桑建斌,包明磊,李玉平,李 明,徐業(yè)榮
(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司,江蘇 南京 211100)
大型發(fā)電機組保護均采用雙重化配置,一般一套保護采用注入式定子接地保護,另一套保護采用雙頻式定子接地保護,或者2套保護都采用雙頻式定子接地保護。
注入式定子接地保護在大型機組中已有較多應用,可直接測量接地電阻,理論上靈敏度一致且停機不受影響。但注入式定子接地保護在投運時,廠方人員現(xiàn)場校正流程復雜[1],且接地變二次側(cè)電流互感器的工作特性在發(fā)電機工況變化時不夠理想,導致機組投運后接地電阻的測量誤差增大[2]。這些客觀存在的不利因素,使得在雙重化的保護配置環(huán)境下,注入式定子接地保護仍需要與其他定子接地保護相配合。
雙頻式定子接地保護由基波零序電壓保護與3次諧波電壓定子接地保護組成?;阈螂妷罕Wo原理簡單可靠,但在中性點附近存在死區(qū)。3次諧波電壓定子接地保護原理的種類較多,主要用于保護中性點附近的接地故障。
大型發(fā)電機組對定子接地保護的靈敏度要求較高,如文獻[3]根據(jù)機端電壓20 kV以上的汽輪發(fā)電機定子繞組接地電流允許值為1 A進行計算,近似得到300~1000 MW發(fā)電機的定子單相接地保護告警的靈敏度應能達到10 kΩ。然而,近年來國內(nèi)大型發(fā)電機組多采用接地變接地,這導致基波零序電壓保護的靈敏度明顯降低,同時由于大型發(fā)電機組定子對地電容的增大,基波零序電壓保護的低靈敏度區(qū)域?qū)闹行渣c向繞組中部擴大[4-5]。而3次諧波電壓定子接地保護雖然在中性點附近靈敏度較高,但在定子繞組中部時靈敏度較低甚至直接進入死區(qū)。此外,3次諧波電壓定子接地保護誤動較多[5],在可靠性上仍有待提高。
為整體提高雙頻式定子接地保護的性能,3次諧波電壓定子接地保護仍不斷發(fā)展[6-11]:文獻[6-7]指出主變高壓側(cè)的3次諧波電壓通過高低壓側(cè)耦合電容傳遞至發(fā)電機側(cè),需要引起注意;文獻[8]指出3次諧波電壓定子接地保護需要區(qū)分并網(wǎng)前后的狀態(tài);文獻[9]將機端與中性點的3次諧波電壓相角差突變量作為動作判據(jù);文獻[10]根據(jù)機端、中性點的3次諧波電壓變化量在正常運行與定子接地時的信息特征,構建了一套3次諧波電壓變化量差動保護;文獻[11]在文獻[10]的基礎上利用基波和3次諧波零序電壓綜合信息量組建了差動保護判據(jù)。但文獻[9-10]的保護方案均未考慮高壓側(cè)3次諧波電壓的影響,即使在主變高低壓側(cè)耦合電容較小的情況下,當高壓側(cè)3次諧波電壓變化較大時,仍有誤動的風險;文獻[10-11]中的保護方案雖具有很高的靈敏度,但當發(fā)電機機端與中性點的等效接地參數(shù)不平衡時,即使機組正常運行,保護的差動量理論值也不為0,安全裕度不夠。
本文基于一臺300 MW發(fā)電機的參數(shù),對3種投入實際應用的3次諧波電壓定子接地保護的靈敏度進行分析。另外,本文還分析了導致發(fā)電機機端、中性點3次諧波電壓變化的原因。在此基礎上,本文增加了防誤動的輔助判據(jù),提出一種改進型的3次諧波電壓變化量差動保護,并分析該保護的靈敏度與可靠性,最后基于MATLAB/Simulink對其進行仿真驗證。
本文以一臺常見的60°相帶雙分支并聯(lián)型發(fā)電機作為研究對象,該發(fā)電機的各分支有9匝繞組,各匝繞組的3次諧波電勢相量幅值相等、相位不同。
圖1(a)為發(fā)電機定子單相接地等效電路。圖中,CS、CN分別為機端、中性點對地電容;Rg為接地電阻;G為接地點;α為中性點到接地點的繞組占全部繞組的比例;E′3為中性點到接地點的3次諧波電勢相量;E″3為接地點到機端的3次諧波電勢相量。
圖1(b)為本文所研究發(fā)電機的3次諧波電勢相量[12]。圖中,各分支的各匝3次諧波電勢組成一個半圓;為發(fā)電機單相3次諧波電勢相量。
圖1 發(fā)電機定子接地電路與3次諧波電勢相量Fig.1 Circuit and third-harmonic voltage phasor of stator grounding fault of generator
根據(jù)圖1,當接地故障發(fā)生在分支1時,E′3、E″3的表達式為:
當接地故障發(fā)生在分支2時,E′3、E″3的表達式為:
忽略接地變漏阻抗與勵磁阻抗,發(fā)電機的3次諧波等效電路如圖2所示。
圖2(a)為發(fā)電機正常運行時的3次諧波等效電路[12],Cf為定子繞組三相對地總電容;Ct為機端設備對地總電容;CM為主變高低壓側(cè)每相的耦合電容;U3S為機端3次諧波電壓相量;U3N為中性點3次諧波電壓相量;RN、LN分別為中性點接地變或消弧線圈等效電阻、電感;E3h為主變高壓側(cè)3次諧波電壓相量。
圖2 發(fā)電機3次諧波等效電路Fig.2 Third-harmonic equivalent circuit of generator
假設主變高壓側(cè)3次諧波電壓為0,由于CM遠小于Cf,所以忽略CM,則發(fā)生定子接地故障時的3次諧波等效電路如圖2(b)所示[9,13],圖中 Y1、Y2、Y3為各虛線框所包含的導納,表達式如式(3)所示。
其中,ω3為3次諧波角頻率。
根據(jù)圖2(b),可以求得發(fā)生定子單相接地故障后的U3S和U3N為:
3種常見的3次諧波電壓定子接地保護方案如下所示。
其中,U3N(t)和 U3S(t)分別為 t時刻的中性點 3 次諧波電壓相量和機端3次諧波電壓相量;U3N(t-Δt)和U3S(t-Δt)分別為 t-Δt時刻的中性點 3次諧波電壓相量和機端 3 次諧波電壓相量;Kset1、Kset2、Kset3分別為方案 1、2、3的制動系數(shù)。
采用一臺300 MW機組的接地參數(shù)對3種3次諧波電壓定子接地保護方案的靈敏度進行計算,具體參數(shù)如表1所示[12]。表中,C∑為發(fā)電機對地總電容,C∑=Cf+Ct;ω1為基波角頻率。
表1 300 MW發(fā)電機參數(shù)Table 1 Parameters of a 300 MW generator
方案1的制動系數(shù)Kset1通常采用實測方式獲取,即將機端3次諧波電壓實測值與中性點3次諧波電壓實測值的比值放大1.2~1.5倍。
接地變接地方式下的Kset1為:
消弧線圈接地方式下的Kset1為:
不接地方式下的Kset1為:
方案2、方案3的制動系數(shù)在相應的定值整定規(guī)程中沒有明確要求[14],由廠家自行規(guī)定,一般取為0.2~0.5。為保證較高的靈敏度,不同接地方式下均?。?/p>
根據(jù)式(1)—(7)以及表1參數(shù),計算得到各方案在不同接地方式下的靈敏度,如圖3所示。
圖3 不同接地方式下3種保護方案的靈敏度Fig.3 Sensitivity of three protection schemes under different grounding modes
總結(jié)圖3可得以下結(jié)論。
a.3種保護方案在分支1的靈敏度均小于在分支2的靈敏度,實際應當考察分支1的靈敏度。
b.在表1的參數(shù)下,方案3在不同接地方式下的靈敏度均為最高。
c.在接地變接地方式下,雖然方案3的靈敏度最高,但其靈敏度在繞組距中性點2/3處仍不足5 kΩ,實際應用時可能選取更可靠的制動系數(shù),靈敏度會更低。按照文獻[3]中的計算結(jié)果,大型發(fā)電機組定子接地保護告警的最佳靈敏度應能達到10 kΩ,方案3的靈敏度仍顯不足。
引起發(fā)電機中性點、機端3次諧波電勢變化的因素主要有4類:機組運行工況正常改變導致發(fā)電機3次諧波電壓發(fā)生變化;定子發(fā)生接地故障;主變高壓側(cè)3次諧波電壓發(fā)生變化;機端電壓互感器及中性點電壓回路異常。下文對上述4類因素中的某一因素進行分析時一般不考慮其他3類因素的影響。
假設在t時刻發(fā)電機3次諧波電勢的變化量為ΔE3(t),暫忽略高壓側(cè)3次諧波電壓的影響,根據(jù)圖2得到機端、中性點的3次諧波電壓變化量為:
發(fā)電機3次諧波電壓變化時機端、中性點的3次諧波電壓變化量存在以下關系:
分析式(9)中K4的相位角可知:在消弧線圈接地方式(欠補償)或不接地方式下,K4的相位角為0°;在接地變接地方式下,K4相位角在 0°~90°之間。綜上可知,K4的相位角一定是銳角。
假設在t時刻發(fā)生定子單相接地故障,根據(jù)式(4)得到機端、中性點的3次諧波電壓變化量為:
根據(jù)式(10)可知,發(fā)生定子單相接地故障時機端、中性點的3次諧波電壓變化量存在以下關系:
根據(jù)K4的相位特征以及式(11)可知:
在發(fā)生定子單相接地故障時一定成立。
基于以上分析,利用 K4ΔU3S(t)與 U3N(t)的相量和幅值作為差動電壓、相量差幅值作為制動電壓,提出一種改進型3次諧波電壓變化量差動保護方案,動作量U3d與制動量U3r定義為:
動作主判據(jù)為:
其中,K4為機端校正系數(shù),使發(fā)電機正常運行時差動量為0,避免因發(fā)電機機端與中性點對地等效參數(shù)不一致造成誤動;Kset4為制動系數(shù),其整定值取決于K4的相位角,當發(fā)電機組的接地參數(shù)確定后,K4的相位角也就確定了。當K4的相位角接近0°時,Kset4的值可以大于1,也可以小于1;當K4的相位角遠離0°而接近90°時,為保證靈敏度,Kset4的值應小于1。
對比式(13)與式(7)可知,當繞組中部經(jīng)較大過渡電阻接地時,中性點3次諧波電壓變化量ΔU3N(t)與機端 3 次諧波電壓變化量 ΔU3S(t)較小,式(13)或式(7)的動作量都難以超越,但由于K4的相位角一定是銳角,所以式(14)一定能滿足動作條件。利用式(14)作為動作主判據(jù),有利于提高保護在繞組中部的靈敏度。
當發(fā)電機3次諧波電壓正常波動時,式(13)中的制動量較小,但是動作量恒為0,因此理論上不會誤動,為增加保護的可靠性,需增加制動門檻。
主判據(jù)未考慮主變高壓側(cè)3次諧波電壓E3h的影響,在此推導輔助制動判據(jù)來防止E3h的干擾。假設t時刻主變高壓側(cè)3次諧波電壓的變化量為ΔE3h(t),根據(jù)圖2(a),ΔE3h(t)傳遞至主變低壓側(cè)引起的發(fā)電機中性點及機端的3次諧波電壓變化量為:
其中,γ為主變高低壓側(cè)3次諧波電壓傳遞系數(shù)。
將式(15)代入式(13)可得 E3h變化時的動作量與制動量為:
式(17)中 U3d易大于U3r,為躲避主變高壓側(cè) 3次諧波電壓變化量的干擾,同時為防止主判據(jù)在裝置零漂時誤動,制動門檻取為:
輔助判據(jù)為:
其中,E3為發(fā)電機3次諧波電壓二次值,可從專用匝間零序電壓互感器獲取,也可以通過式(20)計算。
為保證本文方案的可靠性,需考慮相關電壓互感器異常以及并網(wǎng)瞬間保護是否閉鎖。根據(jù)式(13),當機端零序電壓互感器或中性點電壓回路斷線時,主判據(jù)、輔助判據(jù)均可能立即動作,此時應當閉鎖該保護。當高壓側(cè)零序電壓互感器斷線時,只要高壓側(cè)3次諧波電壓變化不大,保護不會立即誤動,所以此時無需閉鎖保護,但為保證保護的可靠性,可將式(18)中的制動門檻切換為:
輔助判據(jù)為:
此外,根據(jù)文獻[8],并網(wǎng)時刻機端等效電容變化較大,保護在并網(wǎng)瞬間應自動短時退出。
根據(jù)以上分析,本文方案引入了定值γ,增加了E3h輸入,計算量有所增加,但如果不檢測E3h,現(xiàn)有保護方案只能采用較高的制動系數(shù)。本文的輔助判據(jù)考慮了E3h的變化,在E3h不變時保護靈敏度較高,當E3h變化時能實時調(diào)整制動門檻值,提高了可靠性。
綜上所述,本文方案的邏輯框圖如圖4所示。
圖4 本文保護方案邏輯框圖Fig.4 Logic diagram of proposed protection scheme
根據(jù)式(1)—(4)、(9)、(13)、(14)、(18)、(19)及表1,計算可得本文方案的靈敏度曲線見圖5。
圖5 本文保護方案的靈敏度分析Fig.5 Sensitivity analysis of proposed protection scheme
由圖5(a)可見,本文保護方案的主判據(jù)靈敏度很高,遠大于實際工程要求。圖5(b)為不同的Udt下得到的輔助判據(jù)靈敏度曲線,可見輔助判據(jù)的靈敏度相對主判據(jù)較低,整體方案的靈敏度由輔助判據(jù)決定。圖5(c)為Udt=0.05E3時不同接地方式下本文保護方案在分支1的靈敏度曲線,可見在接地變接地方式下方案的靈敏度最低,最低處約為12 kΩ,大于現(xiàn)有方案3的靈敏度。
在MATLAB/Simulink中建立定子接地故障仿真模型,發(fā)電機采用接地變接地方式,僅對分支1進行接地仿真,仿真模型簡圖見圖6。仿真軟件中現(xiàn)有的模塊無法實現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)部定子接地故障仿真,因此采用圖6(a)所示的簡化電路模擬單匝繞組,進而組建圖1所示的定子繞組電勢模型。
圖6 仿真模型簡圖Fig.6 Simplified diagram of simulation model
圖6(a)中 C1為單匝繞組對地電容,E1-n、E3-n分別為第n匝繞組的基波電壓與3次諧波電壓。由于每匝定子繞組的電阻以及3次諧波感抗遠小于對地容抗,因此忽略繞組電阻與感抗。
主要仿真參數(shù):發(fā)電機額定電壓為18 kV,機端電壓互感器變比為18 kV/100 V/57.74 V;接地變變比為18 kV/173 V;主變采用YNd11接線方式,高壓側(cè)額定電壓為500 kV,主變高壓側(cè)電壓互感器變比為500 kV/100 V/173 V;E3為額定相電壓的 2%,突變量時間間隔Δt為80 ms,采用每半周期24點的半波傅氏算法提取3次諧波電壓相量,制動系數(shù)Kset4為1.2;其余參數(shù)見表1。
故障時刻t為0.12 s,分別在中性點、α=0.67處、機端進行故障接地仿真,仿真中電壓互感器均為正常狀態(tài),仿真結(jié)果見圖7—11,圖中電壓均為二次值。
圖7為定子繞組的不同位置經(jīng)1 kΩ電阻接地時的中性點零序電壓UN與機端零序電壓US。中性點接地時,UN與US中主要包含3次諧波分量。定子繞組在α=0.67處接地后,UN與US中的基波分量增大,且遠大于3次諧波分量。機端接地后,UN與US中的基波分量進一步增大??梢?,在基波分量可能遠大于3次諧波分量的零序電壓中準確提取3次諧波電壓非常關鍵。
由圖8可見,中性點經(jīng)1 kΩ、30 kΩ電阻接地后,保護動作,經(jīng)50 kΩ電阻接地后,主判據(jù)動作,輔助判據(jù)未動作。由圖9可見,定子繞組在α=0.67處經(jīng)1 kΩ、8 kΩ電阻接地后,保護動作,經(jīng)15 kΩ電阻接地后,主判據(jù)動作,輔助判據(jù)未動作。由圖10可見,機端經(jīng)1 kΩ、15 kΩ電阻接地后,保護動作,經(jīng)40 kΩ電阻接地后,主判據(jù)動作,輔助判據(jù)未動作??梢姡疚谋Wo方案在定子繞組不同位置接地時的靈敏度符合圖5中Udt=0.05E3時的計算結(jié)果。
圖7 定子繞組不同位置經(jīng)1 kΩ電阻接地時的中性點、機端零序電壓Fig.7 Zero-sequence voltage of generator’s neutral point and terminal for stator grounding fault via 1 kΩ resistance in different locations of stator winding
圖8 中性點經(jīng)不同電阻接地時的保護判據(jù)計算結(jié)果Fig.8 Calculative results of protection criteria when generator’s neutral point is grounded via different resistances
圖9 定子繞組在α=0.67處經(jīng)不同電阻接地時的保護判據(jù)計算結(jié)果Fig.9 Calculative results of protection criteria when stator winding is grounded via different resistances at point where α=0.67
圖10 機端經(jīng)不同電阻接地的保護判據(jù)計算結(jié)果Fig.10 Calculative results of protection criteria when generator terminal is grounded via different resistances
由圖8—10還可以看出:當半波傅氏計算的采樣窗中含有突變的基波電壓時,3次諧波電壓無法準確計算,為了避免誤動,應使該保護方案的主判據(jù)與輔助判據(jù)均持續(xù)滿足40 ms以上再動作出口。
對本文保護方案在E3變化時進行仿真,設定E3由為額定相電壓的1%突增至3%,突變時刻為0.12s,仿真結(jié)果如圖11所示。
圖11 發(fā)電機3次諧波電壓變化對保護的影響Fig.11 Influence of generator’s third-harmonic voltage change on protection
圖11表明E3突增時動作電壓U3d很小,而制動電壓U3r明顯增大且遠大于動作電壓,可見主判據(jù)能準確躲避發(fā)電機3次諧波電壓變化帶來的影響。
對本文保護方案在主變高壓側(cè)3次諧波電壓E3h變化時進行仿真,設定E3h幅值由50 V突增至500 V,相位與發(fā)電機3次諧波電壓相同(輔助判據(jù)不受E3h相位影響),突變時刻為0.12 s,仿真結(jié)果如圖12所示。
由圖12可見,E3h幅值增大時動作電壓U3d有所增加,主判據(jù)動作,但是門檻電壓Udt遠大于動作電壓U3r,輔助判據(jù)能準確躲避E3h變化帶來的擾動。
根據(jù)以上仿真結(jié)果可知,本文保護方案的靈敏度較高,且受機組運行工況變化的影響較小。
圖12 高壓側(cè)3次諧波電壓變化對保護的影響Fig.12 Influence of generator’s third-harmonic voltage change at HV side on protection
本文對比了3種常見的3次諧波電壓定子接地保護方案,根據(jù)一臺300 MW汽輪發(fā)電機的參數(shù),計算并分析了3種保護方案的靈敏度。針對現(xiàn)有的3次諧波電壓定子接地保護存在誤動較多的問題,分析了導致發(fā)電機機端、中性點3次諧波電壓變化的原因。在此基礎上提出了一種改進型3次諧波電壓變化量差動保護,計算了該保護方案下主判據(jù)與輔助判據(jù)的靈敏度,并采用MATLAB/Simulink對該保護方案進行了仿真。仿真結(jié)果驗證了本文保護方案下靈敏度計算的正確性,表明該保護方案靈敏度較高且受機組運行工況變化的影響較小。
本文保護方案具體有以下特點:校正后的3次諧波變化量差動判據(jù)在發(fā)電機正常運行時差動量理論值為0;依據(jù)發(fā)電機的接地參數(shù)來整定制動系數(shù),發(fā)生定子接地故障時差動量能夠顯著大于制動量;檢測主變高壓側(cè)3次諧波電壓,增加了浮動的制動門檻,避免主變高壓側(cè)3次諧波電壓的干擾;機端零序電壓互感器、中性點電壓回路斷線后應閉鎖保護,高壓側(cè)零序電壓互感器斷線后應提高制動門檻值;并網(wǎng)瞬間短時閉鎖保護,避免機端對地電容變化較大導致誤動。
參考文獻:
[1]劉亞東,王增平,蘇毅,等.注入式定子接地保護的現(xiàn)場試驗、整定和分析[J].電力自動化設備,2012,32(10):150-154.LIU Yadong,WANG Zengping,SU Yi,et al.Field test,setting and analysis of injecting source-based stator grounding protection[J].Electric Power Automation Equipment,2012,32 (10):150-154.
[2]陳佳勝,張琦雪,陳俊,等.基于分段相角補償?shù)淖⑷胧蕉ㄗ咏拥乇Wo方法[J].現(xiàn)代電力,2014,31(1):79-84.CHEN Jiasheng,ZHANG Qixue,CHEN Jun,et al.Stator earth fault protection with voltage injection based on multi-stage phase compensation[J].Modern Electric Power,2014,31(1):79-84.
[3]高春如.大型發(fā)電機組繼電保護整定計算與運行技術[M].2版.北京:中國電力出版社,2010:160-161.
[4]劉亞東.大型發(fā)電機保護關鍵技術研究[D].北京:華北電力大學,2014.LIU Yadong.Study on key technology oflarge generator’s protection[D].Beijing:North China Electric Power University,2014.
[5]畢大強,王祥琦,桂林.基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機定子單相接地保護方案研究[J].中國電機工程學報,2003,23(11):39-44.BIDaqiang,WANG Xiangheng,GUILin.Protection scheme based on the fault transient component of zero-sequence voltage under the stator ground fault of generators[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(11):39-44.
[6]黨曉強,邰能靈,王海田,等.大型汽輪發(fā)電機定子單相接地的繼電保護評述[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(2):131-135.DANG Xiaoqiang,TAI Nengling,WANG Haitian,et al.A review on single phase to ground protection for huge turbine-generators[J].Power System Protection and Control,2010,38(2):131-135.
[7]王維儉,魯華富.三次諧波電壓式定子接地保護的運行和改進[J].中國電力,1995(11):46-49,53.WANG Weijian,LU Huafu.Operating and improving of third harmonic voltage stator grounding protection[J].Electric Power,1995(11):46-49,53.
[8]盧琪.提高三次諧波電壓式定子接地保護動作可靠性的措施[J].電力自動化設備,2008,28(1):119-121.LU Qi.Reliability of stator grounding protection based on 3rd harmonic voltage[J].Electric Power Automation Equipment,2008,28(1):119-121.
[9]黃少鋒,孫鵬,王增平,等.基于三次諧波相角突變原理的發(fā)電機定子接地保護[J].電網(wǎng)技術,2000,24(12):70-73.HUANG Shaofeng,SUN Peng,WANG Zengping,et al.A generator groundingfaultprotection based on phase-angle mutation of third harmonic voltage[J].Power System Technology,2000,24(12):70-73.
[10]畢大強,王祥珩,王維儉.基于3次諧波電壓故障暫態(tài)分量的定子單相接地保護[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(13):45-49.BI Daqiang,WANG Xiangheng,WANG Weijian.Protection scheme based on fault transient component of third harmonic voltage for stator ground fault of generators[J].Automation of Electric Power Systems,2003,27(13):45-49.
[11]TAI Nengling,JUERGEN S.Differential protection based on zerosequence voltages for generator stator ground fault[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(1):116-121.
[12]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].2版.北京:中國電力出版社,2002:205-206.
[13]諶爭鳴.大型發(fā)電機定子接地保護靈敏度分析與整定計算[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(19):57-60.CHEN Zhengming.Analysis of the sensitivity of large-scale generator stator ground protection and its setting caculation[J].Automation of Electric Power Systems,2006,30(19):57-60.
[14]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則:DL /T 684—2012[S].北京:中國電力出版社,2012.