郭良基

（神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建泉州362712）

0 引言

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，節(jié)能、環(huán)保和提高機(jī)組效率的要求以及制造技術(shù)水平和材料質(zhì)量的提高，近年來我國大量投產(chǎn)超超臨界600 MW和1 000 MW火電機(jī)組，且其中性點(diǎn)接地方式多采用配電變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻的高阻接地方式。顯然，機(jī)組容量增大，定子電壓升高，定子電流增大，定子繞組對地電容參數(shù)增大，使得發(fā)電機(jī)定子繞組與鐵芯的絕緣直接遭受破壞時(shí)，流過接地故障點(diǎn)的容性及阻性電流大為增大，并且會灼傷鐵芯，甚至進(jìn)一步發(fā)展成為發(fā)電機(jī)定子繞組或匝間短路。而大型發(fā)電機(jī)組修復(fù)困難且工期長，勢必造成相當(dāng)大的直接損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。所以，有效地保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組及鐵芯的安全是十分重要的任務(wù)和責(zé)任，定子繞組接地保護(hù)除了要有正確完善的保護(hù)原理判據(jù)外，還應(yīng)有合理的整定原則和方法，使其能靈敏地反映全部繞組接地故障。本文就如何充分發(fā)揮大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)3U0元件的性能進(jìn)行了探討、分析。

1 大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)相關(guān)規(guī)定及整定原則

GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》中對發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)作了如下規(guī)定[1]：

（1）發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值按制造廠的規(guī)定值，如無制造廠提供的規(guī)定值可參照第2.2.4.1條的表1中所列數(shù)據(jù)。如表中要求：額定電壓為18～20 kV的300～600 MW的發(fā)電機(jī)組，其接地電流允許值為1 A。

（2）與母線直接連接的發(fā)電機(jī)：當(dāng)單相接地故障電流（不考慮消弧線圈的補(bǔ)償作用）大于允許值（第2.2.4.1條的表1）時(shí)，應(yīng)裝設(shè)有選擇性的接地保護(hù)裝置。接地保護(hù)帶時(shí)限動作于信號，但當(dāng)消弧線圈退出運(yùn)行或由于其他原因使殘余電流大于接地電流允許值時(shí)，應(yīng)切換為動作于停機(jī)。

（3）對100 MW以下發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)不小于90%的定子接地保護(hù)；對100 MW及以上的發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)為100%的定子接地保護(hù)。保護(hù)帶時(shí)限動作于信號，必要時(shí)也可以動作于停機(jī)。

結(jié)合以上規(guī)定及現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以理解為：完善、合理的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)整定值及投運(yùn)方式，其指導(dǎo)思想應(yīng)是：保護(hù)范圍覆蓋整個(gè)定子繞組，保護(hù)區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)接地故障爭取有足夠高的靈敏度；其中各段動作整定值應(yīng)以保護(hù)范圍、接地靈敏度及接地故障電流大小為核心考量因素。首先應(yīng)該了解發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式及實(shí)際的單相接地電容電流，并計(jì)算出發(fā)電機(jī)繞組各位置單相接地電流值。其中定子接地保護(hù)動作于跳閘還是信號的選擇原則就以單相接地電流是否超過允許值為準(zhǔn)，若發(fā)電機(jī)單相接地電流小于故障電流允許值，定子接地保護(hù)可以只發(fā)信號而不跳閘，以盡量避免突然跳閘對機(jī)組和系統(tǒng)造成的沖擊；若接地電流大于允許值，為避免燒壞定子鐵芯，保護(hù)應(yīng)當(dāng)動作于跳閘，以確保發(fā)電機(jī)定子繞組及鐵芯的安全。

2 大型發(fā)電機(jī)組定子接地3U0保護(hù)定值應(yīng)用不足問題

DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》中規(guī)定發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)3U0元件整定計(jì)算原則為[2]：

式中，Krel為可靠系數(shù)，取1.2～1.3；Uunb.max為實(shí)測不平衡電壓，應(yīng)為濾除三次諧波后的基波電壓值。

由于系統(tǒng)耦合零序電壓可能引起基波零序過電壓保護(hù)誤動作，因此，定子單相接地保護(hù)動作電壓整定值或延時(shí)應(yīng)與系統(tǒng)接地保護(hù)配合，可分三種情況：

（1）動作電壓若已躲過主變壓器高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，在可能的情況下延時(shí)應(yīng)盡可能短，可取0.3～1.0 s；

（2）具有主變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)接地故障傳遞過電壓防誤動措施的保護(hù)裝置，延時(shí)可取0.3～1.0 s；

（3）動作電壓若低于主變壓器高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓，延時(shí)應(yīng)與高壓側(cè)接地保護(hù)配合。

顯然，《導(dǎo)則》中所述并未明確與系統(tǒng)接地保護(hù)哪段時(shí)限配合，這樣就造成國內(nèi)發(fā)電廠在整定過程中有的機(jī)組定子接地保護(hù)時(shí)限整定為0.5～1 s，有的卻整定為延時(shí)5～6 s。由于整定計(jì)算人員對《導(dǎo)則》該部分內(nèi)容理解上的偏差，在實(shí)際運(yùn)行中可能因定子接地保護(hù)不能正確動作而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)重大事故問題。下面通過某工程實(shí)際算例對3U0定值進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

3 某工程3U0保護(hù)實(shí)際應(yīng)用計(jì)算

石獅鴻山二期2×1 050 MW汽機(jī)發(fā)電機(jī)組工程中，機(jī)組單元接線，機(jī)端自并勵系統(tǒng)，采用GE公司生產(chǎn)的發(fā)變組保護(hù)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器（二次側(cè)接電阻）接地，機(jī)端電壓互感器變比為27/0.866/0.173 kV，配電變變比為27/0.173 kV，二次電阻值為0.12 Ω，經(jīng)查廠家資料并統(tǒng)計(jì)，發(fā)電機(jī)定子繞組每相對地電容Cg=0.197 μF，主變低壓繞組每相對地電容Czd=0.058 49 μF，高廠變高壓繞組每相對地電容Cgg=0.011 58 μF，機(jī)端其他外接元件（勵磁變、機(jī)端PT等）每相對地總電容Cgq=0.011 μF，主變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容CM=0.012 33 μF。

3.1 定子繞組單相接地時(shí)的接地電流計(jì)算

中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器（二次側(cè)接電阻）接地的發(fā)電機(jī)在定子繞組金屬性單相接地故障時(shí)，其等效電路圖如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)繞組單相接地故障時(shí)等效電路圖

圖中，3C∑為發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)各相對地電容；R^N為折算到配電變壓器一次的等效電阻，R^N=0.12×（27/0.173）2≈2 923 Ω；α為由中性點(diǎn)到故障點(diǎn)的繞組占一相全部繞組的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[3]：距中性點(diǎn)α處發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，機(jī)端零序電壓UK0=-αEA，同時(shí)該值與中性點(diǎn)電壓及接地故障點(diǎn)的零序電壓相等，顯然，其隨故障點(diǎn)位置的不同而改變。因中性點(diǎn)配電變變比為27/0.173 kV，可知基波零序電壓二次值恰好等于α×100 V。

3.1.1 發(fā)電機(jī)機(jī)端出口附近（100%）發(fā)生單相接地計(jì)算

發(fā)電機(jī)機(jī)端出口附近發(fā)生單相接地時(shí)，零序電壓為UK0=，發(fā)電機(jī)及機(jī)端外接元件每相對地總電容Cg∑＝0.277 1 μF/ph，因此機(jī)端單相接地時(shí)：

電容分量電流：

電阻分量電流：

因此故障點(diǎn)總的單相接地電流：

該值已遠(yuǎn)超過允許值1 A。

3.1.2 發(fā)電機(jī)定子繞組（靠中性點(diǎn)處）發(fā)生單相接地、電流為1 A時(shí)α值計(jì)算

將UK0=-αEA代入上述式中，可推導(dǎo)出：

可知：中性點(diǎn)至故障繞組百分比位置α處于14.9%發(fā)生單相接地時(shí)，接地電流恰好為1 A，作為定子接地保護(hù)無條件跳閘時(shí)的定子接地保護(hù)的范圍。

3.2 系統(tǒng)接地時(shí)耦合零序電壓計(jì)算

根據(jù)《導(dǎo)則》，應(yīng)校核主變高壓側(cè)接地短路時(shí)，通過變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容CM傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)的零序電壓Ug0的大小，傳遞電壓計(jì)算用近似簡化電路如圖2所示。

圖2 傳遞電壓等效電路圖

圖中，E0為系統(tǒng)側(cè)接地短路時(shí)產(chǎn)生的基波零序電動勢，由系統(tǒng)實(shí)際情況確定，依據(jù)《導(dǎo)則》一般可取（也可通過短路電流計(jì)算得出），UHn為系統(tǒng)額定線電壓；CM為主變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容；Cg∑為發(fā)電機(jī)及機(jī)端外接元件每相對地總電容；R^N為配電變壓器一次的等效電阻。

則計(jì)算如下：

變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地短路時(shí)，傳遞到發(fā)電機(jī)端的基波零序電壓（一次值）為：

3.3 發(fā)電機(jī)定子接地3U0保護(hù)定值整定

發(fā)電機(jī)定子接地3U0主保護(hù)由接于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次側(cè)的電阻上的過電壓元件實(shí)現(xiàn)，希望保護(hù)95%的定子繞組。與三次諧波定子接地保護(hù)配合構(gòu)成100%的定子接地保護(hù)，接下來就定子接地3U0保護(hù)整定進(jìn)行分析。

根據(jù)上述大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)相關(guān)規(guī)定及整定導(dǎo)向、《導(dǎo)則》相關(guān)接地保護(hù)3U0元件的整定計(jì)算原則，整定如下：

3.3.1 高值段

（1）動作電壓：按躲系統(tǒng)耦合零序電壓整定，取

（2）動作時(shí)限：在靠近中性點(diǎn)α=20%處（零序電壓等于20 V）單相接地時(shí)，接地電流IK（20V）=20%×6.708≈1.34 A，大于1 A，故動作時(shí)限t1取0.5 s。

（3）動作出口：全停。

3.3.2 低值段（靈敏段）

（1）動作電壓：可靠躲過實(shí)測不平衡電壓整定，按保護(hù)范圍約95%取，取5 V。

（2）動作時(shí)限：在靠近中性點(diǎn)α=5%處（零序電壓等于5 V）單相接地時(shí)，接地電流IK（5V）=5%×6.708=0.335 4，小于1 A，但動作電壓5 V＜高壓側(cè)耦合到機(jī)端的零序電壓15.8 V，故動作時(shí)限t2按躲過系統(tǒng)接地后備保護(hù)整定，取5 s。

（3）動作出口：因14.9%～20%處金屬接地電流將大于1 A，為確保該區(qū)域故障時(shí)發(fā)電機(jī)安全，同時(shí)考慮經(jīng)過渡電阻的反應(yīng)能力，故出口全停。

4 結(jié)語

通過上述分析及實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，從滿足2006版技規(guī)接地電流小于1 A、保護(hù)區(qū)內(nèi)擁有有足夠高的靈敏度和允許過渡電阻能力的要求出發(fā)，通過合理設(shè)置不同段3U0元件的定值及出口延時(shí)，Ⅰ段按躲系統(tǒng)側(cè)接地故障來整定U0P1=15～20 V，保護(hù)范圍約80%，動作時(shí)限取0.5～1 s，出口跳閘；Ⅱ段按可靠躲過實(shí)測不平衡電壓（此時(shí)接地電流一般小于允許值1 A）整定，保護(hù)范圍約95%，動作時(shí)限躲系統(tǒng)接地故障取5～6 s，出口方式跳閘。可以得到較為理想的大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)3U0定值組合方案，同時(shí)也滿足了《導(dǎo)則》規(guī)定，該整定計(jì)算原則在大型發(fā)電機(jī)組工程中得到了很好的應(yīng)用，確保了發(fā)電機(jī)定子繞組及鐵芯的安全，同時(shí)也有效規(guī)避了不必要的跳閘停機(jī)。