扩大单元接线发电机定子接地保护方案

陈 俊,沈全荣

(南京南瑞继保电气有限公司,江苏省南京市211100)

摘要:指出现有定子接地保护应用于扩大单元接线方式发电机上的不足,提出基于零序方向元件的选择性定子接地保护方案。采用发电机机端零序电流、接地变压器二次侧电流以及发电机零序电压构造零序方向元件,零序方向元件的动作边界可灵活整定,能够准确判断发电机区内、区外单相接地故障。该方案已应用到微机型发电机保护装置中,现场模拟试验结果证明了该方案的有效性和可靠性。

关键词:定子接地保护;扩大单元;零序方向判据;接地变压器中图分类号:TM 772

收稿日期:2006-06-07;修回日期:2007-08-02。

0 引言

定子绕组单相接地是发电机最常见的一种故障形式,现有的定子接地保护原理有基波零序电压原理、基波零序电流原理、3次谐波电压原理以及外加电源原理等[1-3],这些原理在现场得到广泛应用,积累了大量的运行经验。但是对于采用两机一变或三机一变的扩大单元接线方式的发电机,以上原理存在着无选择性或选择性差的问题:¹基波零序电压原理、三次谐波电压原理以及外加电源原理,在扩大单元接线方式的任一台发电机发生接地故障时,并联运行的所有发电机的定子接地保护均将动作(无

选择性)[4]

;º发电机机端零序电流定子接地保护原理,只在系统对地电容远大于发电机定子对地电容的情况下才具有选择性,其适用性不强。

本文提出了一种基于零序方向判别的选择性定子接地保护方案,以发电机零序电压作为动作判据,以零序方向元件判断接地故障点的范围,可准确识别发电机区内、区外单相接地故障,克服了现有定子接地保护原理在扩大单元接线机组上无选择性的不足,避免了并联运行的非定子接地故障发电机误跳闸。现场模拟试验结果验证了该方法的有效性。

1 保护原理

以图1所示的两机一变为例,分析扩大单元接线方式发电机区内、区外单相接地故障时的电气量特征。

为便于分析,假设每台发电机的容量、定子绕组对地电容、机端电缆对地电容、接地变压器的变比及

其二次负载电阻值均相同。设发电机定子绕组每相对地电容为C g ,机端电缆每相对地电容为C l ,母线每相对地等效电容为C B ,接地变压器二次负载电阻为R n ,接地变压器变比为N ,接地变压器二次负载

电阻折算到一次侧的阻值为R N =N 2

R n

。

图1 两机一变扩大单元接线方式

Fig.1 Generators connected as expanding unit

111 接地变压器二次负载电阻的设计原则

为抑制间歇性单相接地故障重燃弧引起的尖峰过电压,使其小于216倍的相电压峰值,接地变压器二次负载电阻折算到一次侧后的阻值应不大于发电机定子侧系统对地电容的容抗[4]。

对于扩大单元接线方式,发电机中性点接地变压器二次负载电阻的选取应按仅1台发电机并网运行的情况考虑:

R N [13X (C g +C l +C B )

(1)

设计中通常取R N =1

3X (C g +C l +C B )

。

112 发电机定子接地故障的零序等值电路

假设图1中发电机G1发生定子接地故障,接地故障点位于定子绕组A 相距中性点A 处,接地过渡电阻为R f ,定子绕组的对地电容分布均可等效地各以015C g 集中于发电机机端和中性点,其零序等值电路如图2所示。分析过程中,忽略了接地变压

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第31卷 第24期

2007年12月25日

V ol.31 N o.24Dec.25,2007

器的漏阻抗和励磁阻抗,所有电流、电压均为一次

值。

图2 发电机G1定子接地故障时的零序等值电路

Fig.2 Zero -sequence equivalent circuit of

stator earth fault

只有1台发电机并网运行(QF1处于合闸状态,QF2处于断开状态),发电机区内单相接地故障时,机端零序电流表达式为:

3I #

0=U #

0j3X (C l +C B )(2)

2台发电机均并网运行(QF1和QF2均处于合闸状态),发电机区内单相接地故障时,机端零序电流表达式为:

3I #0=U #

01R N

+j3X (2C l +C g +C B

)

(3)接地变压器一次侧电流为:

I #

t0=U #

R N

(4)

将机端零序电流和接地变压器一次侧电流叠

加,构造如下合成零序电流I

#02

:

I #

2=3I #

0+I #

t0=

U #

01

R N +j3X (C l +C B

)

1台发电机U #02R N

+j3X (2C l +C g +C B )

2台发电机

(5)

由式(5)结合接地变压器二次负载电阻的设计原则可知,发电机区内单相接地故障时,一次合成零序电流超前零序电压0b ~45b 。113 发电机区外单相接地故障的零序等值电路

母线上发生单相接地故障时的零序等值电路如图3所示。

图3 发电机G1区外单相接地故障时的零序等值电路

Fig.3 Zero -sequence equivalent circuit of

network earth f ault

由图3可得,发电机区外单相接地故障时,无论

几台发电机并网运行,机端零序电流表达式均相同:

3I #0=-U #

01

R N +j3X C g (6)

同样,将机端零序电流和接地变压器一次侧电流叠加,构造如下合成零序电流I

#02

:

I #02

=3I #

0+I #

t0=U #

0(-j3X C g )(7)

由式(7)可知,发电机区外单相接地故障时,一次合成零序电流滞后零序电压90b 。114 接地变压器二次侧TA 变比的选择

以上分析均是采用一次电流和一次电压,而接入微机保护装置的是经过电流互感器(TA )和电压互感器(TV)传变的二次电流和二次电压,要使以上结论适用于二次值,接地变压器二次侧TA 与发电机机端零序T

A 的变比应满足一定的关系。设发电机机端零序T A 的变比为n 1,接地变压器的变比为N ,则接地变压器二次侧T A 的变比n 2应为N n 1。如果接地变压器二次侧TA 变比不满足该设计原则,则发电机区内、区外单相接地故障时,二次合成零序电流与零序电压的相位关系将与前面的分析结果有所不同。115 零序方向元件的整定

如图4所示,零序方向元件只需整定动作边界1和动作边界2,整定时应兼顾1台发电机单独运行和2台发电机并联运行2种工况。

图4 零序方向元件的动作特性

Fig.4 Operating characteristic of zero -sequence

direction criterion

由式(5)可分别计算出1台发电机单独运行和2台发电机并联运行时,发电机区内接地时合成零序电流超前零序电压的角度U 1和U 2:

U 1=arctan (3X (C l +C B )R N )(8)

U 2=arctan 3X (2C l +C B +C g )R N

2

(9)

定义U =(U 1+U 2)/2,称之为零序方向元件的灵敏角。

假设整定零序方向元件的动作范围为2H ,则可得零序方向元件的动作边界1和边界2的整定值分

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#工程应用# 陈 俊,等 扩大单元接线发电机定子接地保护方案

别为U -H 和U +H 。动作边界1与区外单相接地故障灵敏角之间应留有一定的裕度,确保区外单相接地故障时,零序方向元件不会误开放。

按照以上原则整定,即可明确判断发电机区内、区外单相接地故障,满足扩大单元接线发电机定子接地保护动作选择性的要求,避免并联运行的非定子接地故障发电机误停机。

2 试验验证

211 试验情况

为验证本文中零序方向元件的正确性,2007年1月,在某水电站两机一变机组上进行了模拟接地试验。试验接线如图5所示,将发电机机端零序TA 二次电流与接地变压器二次侧T A 二次电流并接后接入保护装置,零序电压由接地变压器二次负

载电阻分接抽头上抽出。

图5 现场定子接地试验接线Fig.5 Simulation testing system of

generator stator earth fault

试验机组的相关参数如下:发电机单机容量35MW,每相对地电容018667L F,发电机电缆每相对地电容0107839L F,母线每相对地电容019L F,发电机中性点接地变压器电压变比(1015kV/11732)/230V,接地变压器二次负载电阻01838,T A0变比60A/1A,TA1变比280A/0112A 。

发电机的定子出线端设置单相接地点,模拟发电机区内单相接地故障,在TA0与并网开关之间设置单相接地故障点,模拟发电机区外单相接地故障。为了保证接地试验不对发电机及电网构成威胁,试验在一台未并网的发电机上进行,先在停机状态下设置好接地故障点,启动机组至空载,手动投励磁,递升励磁电流,直到发电机零序电压超过保护定值,检验保护的动作行为。多次接地试验结果表明,区内单相接地故障时定子接地保护可靠动作,区外单相接地故障时定子接地保护可靠闭锁。

212 试验结果分析

图5中T A1变比不满足114节的设计原则,发电机区内、区外单相接地故障时,二次合成零序电流与零序电压之间的相位关系需根据现场TA 变比重新计算。

发电机区内单相接地故障和区外单相接地故障时,二次合成零序电流I

#02

c 为:

I #

02c =3I #

0n 1+I #t0N

n 2

=

01678R N

+j3X C l U #

060区内

-01332R N

+j3X C g U #060

区外

(10) 由式(10)可计算得到发电机区内、区外单相接地故障时,I #

02c 与U #

0的理论计算相位差分别为2143b 和23417b 。

试验过程中,发电机区内单相接地故障时,保护装置实测合成零序电流和零序电压之间的相位差为6b ;发电机区外单相接地故障时,该相位差为239b 。考虑系统不平衡负载、接地变压器漏阻抗以及接地变压器励磁阻抗的影响,理论分析结果与模拟试验结果基本相吻合,进一步验证了本文零序方向元件的正确性。

3 结语

本文提出了基于零序方向元件的选择性定子接地保护方案,将接地变压器二次侧电流与发电机机端零序电流叠加后再与零序电压构成零序方向元件,接地变压器二次侧电流的引入,有利于提高区内单相接地故障时零序方向元件的灵敏度。合理整定零序方向元件的动作边界1和边界2,即可准确判断发电机区内、区外单相接地故障。该方案已成功应用到RCS -985S 发电机保护装置中,很好地解决了扩大单元接线方式发电机定子接地保护选择性的问题。该原理即将在国内某水电站三机一变接线方式的15台灯泡贯流机组上投入使用。

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W ANG Weijian.Th e th eory and application of electric main

equipm ents protection.2nd ed.Beijing:China E lectric Pow er Pr ess ,1996.

陈 俊(1978)),男,硕士,工程师,主要从事电气主设

备微机保护的研究和开发工作。E -mail:chenj@nar-i r elays.com

沈全荣(1965)),男,硕士,研究员级高级工程师,主要从事电力系统继电保护的研究、开发和管理工作。

Study on Stator Earth Fault Protection of Generator Connected as Expanding Unit

CH EN J un,S H EN Quanrong

(Nanjing N A RI -Relays Electric Co Ltd,Nanjing 211100,China)

Abstract:A novel selective stato r earth fault pro tection based on zer o -sequence dir ect ion element is pr oposed,w hich can

over co me the sho rtag e of stator ear th fault prot ection applied t o g enerator co nnected as ex panding unit.In the pro posed alg or ithm,the zer o -sequence direction criter ion is calculated w ith zero -sequence curr ent of g ener ator ter minal,the seco ndary cur rent of neutral ear thing transformer and zero -sequence vo ltag e of g enerat or,and it s operating bo rder can be set flex ibly.T he pr esented cr iter ion can differ entiate betw een a netw or k earth fault and a g ener ator stato r earth fault ex actly ,which has been realized in digital g ener ator pr otectio n.Experiment r esults show it s v alidit y and r eliability.

Key words:stato r ear th fault protection;ex panding unit;zero -sequence dir ection criterio n;neutr al ear thing tr ansfor mer

(上接第66页 continued fr om page 66)

[13]王增平,刘浩芳,徐岩,等.基于改进型相关法的单相自适应重

合闸判据.中国电机工程学报,2007,27(10):49-55.

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the integrated criterion for single -p has e reclos ure of EH V transmis sion lines w ith out shunt r eactors//Proceedings of 2006

China

International

Conferen ce

on

Electricity

Distribu tion ,Sep 17-20,2006,Beijing,China.

刘浩芳(1970)),女,博士,研究方向为超高压及特高压

输电线路保护。E -mail:liuhaofang66@y aho o.co m.cn

王增平(19)),男,教授,博士生导师,研究方向为电力系统自动化、继电保护、变电站综合自动化等。

刘俊岭(1974)),男,工程师,主要从事电力系统通信及保护系统的设计与研究工作。

A New Criterion for Single -phase Adaptive Reclosure of Shunt Reactor C ompensated EHV Transmission Lines

L I U H aof ang 1,W A N G Zengp ing 2,LI U J unling 3

(1.China Elect ric P ow er Research Institut e,Beijing 100085,China)(2.N orth China Electric Pow er U niv ersity ,Beijing 102206,China)(3.Sheng li Engineer ing &Co nsult ing Co L td,Dong ying 257026,China)

Abstract:When a tempo rar y single -phase fault occurs on shunt reactor compensated EH V or U HV tr ansmissio n lines,the voltage o f the opened phase co nducto r and the cur rent of t he shunt r eactor contain resonant component and pow er f requency co mpo nent aft er the secondar y arc is ex tinguished.W hile for a per manent sing le -phase fault,the abov e vo ltag e and current only co nt ain pow er fr equency co mpo nent.Based o n the analysis o f the cir cuit in w hich the faulted phase is o pened,the method o f calculating the resonant frequency is deduced.A new criter ion based o n the o rthog onality of sine functions is proposed to detect the r esonant component and det ermine the fault natur e quickly.T he pr oposed cr iter ion can reduce t he t ime to dist inguish betw een permanent and tempo rar y faults.T he cr iter ion is simple with hig h sensit ivity.Simulation results show t hat the pr oposed co nclusio ns ar e co rr ect.

Key words:EH V transmission line;adaptiv e auto matic reclo sur e;tempor ary fault;permanent fault;or thog onalit y;curr ent o f shunt reactor

#工程应用# 陈 俊,等 扩大单元接线发电机定子接地保护方案