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發(fā)電機(jī)單相接地過(guò)電壓保護(hù)原理及電流允許值
發(fā)布時(shí)間:2024-04-01 10:19:33  ▏閱讀:

 

新聞主題

發(fā)電機(jī)單相接地保護(hù)及電流允許值

 

摘要:發(fā)電機(jī)定子繞組中性點(diǎn)一般不直接接地,而是通過(guò)高阻(接地變壓器)接地、消弧線圈接地或不接地,故發(fā)電機(jī)的定子繞組都設(shè)計(jì)為全絕緣。盡管如此,發(fā)電機(jī)定子繞組仍可能由于絕緣老化、過(guò)電壓沖擊或者機(jī)械振動(dòng)等原因發(fā)生單相接地故障。由于發(fā)電機(jī)定子單相接地并不會(huì)引起大的短路電流,不屬于嚴(yán)重的短路性故障。

 

一、發(fā)電機(jī)接地故障原因和處理

 

1、發(fā)電機(jī)的短路故障類型

      發(fā)電機(jī)定子的短路故障形成雖比較復(fù)雜但常與單相接地有關(guān)。短路故障形成大體歸納起來(lái)主要有五種情況:

(1)發(fā)生單相接地,然后由于電弧引發(fā)故障點(diǎn)處相間短路;

(2)發(fā)生單相接地,然后由于電位的變化引發(fā)其他地點(diǎn)發(fā)生另一點(diǎn)的接地,從而構(gòu)成兩點(diǎn)接地短路;

(3)直接發(fā)生線棒間絕緣擊穿形成相間短路;

(4)發(fā)電機(jī)端部放電構(gòu)成相間短路;

(5)定子繞組同一相的匝間短路故障。

 2、故障原因分析

      由于發(fā)電機(jī)容易發(fā)生繞組線棒和定子鐵芯之間絕緣的破壞,因此定子繞組單相接地是發(fā)電機(jī)常見(jiàn)的故障之一。尤其是采用水內(nèi)冷的大型發(fā)電機(jī),定子繞組發(fā)生接地故障的幾率多于相間短路和匝間短路,約占定子故障的70%~80%。盡管發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)不直接接地,單相接地電流很小,但若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),接地點(diǎn)電弧將進(jìn)一步損壞繞組絕緣,擴(kuò)大故障范圍。電弧還可能燒傷定子鐵芯,給修復(fù)帶來(lái)很大困難。由于大型發(fā)電機(jī)組定子繞組對(duì)地電容較大,當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端附近發(fā)生接地故障時(shí),故障點(diǎn)的電容電流比較大,影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行;同時(shí)由于接地故障的存在,會(huì)引起接地弧光過(guò)電壓,可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)其他位置絕緣的破壞,形成危害嚴(yán)重的相間或匝間短路故障。

      顯然,定子繞組絕緣損壞及鐵芯燒傷程度與接地電流大小及持續(xù)時(shí)間有關(guān)。表1列出了不同容量發(fā)電機(jī)的接地電流允許值。大型發(fā)電機(jī)定子鐵芯增加了軸向冷卻通道,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,檢修很不方便。因此,其接地電流允許值較小。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子接地電流大于允許值時(shí),應(yīng)采取補(bǔ)償措施。在發(fā)電機(jī)接地電流不超過(guò)允許值的條件下,定子接地保護(hù)只動(dòng)作于信號(hào),待負(fù)荷轉(zhuǎn)移后再停機(jī)。

表1   發(fā)電機(jī)定子接地電流允許值

發(fā)電機(jī)額定電壓(kV)
發(fā)電機(jī)額定容量(MW)
接地電流允許值(A)
6.3
≤50
4
10.5
50~100
3
13.8~15.75
125~200
2
18~20
300
1

3、故障判斷方法

(1)電阻比較法

      如圖1所示?;陔娮璞容^法的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)“內(nèi)外”部故障判別方法,具體是一種能夠快速判別發(fā)電機(jī)定子接地“內(nèi)部故障”和“外部故障”方法。是根據(jù)故障零序電壓計(jì)算出的機(jī)端接地電阻與實(shí)際故障接地電阻進(jìn)行比較,并結(jié)合發(fā)電機(jī)非電量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

(2)故障定位法

      大型凸極發(fā)電機(jī)定子單相接地故障的定位方法,如圖2所示。

① 測(cè)量故障發(fā)電機(jī)的三相電壓以及零序電壓;

② 比較三相電壓的幅值,將電壓最低相判別為故障相;

③ 利用發(fā)電機(jī)的三相電壓計(jì)算故障相電勢(shì);

④ 計(jì)算零序電壓突變量,并計(jì)算零序電壓突變量和故障相電勢(shì)間的相位角;

⑤ 利用故障點(diǎn)接地電阻和零序電壓突變量確定故障點(diǎn)位置。

4、解決方案

(1)大型發(fā)電機(jī)由于造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、檢修困難,且容量的增大使得其接地故障電流也隨之增大,為了防止故障電流燒壞鐵芯,有的裝設(shè)了消弧線圈,通過(guò)消弧線圈的電感電流與接地電容電流的相互抵消,把定子繞組單相接地電容電流限制在規(guī)定的允許值之內(nèi)。

(2)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用高阻接地方式(即中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接地,配電變壓器的二次側(cè)接小電阻)的主要目的是限制發(fā)電機(jī)單相接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓,防止暫態(tài)過(guò)電壓破壞定子繞組絕緣,但另一方面也人為地增大了故障電流。因此采用這種接地方式的發(fā)電機(jī)定子繞組接地保護(hù)應(yīng)選擇盡快跳閘。

(3)對(duì)于中小型發(fā)電機(jī),由于中性點(diǎn)附近繞組電位不高,單相接地可能性小,故允許定子接地保護(hù)有一定的保護(hù)死區(qū)。對(duì)于大型機(jī)組,因其在系統(tǒng)中的地位重要,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,修復(fù)困難,尤其是采用水內(nèi)冷的機(jī)組,中性點(diǎn)附近繞組漏水造成單相接地可能性大。因此,要求裝設(shè)動(dòng)作范圍為100%的定子繞組單相接地保護(hù)。

 

發(fā)電機(jī)接地故障電阻比較法.png

圖1  發(fā)電機(jī)接地故障電阻比較法

發(fā)電機(jī)定子單相接地故障定位法.png

圖2  發(fā)電機(jī)定子單相接地故障定位法

 

二、選擇接地方式的因素

 

1、與電力系統(tǒng)的關(guān)系

      消弧線圈接地減小了接地故障點(diǎn)的故障電流,消除了間歇電弧引起的過(guò)電壓,允許發(fā)電機(jī)組帶故障繼續(xù)運(yùn)行2h,便于組織搶修或減負(fù)荷停機(jī),從而避免或減小對(duì)系統(tǒng)的沖擊和對(duì)用戶的影響。

      我國(guó)早期電力發(fā)展滯后,電力網(wǎng)小,單機(jī)所占比重較大,單機(jī)突然切除對(duì)電網(wǎng)沖擊大,嚴(yán)重影響用戶負(fù)荷。采用消弧線圈接地上述優(yōu)點(diǎn)是明顯的,是與我國(guó)的電力系統(tǒng)狀況相適應(yīng)的。改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)電力系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展,盡管單機(jī)容量越來(lái)越大,但其容量占所接入的系統(tǒng)容量比重卻相對(duì)較小,單機(jī)故障保護(hù)動(dòng)作于發(fā)信、轉(zhuǎn)移負(fù)荷盡快停機(jī)或跳閘、滅磁瞬時(shí)停機(jī),對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生沖擊或沖擊很小,同時(shí)由于系統(tǒng)備用容量較大,不會(huì)切除系統(tǒng)用戶。特別是近年來(lái)電廠(站)自動(dòng)化水平大大提高,采用“無(wú)人值班,少人值守”進(jìn)行設(shè)計(jì)的電站已成為現(xiàn)實(shí)。采用消弧線圈延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行己沒(méi)有必要。

      采用接地變壓器接地,由于接地故障電流大于消弧線圈接地,單機(jī)故障保護(hù)動(dòng)作于發(fā)信、轉(zhuǎn)移負(fù)荷盡快停機(jī)或跳閘、滅磁瞬時(shí)停機(jī),目前的電力系統(tǒng)是允許的,從而為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地多提供了一種選擇方式。由此看來(lái),電力系統(tǒng)是影響發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式選擇的一個(gè)主要因素。

      僅就滿足系統(tǒng)要求來(lái)看,無(wú)法確定兩種接地方式孰優(yōu)孰劣。

2、與制造生產(chǎn)的關(guān)系

      由于消弧線圈在我國(guó)已有多年的運(yùn)行歷史,生產(chǎn)制造不成問(wèn)題。但在電站采用接地變高阻接地的方式呈上升趨勢(shì),發(fā)電機(jī)組用戶采用這種接地方式的也為數(shù)不少案例。理論和實(shí)踐均已證明采用消弧線圈和接地變都是可行的。

      由于利用了變壓器短時(shí)過(guò)載特性,變壓器容量?jī)H為相應(yīng)消弧線圈容量的1/3~1/6。同時(shí)接地變不像消弧線圈需調(diào)節(jié)分接頭,制造較簡(jiǎn)單。因而接地變較消弧線圈應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)的。但接地變多在大中型機(jī)組選用,使用數(shù)量小,生產(chǎn)廠家較少。又由于訂貨數(shù)量小,廠家不愿意接受,生產(chǎn)模具設(shè)計(jì)制造一套成本高,接地變及保護(hù)裝置要價(jià)也就較高,限制了推廣使用。當(dāng)然,事實(shí)上能否做到經(jīng)濟(jì),取決于今后的接地方式發(fā)展實(shí)踐。接地方式的選擇不是一個(gè)純技術(shù)的問(wèn)題,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也很重要。

      接地變?nèi)萘啃?,可以和保護(hù)繼電器放在一個(gè)箱體內(nèi),占地面積小,便于布置,這在水電站也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

      從制造生產(chǎn)來(lái)看,兩種接地裝置都可生產(chǎn),就一般容量為中小型機(jī)組看,設(shè)計(jì)選用接地變接地還不容易讓業(yè)主接受,選廠較難一些。

      在我國(guó),較大型機(jī)組的中性點(diǎn)接地,不少設(shè)計(jì)單位尊重發(fā)電機(jī)廠意見(jiàn),或由主機(jī)廠設(shè)計(jì),配套供貨。所以發(fā)電機(jī)廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣也是影響發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式選擇的因素。

 

三、過(guò)電壓和保護(hù)問(wèn)題

 

1、過(guò)電壓分析

      過(guò)電壓是兩種接地方式都不能回避的問(wèn)題,一般分動(dòng)態(tài)過(guò)電壓和傳遞過(guò)電壓及諧振過(guò)電壓,發(fā)電機(jī)接地時(shí)電壓相量圖如圖3所示。耦合傳遞過(guò)電壓和直接傳遞過(guò)電壓,只要設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)取得適當(dāng),能滿足繼電保護(hù)的要求,對(duì)設(shè)備不會(huì)構(gòu)成威脅。當(dāng)回路容抗和感抗接近時(shí),如果發(fā)生單相接地或斷路器不同期操作,會(huì)在發(fā)電機(jī)相接的變壓器或電壓互感器之間出現(xiàn)諧振過(guò)電壓,危及發(fā)電機(jī)絕緣。但實(shí)際發(fā)生的機(jī)率很小,尚未發(fā)現(xiàn)因采用消弧線圈產(chǎn)生危險(xiǎn)過(guò)電壓的實(shí)例。

      已有的動(dòng)態(tài)過(guò)電壓研究結(jié)果是基于暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行的,對(duì)其結(jié)果的認(rèn)識(shí)也不一致。圖4中曲線是GE公司P.G.Brown等人研究的結(jié)果,曲線是我國(guó)清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,曲線3是美國(guó)M.V.Hadded等人研究的結(jié)果。上述條曲線都是對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈接地的情況,當(dāng)發(fā)生單相故障時(shí)發(fā)生重燃,甩負(fù)荷等條件下,頻率偏離工作頻率時(shí)最大暫態(tài)過(guò)電壓。由于是全補(bǔ)償,電感和電容處于諧振狀態(tài),故稱諧振接地。所不同的是,P.G.Brown等人用純電感模擬消弧線圈,M.V.Hadded等人計(jì)入了消弧線圈的有功損耗電阻,我國(guó)清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)計(jì)入了消弧線圈的有功損耗電阻,同時(shí)采用了分布參數(shù)計(jì)算模擬。曲線為接地變高阻接地時(shí)的最大暫態(tài)過(guò)電壓。

      從圖4中可以看到,由于忽略消弧線圈的電阻成分,過(guò)電壓倍數(shù)較高。正如研究者所述,試驗(yàn)結(jié)果偏高,僅用作兩種接地方式的比較。消弧線圈接地實(shí)際暫態(tài)過(guò)電壓一般不超過(guò)正常值的3倍。

      接地變高阻接地,由于電阻值較大,回路阻尼率增大,避免了諧振過(guò)電壓的出現(xiàn),保證暫態(tài)過(guò)電壓不超過(guò)2.6倍正常工作電壓。從圖中可以看到,高阻接地的過(guò)電壓倍數(shù)在2.5左右。

      有人認(rèn)為,正常頻率下消弧線圈接地過(guò)電壓小于接地變高阻方式下的過(guò)電壓,所以消弧線圈接地優(yōu)于接地變高阻接地,其實(shí)不然。首先,接地變本身也含電感成分,不知實(shí)驗(yàn)研究者計(jì)入此成分否,如果沒(méi)計(jì)入,就不能斷定額定頻率下接地變高阻接地過(guò)電壓高。其次,額定頻率下諧振接地過(guò)電壓低是在單相接地故障條件下的結(jié)論,并非長(zhǎng)期運(yùn)行的工作狀態(tài),持續(xù)時(shí)間短,追求較低的過(guò)電壓意義不大。相反,由于甩負(fù)荷等,頻率偏移較大,可以看出,當(dāng)頻率偏移時(shí),消弧線圈接地遠(yuǎn)較接地變高阻接地過(guò)電壓為大。

      從上述過(guò)電壓分析看,消弧線圈接地比接地變高阻接地要差一些,至少不比高阻接地方式優(yōu)越。實(shí)際我國(guó)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈接地都采用欠補(bǔ)償,沒(méi)有上述研究曲線針對(duì)的諧振接地情況,所以就過(guò)電壓看,還不能斷言哪種接地方式一定優(yōu)于另一種接地方式。 

 

發(fā)電機(jī)接地時(shí)電壓向量圖.png

圖3  發(fā)電機(jī)接地時(shí)電壓向量圖

發(fā)電機(jī)諧振接地和高阻接地的暫態(tài)過(guò)電壓.png

圖4  發(fā)電機(jī)諧振接地和高阻接地的暫態(tài)過(guò)電壓

 

2、發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)問(wèn)題

(1)重復(fù)接地的必要性

      重復(fù)接地是為了保證發(fā)電機(jī)的安全可靠地運(yùn)行,避免因接地故障引起系統(tǒng)故障、設(shè)備損壞及人身傷害等問(wèn)題,接線方式如圖5所示。在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中,如果沒(méi)有進(jìn)行重復(fù)接地,則可能會(huì)存在以下問(wèn)題:

① 不易發(fā)現(xiàn)接地故障。如果發(fā)生接地故障,沒(méi)有進(jìn)行重復(fù)接地,則地故障電流無(wú)法形成回路,也就無(wú)法引起保護(hù)裝置的動(dòng)作。在沒(méi)有額外的保護(hù)措施下,接地故障難以檢測(cè)和排除,可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。

② 危及人身安全。如果發(fā)電機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有重復(fù)接地,則當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),電流將會(huì)通過(guò)電容電流的方式回路到地,形成觸電危險(xiǎn)。如果此時(shí)人員接觸發(fā)電機(jī)設(shè)備,可能造成電擊傷和生命危險(xiǎn)。

③ 設(shè)備損壞。如果沒(méi)有重復(fù)接地,則當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí),地故障電流會(huì)通過(guò)設(shè)備繞組和設(shè)備接地點(diǎn)等地點(diǎn)流過(guò),這可能會(huì)造成設(shè)備損壞或燒毀。

(2)接地保護(hù)的投運(yùn)方式

      保護(hù)投運(yùn)方式以前按接地電流大于5A時(shí)投跳閘,小于5A時(shí)投信號(hào)。八十年代開(kāi)始,參照我國(guó)有關(guān)發(fā)電機(jī)單相接地電流允許值的規(guī)定,當(dāng)接地電流超過(guò)允許電流時(shí)投跳閘,否則投信號(hào)。從這一點(diǎn)看,消弧線圈接地要延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)帶故障運(yùn)行時(shí)間,而接地變高阻接地故障電流較大,將是瞬時(shí)跳閘,對(duì)保護(hù)發(fā)電機(jī)有利。當(dāng)然對(duì)汽輪機(jī)組啟停一次可能影響大一些。但實(shí)際上大多數(shù)廠家按120MW及以下的發(fā)電機(jī)定子接地只投信號(hào),200W及以上機(jī)組才投跳閘的保護(hù)方式運(yùn)行。

(3)發(fā)電機(jī)定子100%接地保護(hù)

       發(fā)電機(jī)100%定子接地保護(hù)構(gòu)成方式有多種形式。較傳統(tǒng)的是基波零序和三次諧波共同構(gòu)成的。對(duì)于接地變高阻接地,較普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,接地變高阻接地將使采用三次諧波保護(hù)的靈敏度下降。但按發(fā)電機(jī)對(duì)地電容為C0=0.1μF,發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)發(fā)生接地故障,過(guò)渡電阻在幾千歐。當(dāng)對(duì)地電容增大,無(wú)論哪種接地方式,靈敏度都要下降。特別是為了提高靈敏度,保護(hù)裝置的動(dòng)作判別式相應(yīng)發(fā)生變化,一般趨于復(fù)雜化,理論和實(shí)踐都發(fā)現(xiàn)難于調(diào)整,誤動(dòng)作率較高。所以,如果說(shuō)三次諧波保護(hù)存在問(wèn)題的話,無(wú)論對(duì)哪種接地方式都是一樣的。

(4)勵(lì)磁回路接地保護(hù)的基本原理

      在電力系統(tǒng)中,勵(lì)磁回路是一種關(guān)鍵的設(shè)備,其主要作用是為發(fā)電機(jī)提供足夠的勵(lì)磁電流,保證其正常運(yùn)行,電路如圖6所示。由于勵(lì)磁回路中的電氣設(shè)備較為復(fù)雜且接地故障風(fēng)險(xiǎn)較高,因此采用勵(lì)磁回路接地保護(hù)來(lái)保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

      勵(lì)磁回路接地保護(hù)的基本原理是通過(guò)對(duì)勵(lì)磁回路的監(jiān)測(cè),當(dāng)出現(xiàn)接地故障時(shí),保護(hù)系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切斷故障電源,避免故障擴(kuò)大,保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō),勵(lì)磁回路接地保護(hù)采用電流差動(dòng)保護(hù)或電流比率保護(hù)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)檢測(cè)到電流不平衡或保護(hù)裝置接收到異常信號(hào)時(shí),及時(shí)關(guān)閉勵(lì)磁回路電源。

 

發(fā)電機(jī)重復(fù)接地保護(hù)線路圖.png

圖5  發(fā)電機(jī)重復(fù)接地保護(hù)線路圖

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路接地保護(hù)電路圖.png

圖6  發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路接地保護(hù)電路圖

 

總結(jié):

      對(duì)于外加直流或交流低頻電源式定子接地保護(hù),宜選用接地電阻柜。該裝置在抗干擾、提高靈敏度方面較三次諧波保護(hù)具有突出的優(yōu)點(diǎn),但裝置造價(jià)要高一些。從發(fā)展趨勢(shì)看,這種保護(hù)方式在大型機(jī)組上采用的越來(lái)越多。而將配電變壓器換成消弧線圈或單相TV,從上面的分析看,根本達(dá)不到減小發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣破壞時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的危害及提高定子接地保護(hù)的可靠性和靈敏度的目的,缺點(diǎn)還很多。綜上所述,發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式在電站以接地變高阻接地稍微具有優(yōu)勢(shì),一是減少占地面積,二是發(fā)電機(jī)組啟停機(jī)容易。發(fā)電機(jī)組采用何種接地方式,一般應(yīng)作具體比較確定。


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