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選擇性發電機定子單相接地保護方案研究

  【摘 要】本文分析了發電機發生單相接地故障前后機端側及中性點側相電流變化量,提出一種基于故障電阻測量的選擇性定子單相接地保護,通過計算各機組故障后的計算電阻,來判斷單相接地點是否在本發電機定子繞組內部,實現100%定子單相接地保護。 
  【關鍵詞】發電機;定子接地保護;選擇性;電阻測量 
  0 前言 
  定子繞組對地(鐵心)絕緣的損壞將引發單相接地故障,這是定子繞組最常見的電氣故障。由于發電機中性點是不接地的或經高阻抗接地的,所以定子單相接地故障并不引起大的故障電流,相應的定子接地保護通常只發信號,經轉移負荷后平穩停機。目前很多研究應用在多臺發電機機組并聯運行故障時的故障機組的判斷上時存在一定的不足,無法正確判斷出故障機組。逐臺機組去排除,不僅會延長故障時間,還會導致很大經濟損失。本文對現有的各種保護方法進行分析,分析并聯運行的發電機定子繞組單相接地故障引起的機端及中性點相電流變化特點,進行發電機定子單相接地保護方案設計,使用Matlab來實現接地保護算法,進行仿真分析。 
  1 基于故障電阻測量的選擇性定子單相接地保護 
  1.1 定子繞組單相接地故障前正常運行時相電流的分析 
  1.2 定子繞組單相接地故障時相電流的分析 
  故障發電機故障相相電流變化量大于非故障發電機相電流變化量和故障發電機的非故障相相電流變化量。對于發電機定子單相接地故障,相電流變化量會隨發電機定子接地點位置不同而改變,且當發電機定子在靠近中性點附近發生單相接地時(即α趨于0時),相電流變化量基波分量數值很小(趨于0)。通過分析發現,當發電機發生定子單相接地故障時,故障相相電流變化量大,而非故障發電機各相和非故障相相電流變化量較小,因此可以利用此區分故障發電機。 
  1.3 基于故障電阻測量的接地保護原理 
  1.3.1 保護啟動 
  通過在線監測并連續計算并列運行的發電機中性點側和機端側的零序電壓有效值。當大于電壓整定值U0set時,判定系統發生接地故障,啟動保護判斷。啟動判據為: 
  由于發電機發生定子單相接地故障時(設故障相為A相),故障點的零序電壓為: 
  因此在中性點附近發生定子單相接地時,α趨于0,零序電壓也趨于0,此時保護不會啟動,存在死區,由于設計時間有限,僅對零序電壓保護啟動判據進行分析和研究,故不能實現定子100%接地保護。 
  1.3.2 保護判據 
  對地計算電阻進行接地故障檢測,采用發電機的對地計算電阻值與整定值比較,如果發電機對地計算電阻小于該發電機的整定值(Rf  所以保護判據為: 
  發電機計算電阻整定值按需要保護的最大高阻接地故障電阻值乘以一大于1的靈敏系數確定。當發電機發生定子單相接地故障時,故障發電機故障相相電流變化量大,而非故障發電機各相和故障發電機非故障相相電流變化量較小,因此可以利用此區分故障發電機。通過發電機的對地計算電阻值與整定值比較進行故障機組的判斷。 
  2 仿真波形及結果分析 
  采用EMTP仿真,以三臺發電機并列運行為例。各項參數取值如下:各發電機額定電壓均為13.8kV,各發電機每相對地電容分別為0.577μF、0.560μF、0.560μF,發電機外部系統每相總電容0.15μF。以發電機中性點不接地為例,根據故障點位置(按照從機端到中性點側的順序,即α的取值分別為1.00、0.50、0.00三種定子繞組單相接地位置)、故障電阻Rf(低阻5?贅和高阻1000?贅)等不同情況,分別進行仿真測試。 
  2.1 仿真波形 
  圖2、6為發電機1定子單相接地故障(C相)前后零序電壓變化波形圖,從圖3到圖5和圖7到圖9為發電機1定子繞組C相發生單相接地時,發電機1、2的計算電阻波形圖。由于此時對于發電機2和3屬于外部故障,為了簡化分析的過程,只畫出發電機1和2的測量電阻波形圖。圖10和圖11為發電機外部系統發生接地故障時的波形圖。Rf1為發電機1的計算電阻,Rf2為發電機2的計算電阻。 
  2.1.1 定子繞組經低阻接地時仿真波形圖 
  2.1.2 定子繞組經高阻接地時仿真波形圖 
  2.1.3 發電機外部系統接地時仿真波形圖 
  2.2 仿真結果分析 
  3 結論 
  本文提出一種新的有選擇性的定子接地保護方案,即利用測量電阻法,比較各發電機的計算電阻而構成的定子單相接地保護原理。分析了三臺發電機供電系統在正常運行和定子接地故障時相電流變化量的基波分量的大小,并提出了保護的啟動判據和保護判據。通過分析發現,故障發電機的計算電阻為一有限值(接近于接地電阻大小的值),而非故障發電機的計算電阻為一很大的值,可以區分故障發電機,實現有選擇性的定子單相接地保護,且易于工程實現。 
  當定子單相接地故障發生在中性點附近時,零序電壓趨于零,保護不能啟動,保護存在死區;且低阻接地時,由于故障相電壓值很小,是保護判據存在死區。發電機外部系統接地故障時,對于三臺發電機來說均屬于外部故障,故此時三臺發電機的計算電阻均為較大的值(相對于接地電阻來說),故該保護具有較高的可靠性。 
  【參考文獻】 
  [1]畢大強.大型水輪發電機定子繞組單相接地故障及保護方案的研究[D].北京:清華大學,2003:2-10. 
  [2]王維儉.發電機變壓器繼電保護應用[M].北京:中國電力出版社,1998:83-115. 
  [3]王媛媛.小電流接地系統接地保護方法研究[D].長沙:長沙理工大學,2006. 
  [責任編輯:龐修平]



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