机零起升压进行试验，因此本节重点介绍采用单相金属接地法的测量方法。2、一般试验结线图以B相接地为例，试验结线图见图5-1。YH2 K2 F K1AN C XH BLH2 YH1 LH1 V0 A2 V2 V1 A1图5-1 试验结线图图中：F发电机XH消弧线圈YH1发电机出口电压互感器YH2外接试验用电压互感器（也可用静电电压表）LH1接在B相接地线上测量发电机单相接地电流试验用电流互感器LH2测量消弧线圈电流的电流互感器V1、V2分别为测量发电机UAB、UBC电压的电压表V0测量发电机中性点位移电压UN的电压表A1测量B相接地电流的电流表A2测量消弧线圈电流的电流表在现场试验中有时还可以接入功率表，以测量系统的阻尼率，但一般在电厂可不测。有时可接入示波器，录取接地电流的波形，了解三次谐波分量的情况。3、试验要点及注意事项（1）首先进行发电机中性点不接入消弧线圈的试验。（A）在发电机出口刀闸K1在切开的状态下，发电机零起升压至发电机相间电压不超过额定相电压时，测量发电机中性点对地位移电压（也就是中性点不对称电压）。而后将此电压按线性规律换算到发电机相间电压为额定线电压下的中性点位移电压UN=UPD。通常要求测量并经换算后的UN应不大于额定相电压的5%。（B）测量发电机单相接地电容电流。在发电机母线B相接入单相金属接地线。发电机零起升压，逐渐升至发电机未接地相的相间电压（如UAB=UBC）不超过额定相电压。在升压过程中可读取34点B相接地电流值。而后根据线性规律，换算到相间电压为额定线电压时的发电机单相接地电容电流值IDC。这里要特别说明：在第（A）项、（B）项中，我们都强调了递升加压试验时发电机相间电压不超过额定相电压，例如发电机额定线电压为Ue=10500V，则试验中所加的最大相间电压应不超过额定相电压UX=10500/3 =6062V。这主要是考虑发电机单相接地电容电流试验是一项非破坏性试验，控制相间电压不超过额定相电压，也就防止电压过高击穿绝缘。有时为了进一步准确起见，也可以A、B、C三相分别单相金属接地，做三次，取三次的平均值作为发电机单相接地电容电流值，即： （51）（2）其此在接入中性点消弧线圈情况下试验根据上述实测结果并换算到发电机相间电压为额定线电压下的发电机单相接地电容电流值IDC，可以按照过补偿方式，并使残流不超过防止电力生产重大事故的二十五项要求的表11-1中规定的允许值来初步确定消弧线圈的分接头位置。而在此位置进行试验。（A）在发电机出口刀闸K1切开，消弧线圈刀闸K2合上的情况下，发电机递升加压至发电机相间电压不超过额定相电压，测量发电机中性点位移电压。而后可按线性关系，将此实测值换算到发电机相间电压为额定线电压下的中性点位移UN。通常要求此UN值应不大于额定相电压的15%。如果超过15%的额定相电压，则要对消弧线圈在残流不超过允许值的条件下再选择一个合适的分接头。分接头调整后，再进行一次递升加压测量，如果符合要求，则确定为工作位置。一般来说，如果发电机中性点尚未接入消弧线圈时，中性点位移电压UN（即中性点不对称电压UPD）不大于额定相电压的2%，在接入消弧线圈后能够选择到一个合适的分接头工作位置。往往是由于发电机系统三相对地电容不平衡，相差较大，则给消弧线圈调整带来困难，这时需要研究如何实现发电机系统三相对地电容比较平衡的问题。在电力网中，则要采取线路换位，或者在变电所换位等措施来解决。实际上在现场进行了以上的工作就可以按照上述的试验结