朱宇聰,包明磊,李玉平,桑建斌,李明
(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司,南京 211100)
定子接地是發(fā)電機常見故障之一,大型發(fā)電機組定子接地保護均采用雙套配置,一般一套采用注入式定子接地保護,另一套采用基波零序電壓+三次諧波電壓保護定子接地保護?;阈螂妷罕Wo簡單可靠,但在發(fā)電機中性點附近存在死區(qū),三次諧波電壓保護準(zhǔn)確性不高,容易誤動作且必須在機組勵磁以后才起作用,難以完全滿足大型機組對定子接地保護高靈敏度的要求。而注入式定子接地保護優(yōu)點明顯,在發(fā)電機靜止?fàn)顟B(tài)下仍然可以起到保護作用,理論上在整個發(fā)電機定子范圍內(nèi)靈敏度一致,而且能夠反映接地電阻逐漸降低的接地故障。
目前,注入式定子接地保護投運時現(xiàn)場校正流程十分復(fù)雜,很多定值必須在現(xiàn)場通過試驗實測[1-2],穿芯電流互感器(TA)的工作特性隨著發(fā)電機工況變化而變化[3],導(dǎo)致機組投運后接地電阻的測量誤差加大,因此,有必要對注入式定子接地保護現(xiàn)場試驗方法、定值整定、調(diào)試異常問題的處理進行整理分析,以期為注入式定子接地保護的調(diào)試、檢修提供參考。
注入式定子接地保護原理為:通過接地變壓器二次負(fù)載電阻或機端電壓互感器(TV)的開口三角繞組注入20 Hz低頻交流信號,采集注入的20 Hz電壓信號和20 Hz電流信號,進行數(shù)字化處理后計算出定子對地測量電阻,監(jiān)視定子繞組的對地絕緣狀況,達(dá)到整定值即啟動跳閘或發(fā)信報警。注入式定子接地保護等效電路如圖1所示(圖中:Us為20 Hz注入電源;Rs為注入電源內(nèi)阻;R2+jX2為接地變壓器漏抗;Rm+jXm為接地變壓器激磁阻抗;Rn為接地變壓器二次負(fù)載電阻;Rcp+jXcp為機端并聯(lián)阻抗;3C∑為發(fā)電機定子對地等效電容;Rg為接地電阻;Sg為發(fā)電機中性點隔離刀閘;U20,I20為裝置測得的20 Hz電壓、電流;U20′,I20′為補償后的20 Hz電壓、電流。圖中所有量都?xì)w算到保護裝置測量二次側(cè)。
圖1 注入式定子接地保護等效電路Fig.1 Injection stator grounding protection equivalent circuit
分析原理圖并采用計算導(dǎo)納的方法得到接地電阻計算公式,見式(1)、式(2),接地電阻Rg可由U20′,I20′,漏抗R2+jX2和并聯(lián)電阻計算得到。
(1)
(2)
式中:KR為電阻折算系數(shù)。
發(fā)電機注入式定子接地保護邏輯如圖2所示,保護功能配置有接地電阻保護、零序電流保護、零序電壓保護和注入回路異常判別功能。圖中:U50,I50分別為經(jīng)濾波處理后的50 Hz零序電壓和50 Hz零序電流;U20js,I20js,RgsetL,RgsetH,Isafe,U20set,I20set,t0,t1,t2,t3,t4為注入式定子接地保護整定值。
圖2 注入式定子接地保護邏輯Fig.2 Injection stator grounding protection logic
由以上原理可知,注入式定子接地保護需要一次設(shè)備和二次設(shè)備相配合,影響注入式定子接地保護精度的因素主要有以下幾方面。
(1)U20,I20的大小。理論上U20,I20越大,保護裝置測量值越準(zhǔn)確,接地電阻的測量精度也就越高。為增大U20,I20,可以采取增大注入電源功率、增大Us、增大Rn等方法。由于一次系統(tǒng)中的20 Hz電壓要求不超過2%Un(Un為額定電壓)[4],不能影響系統(tǒng)中電壓的平衡度;發(fā)電機單相接地故障的暫態(tài)過電壓要求不超過2.6 pu(以額定相電壓幅值為標(biāo)幺值),同時還要求3Rn≤Xc(Xc為發(fā)電機每相對地容抗[5]):因此,在滿足系統(tǒng)要求的前提下,需要盡量增大U20,I20。
(2)穿芯TA的傳變誤差。電流測量回路的穿芯TA會引入幅值誤差和相角誤差,使得電壓和電流相角差不準(zhǔn)確,進而影響測量電阻值的精度。為減小因互感器傳變引起的誤差,現(xiàn)場試驗時需要進行相角補償。另外,機組增加勵磁和并網(wǎng)后,穿芯TA的工作點會發(fā)生變化,導(dǎo)致測量電壓和電流之間相角進一步發(fā)生變化,為了兼顧發(fā)電機靜態(tài)和動態(tài)并網(wǎng)后的誤差,應(yīng)針對性地設(shè)置多段相角補償值。
(3)漏抗R2+jX2和并聯(lián)電阻的補償定值準(zhǔn)確度?,F(xiàn)場接地變壓器銘牌所示參數(shù)都是額定頻率50 Hz下的參數(shù),漏抗R2+jX2和并聯(lián)電阻不能直接通過銘牌獲得,需要通過現(xiàn)場補償試驗測得,因此,現(xiàn)場各項補償合理與否直接影響電阻測量精度。
(4)電阻折算系數(shù)KR。20 Hz電壓和20 Hz電流測量回路的電纜阻抗未知且不能忽略,利用標(biāo)稱變比根據(jù)式(3)計算得到的電阻折算系數(shù)KR只能作為參考,實際變比應(yīng)在現(xiàn)場通過試驗確定。
(3)
式中:n為接地變壓器變比;nTV為負(fù)載電阻抽頭變比;nTA為穿芯TA變比。
(5)采樣信號的濾波誤差。采樣信號中包括機組不平衡零序電壓產(chǎn)生的50 Hz 基波、發(fā)電機固有150 Hz三次諧波和20 Hz 注入信號。在發(fā)電機機端發(fā)生對地金屬接地時,基波零序電壓能達(dá)到100 V左右,注入式信號通常只有1 V左右。機組加勵磁后固有的三次諧波和受系統(tǒng)影響帶來的三次諧波信號也較大,因此,提高濾波效果能有效改善保護精度。
以某電廠1 008 MW汽輪發(fā)電機組的注入式定子接地保護現(xiàn)場試驗為例,總結(jié)、分析注入式定子接地保護的現(xiàn)場試驗。
現(xiàn)場試驗應(yīng)模擬發(fā)電機正常運行狀態(tài),保證正常運行時與定子繞組相連的電氣設(shè)備,如主變壓器、高壓廠用變壓器、勵磁變壓器、發(fā)電機出口斷路器(GCB)開關(guān)、高壓廠用變壓器高壓側(cè)TV、勵磁變壓器高壓側(cè)TV、各發(fā)電機TV、中性點TV等均正常連接,機組與系統(tǒng)斷開,去除接地線。注入源和保護裝置連線如圖3所示。
圖3 注入源和保護裝置連線Fig.3 Injection source and protection device wiring
收集相關(guān)參數(shù):發(fā)電機額定電壓,27 kV;發(fā)電機額定功率,1 008 MW;接地變壓器容量,150 kV·A;接地變壓器變比,27 kV/0.33 kV;接地變壓器短路阻抗,8.17%,折算到二次側(cè)為8.17%×330×330/150 000=0.06 Ω(一般可忽略不計);接地變壓器二次負(fù)載電阻Rl,0.60 Ω;負(fù)載電阻抽頭變比,0.6;穿芯TA變比,400/1;GKD-20 Hz定子接地保護注入電源空載電壓,30 V;注入電源內(nèi)阻Ro,8.74 Ω。
3.2.1 注入電源檢查、分壓抽頭檢查及回路檢查
檢查注入電源和保護裝置連線是否正確,注入電源輸出信號是否正常。
注入電源檢查。用萬用表量取注入電源空載輸出電壓U0為26.30 V(約30 V),短路電流為3.01 A(約3 A),則注入電源的內(nèi)阻為 8.74 Ω(約8 Ω),注入電源狀態(tài)正常。
分壓抽頭及回路檢查。將外部負(fù)載接入,用萬用表測得注入電源輸出電壓為1.780 V,理論計算值U=U0Rl/(Ro+Rl)=26.3×0.60/(0.60+8.74)=1.69 V,由此可確認(rèn)注入電源正常;負(fù)載電阻返回的電壓為0.800 V,分壓抽頭取0.6,理論上保護裝置采樣電壓應(yīng)為0.800×0.6=0.480 V,分壓后保護裝置采樣電壓為0.464 V,由此確認(rèn)分壓抽頭正確、電壓回路正常;在裝置采樣中查看20 Hz電流采樣值為3.3 mA,由此確認(rèn)電流回路正常。
如果電壓和電流偏小,參考4.1和4.2章節(jié)進行檢查。
如果分壓變比不正確,可以拆開負(fù)載電阻外部線,用萬用表測量電阻值,也可以測量負(fù)載電阻抽頭20 Hz電壓比值。
3.2.2 相角補償試驗
相角補償試驗的目的是補償電流、電壓測量回路的穿芯TA等變換器件引入的相角變換誤差。試驗方法:模擬正常運行狀態(tài),合上接地變壓器刀閘;更改電流回路接線,將穿芯TA包絡(luò)在內(nèi),此時裝置測量的20 Hz電壓和20 Hz電流的相角差為負(fù)載電阻的電壓和電流相角差,應(yīng)為180°。裝置顯示電壓超前電流168°,整定“相角補償定值1”為348°,裝置顯示補償后相角差為180°。180°相角補償時等效電路如圖4所示。
圖4 180°相角補償時等效電路(更改電流回路接線)Fig.4 Equivalent circuit for 180°phase angle compensation(changing current loop wiring)
3.2.3 阻抗補償試驗
阻抗補償試驗的目的是補償20 Hz接地變壓器漏抗R2+jX2。試驗方法:投入“補償試驗狀態(tài)投入”控制字,將接地變壓器高壓側(cè)對地金屬性短路,裝置上讀取測量電阻二次值為13.80 Ω、測量電抗二次值為34.90 Ω,分別設(shè)置“電阻補償值”為13.80 Ω、“電抗補償值”為34.90 Ω;補償后退出“補償試驗狀態(tài)投入”控制字,測量電阻一次值應(yīng)該接近0。漏阻抗補償試驗等效電路如圖5所示。
3.2.4 并聯(lián)電阻補償試驗
并聯(lián)電阻補償試驗?zāi)康氖茄a償發(fā)電機容抗對地并聯(lián)電阻Rcp和Rm。試驗方法:相位補償試驗和阻抗補償試驗完成后,模擬真實的正常狀態(tài),裝置上讀取測量電阻二次值為132.2 Ω,設(shè)置“并聯(lián)電阻補償值”為132 Ω。補償后測量電阻一次值接近最大量程30 kΩ。并聯(lián)電阻補償試驗等效電路如圖6所示。
表1 發(fā)電機定子單相接地故障靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Static test data of generator stator single-phase ground fault
圖5 漏阻抗補償試驗等效電路(接地變壓器高壓側(cè)對地短接)Fig.5 Leakage impedance compensation test equivalent circuit(shorting high voltage side grounding)
圖6 并聯(lián)電阻補償試驗等效電路(合上接地變壓器隔離刀閘)Fig.6 Parallel resistance compensation test equivalent circuit(closing grounding transformer disconnector )
3.2.5 電阻折算系數(shù)校正試驗
電阻折算系數(shù)校正試驗的目的是得到正確的電阻折算系數(shù)KR。首先根據(jù)式(3)估算出KR,預(yù)先整定“電阻折算系數(shù)定值”;發(fā)電機靜態(tài)時在接地變壓器高壓側(cè)與大地之間經(jīng)不同阻值的測試電阻接地,從裝置中讀取測量接地電阻的一次值,列成表格記錄下來,與實際電阻比較后調(diào)整KR,等效電路如圖7所示。
圖7 電阻折算系數(shù)測算等效電路Fig.7 Resistivity correction factor measurement equivalent circuit
DL/T 684—2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》中規(guī)定,接地電阻可取1~5 kΩ[6],所以建議選擇在5 kΩ電阻下校準(zhǔn)精度,通過調(diào)整相角補償定值和電阻折算系數(shù)KR,測量得到多組數(shù)據(jù),經(jīng)過比較,確定電阻折算系數(shù)KR為23.06,試驗數(shù)據(jù)見表1。由表1可見,接地電阻在1~20 kΩ范圍內(nèi)的測量誤差小于5%,說明現(xiàn)場試驗的各項補償定值是合理的。
通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),靜態(tài)測試接地電阻測量值誤差滿足要求,但發(fā)電機升壓或并網(wǎng)后,動態(tài)時補償后的相角會變化(一般會變大),角度偏離越大誤差越大,所以靜態(tài)測試時將補償角度分別增加1°,2°,3°,4°和減少1°,2°,3°,4°,其余參數(shù)不變。重新測試幾組電阻數(shù)據(jù),查看測量精度與補償后相角之間的關(guān)系,可以預(yù)知滿足誤差要求的條件下補償相角最大允許偏移的范圍。
為提高現(xiàn)場試驗效率,建議在接地變壓器處找到連接注入電源電纜的備用芯,將備用芯連接一根測試導(dǎo)線并夾在接地變壓器的高壓側(cè)(發(fā)電機中性點),試驗過程中測試電阻只需要在注入電源處的備用芯和接地銅排之間短接(接地網(wǎng)要求完好)。
3.2.6 動態(tài)模擬試驗
發(fā)電機空載升壓至30%額定電壓時,在接地變壓器高壓側(cè)經(jīng)3 kΩ和10 kΩ試驗電阻模擬接地故障,驗證保護動作,測量電阻誤差,檢驗折算系數(shù)是否合適。進行模擬接地試驗時,為防止發(fā)電機內(nèi)部本身可能存在的接地與測試電阻形成定子兩點接地而燒傷發(fā)電機定子,將測試電阻綁在絕緣桿上對接地變壓器高壓側(cè)進行觸碰短接,采樣顯示測量電阻后馬上拿開電阻。動態(tài)模擬試驗數(shù)據(jù)見表2,試驗結(jié)果誤差在5%以內(nèi),滿足精度要求。
3.3.1 接地零序電流定值IE.set整定
接地零序電流判據(jù)作為電阻判據(jù)的后備,保護80%范圍的定子繞組單相接地故障,其反映的是流過發(fā)電機中性點接地連線上的零序電流,可按下式整定(忽略接地變壓器漏抗)
0.16(A) ,
式中:UE.sec為發(fā)電機機端金屬性接地故障時接地變壓器負(fù)載電阻兩端的電壓。
表2 30%額定電壓時動態(tài)試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Dynamic test data at 30% rated voltage
3.3.2 安全電流定值Isafe整定
安全電流定值Isafe有2種整定方法。
(1)通過現(xiàn)場試驗測得。模擬發(fā)電機機端金屬性接地,接地線串接電流表,然后發(fā)電機零起升壓,當(dāng)電流表顯示接地故障電流到達(dá)安全電流一次值時,保護裝置顯示的I50就是Isafe的定值。發(fā)電機安全電流一次值取值參考文獻(xiàn)[2]附錄C表[6]。
(2)根據(jù)參數(shù)進行估算。根據(jù)發(fā)電機每相對地容抗和負(fù)載電阻之間的關(guān)系,即電容電流和負(fù)載電阻電流之間的關(guān)系,計算出接地故障電流到達(dá)安全電流一次值時Isafe的值;無法確定電容容抗時,可粗略估計電容容抗與負(fù)載電阻(一次值)相等。
式中:Krel為可靠系數(shù),取0.7~0.9;Isafe.p為安全電流一次值。
3.3.3 電壓回路監(jiān)視定值整定
取回路連接正常情況下出現(xiàn)的最小的20 Hz電壓,乘以可靠系數(shù)。此時接地變壓器高壓側(cè)對地金屬性短路的20 Hz電壓為最小的20 Hz電壓0.218 V,可靠系數(shù)為0.5,則整定電壓回路監(jiān)視定值為0.109 V。
3.3.4 電流回路監(jiān)視定值整定
取回路連接正常情況下出現(xiàn)的最小的20 Hz電流,乘以可靠系數(shù)。正常狀態(tài)下的20 Hz電流為最小20 Hz電流,大小為3.30 mA,可靠系數(shù)取0.5,則整定電流回路監(jiān)視定值為 1.65 mA。
(1)電流回路斷線。檢查電流回路接線和穿芯TA接線。
(2)接地變壓器高壓側(cè)隔離刀閘未在合位。檢查隔離刀閘位置。
(3)接地變壓器與發(fā)電機的電纜沒有可靠連接。檢查電纜連接情況。
(4)電壓信號偏低。檢查電壓信號。
(5)發(fā)電機內(nèi)部有斷點。檢查方法:拉開接地刀閘,將接地刀閘上端可靠接地,用萬用表在發(fā)電機出口TV柜測量TV一次位置對地電阻值。如果對地電阻很小,說明發(fā)電機定子繞組回路正常;如果對地電阻很大,說明定子繞組回路有斷點。
(1)注入源被短接,電壓被短路或開路。檢查注入源接線盒電壓回路接線。
(2)負(fù)載電阻分壓抽頭接線錯誤。檢查分壓抽頭接線。
(3)注入電源等效內(nèi)阻明顯偏大。注入電源進行單獨短路、開路檢查。
(1)發(fā)電機被掛接地線。檢查方法:詢問現(xiàn)場工作人員,或拉開接地刀閘直接在接地刀閘上端測量發(fā)電機對地電阻。如果對地電阻很小,說明有掛接地線;如果對地電阻很大,說明沒有接地線。
(2)水冷機組水質(zhì)不合格,當(dāng)定子繞組水質(zhì)不合格時,電導(dǎo)率增大,絕緣能力降低。檢查水質(zhì)。
當(dāng)斷開發(fā)電機對地并聯(lián)阻抗,發(fā)電機對地絕緣良好時,由于發(fā)電機對地容抗的作用,20 Hz電壓信號和20 Hz電流信號相角差應(yīng)該為240°~270°。以下是2種相角差異常情況及處理方法。
(1)相角差為180°左右,原因是注入電源線把穿芯TA包絡(luò)在內(nèi)部,此時穿芯TA測量的電流是負(fù)載電阻的電流,負(fù)載電阻的電壓和電流的夾角為180°。處理方法:調(diào)整注入電源線的位置,使穿芯TA測量發(fā)電機的容性電流,相角差為270°左右方為正常。
(2)相角差為90°左右,原因是穿芯TA極性反接。處理方法:在TA端子箱將兩端接線對調(diào),調(diào)整TA極性,相角差為270°左右方為正常。
分壓抽頭選擇原則是機端發(fā)生金屬性接地時,經(jīng)過分壓后裝置測到的電壓為100 V左右。抽頭選擇過大會導(dǎo)致發(fā)電機出口單相接地時,進入裝置的基波零序電壓過大而燒壞注入電源,抽頭選擇過小會導(dǎo)致低頻分量測量不準(zhǔn)確。電壓獲取一般有2種情況:(1)在負(fù)載電阻直接抽取100 V分壓;(2)從負(fù)載電阻取全電壓,然后在注入電源分壓器上進行分壓。
注入式定子接地保護不受機組運行方式的影響,在發(fā)電機靜止?fàn)顟B(tài)下仍然可以起到保護作用。當(dāng)發(fā)電機發(fā)生定子單相接地故障時,接地電阻跳閘段動作于跳GCB、啟動失靈和跳滅磁開關(guān),但接地故障點沒有被隔離,接地電阻仍然滿足動作判據(jù),導(dǎo)致保護不返回,不滿足“故障切除后,啟動失靈的保護出口返回時間應(yīng)不大于30 ms”的要求[7]。
因此,建議根據(jù)發(fā)電機的滅磁時間常數(shù)整定保護延時定值,保護邏輯設(shè)計時,接地電阻跳閘段應(yīng)判接地電流大于安全電流定值(如圖2所示),滅磁開關(guān)跳開后,發(fā)電機電壓和電流迅速降低,接地電阻跳閘段可以快速返回,即可保證失靈保護的可靠性。
在抽蓄發(fā)電機或燃?xì)獍l(fā)電機經(jīng)靜止變頻器(SFC)拖動啟動過程中和大型水電機組停機電制動停機過程中,定子繞組基波電氣量的頻率接近20 Hz或機組運行時固有的三次諧波電壓頻率接近20 Hz時,會干擾裝置對20 Hz注入信號的測量。因此,在啟、停機過程中及電制動刀閘合時,應(yīng)閉鎖注入式定子接地保護。
發(fā)電機機端發(fā)生金屬性接地故障,穿芯TA測得的故障電流為幾百A,本文所述工程的單相接地故障最大電流為317 A,所以穿芯TA變比為400/1;但正常情況下20 Hz電流僅為3.30 mA,相當(dāng)于TA二次額定值的0.33%??梢姡瑢τ?0 Hz的信號,穿芯TA工作在其傳變特性的起始段,傳變誤差呈非線性的特點[3]。
靜態(tài)時,穿芯TA流過的電流只有20 Hz電流;機組加勵磁和并網(wǎng)后,穿芯TA流過的電流包括20 Hz電流、由機組不平衡零序電壓產(chǎn)生的50 Hz電流和由三諧波零序電壓產(chǎn)生的150 Hz電流。部分電廠為了限制GCB的操作過電壓,并網(wǎng)開關(guān)兩側(cè)各并聯(lián)一個大電容器,隨著GCB的合上和斷開,機端和中性點的三次諧波零序電壓再次發(fā)生變化,穿芯TA流過的150 Hz電流也發(fā)生變化。因此,相對于靜態(tài)時,并網(wǎng)后穿芯TA的工作點發(fā)生變化,相位偏差也相應(yīng)發(fā)生變化。
基于以上分析,靜態(tài)、動態(tài)并網(wǎng)前和并網(wǎng)后需要設(shè)置多段相角補償定值,以適應(yīng)靜止和動態(tài)時20 Hz相角差別較大的場合。
建議進行相角補償時以保護機組長時間運行狀態(tài)為原則。目前有“相角補償定值1”和“相角補償定值2”,“相角補償定值1”可在機組靜態(tài)時整定,“相角補償定值2”(機端電壓超過80%額定電壓或并網(wǎng)后投入)可在機組并網(wǎng)后整定。機組從靜態(tài)到并網(wǎng)的過程中,相角在不斷變化且時間較短,該過程保護監(jiān)測接地有偏差,但保護仍能正常動作。
同期裝置用電壓測頻時,如果同期裝置取單相相電壓且不濾波,頻率受到20 Hz信號干擾,進行同期時斷路器可能合不上。20 Hz注入電壓為零序電壓,不會影響系統(tǒng)線電壓,建議同期電壓取線電壓。
本文介紹了注入式定子接地保護原理,以某廠1 008 MW汽輪發(fā)電機組為例,詳細(xì)總結(jié)了現(xiàn)場調(diào)試方法和定值整定方法,提出了使用電纜備用芯以提高調(diào)試效率的方法。針對現(xiàn)場調(diào)試過程中出現(xiàn)的電壓、電流信號異常和接地電阻異常問題,應(yīng)檢查注入電源是否正常,測量回路接線是否緊固,發(fā)電機組內(nèi)部是否有斷點和穿芯TA是否安裝正確。最后結(jié)合若干現(xiàn)場應(yīng)用問題,闡述了電阻跳閘段保護應(yīng)依據(jù)發(fā)電機的時間常數(shù)整定延時定值,并經(jīng)安全電流閉鎖;為防止機組電氣量干擾導(dǎo)致保護誤動作,應(yīng)在機組電氣量頻率為20 Hz附近時閉鎖保護,并且保護經(jīng)電制動刀閘位置閉鎖;兩段相角補償應(yīng)在靜態(tài)和并網(wǎng)后分別整定;機組的同期電壓應(yīng)取線電壓。文中所得結(jié)論可為注入式定子接地保護的調(diào)試、檢修和研發(fā)改進提供參考。