馬迎東 陳娜紅

(國能神福(石獅)發(fā)電有限公司，福建 泉州 362000)

0 引言

隨著近年來我國發(fā)電機組容量的不斷增大，600MW及以上大型發(fā)電機組接地多采用配電變壓器電阻接地[1]及單元接線方式，使得三相定子繞組對地電容增加且相對固定，相應的定子接地電流增大[2],當發(fā)電機端附近發(fā)生接地故障時，故障點的電容電流較大，會產(chǎn)生電弧，灼傷接地點的鐵芯，影響發(fā)電機的安全運行。同時，接地故障會引起接地弧光過電壓，可能導致發(fā)電機其他位置絕緣的破壞，形成危害嚴重的相間或匝間短路故障[3]。因此，有效保護發(fā)電機定子繞組及鐵芯的安全不僅需要完善的保護原理判據(jù)，還要有一個合理的保護動作值整定原則和方法，進而發(fā)揮定子接地保護的性能[1]。

本文結合年度電網(wǎng)下發(fā)定值通知單，依據(jù)《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》[4]，對某2×1050MW級超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機組定子接地保護基波定值進行整定計算和校核。該發(fā)電廠一次系統(tǒng)接線方式見圖1，發(fā)電機采用機端自并勵系統(tǒng)，中性點采用經(jīng)配電變電阻接地，主變高壓側直接接地，發(fā)電機-變壓器組以單元接線接入廠內500kV升壓站。廠用變低壓側各分支經(jīng)18.19Ω中阻接地。發(fā)電機、變壓器保護分別采用GE公司生產(chǎn)的G60系列、T35系列保護。

圖1 一次系統(tǒng)接線示意圖

1 主變高壓及廠變分支側接地耦合電壓

1.1 耦合模型

由于系統(tǒng)耦合零序電壓可能引起基波零序過電壓保護誤動作。因此在定子接地保護基波電壓整定前，根據(jù)發(fā)電廠電氣試驗數(shù)據(jù)，對主變高壓側零序電壓耦合電路中各參數(shù)進行計算、確定。

圖2為主變高壓側發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)側基波零序電壓E0會通過變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容CM傳遞到發(fā)電機側基波零序電壓Ug0。其中，系統(tǒng)側基波零序電壓E0需根據(jù)系統(tǒng)最大運行方式、最小運行方式、發(fā)電廠最大運行方式和最小運行方式計算確定，不同方式下計算所得最大者作為系統(tǒng)側單相接地時零序電壓E0。表1 為該發(fā)電機組相關參數(shù)，可通過出廠報告得到。其中發(fā)電機A/B/C相對地電容Cg從《導則》附錄C國產(chǎn)汽輪發(fā)電機定子對地電容獲得。如果發(fā)電廠有實際測量數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實際數(shù)據(jù)分析計算。

圖2 主變高壓側零序電壓耦合到發(fā)電機側電路圖

表1 發(fā)電機及變壓器相關參數(shù)[5]

1.2 主變高壓側單相接地計算

以2021年調度基準容量值為Sj=100MVA下發(fā)邊界限額值，系統(tǒng)最大運行方式：X1pu=0.059，X0pu=0.092；系統(tǒng)最小運行方式：X1pu=0.098，X0pu=0.107。

表2為系統(tǒng)與發(fā)電廠不同運行方式下，接地系數(shù)K值，可以看出，當系統(tǒng)最大運行方式、發(fā)電廠最小運行(單機運行)方式時，K值最大，E0最大。

表2 系統(tǒng)、發(fā)電廠不同運行方式下單相接地系數(shù)K

(1)

其中，XΣ1、XΣ2、XΣ0分別為系統(tǒng)最大運行方式、發(fā)電廠最小運行(單機運行)方式下主變高壓側單相接地時正序阻抗、負序阻抗及零序阻抗，UB為系統(tǒng)平均額定電壓。

1.3 耦合電壓計算

1.3.1 主變高壓側接地

根據(jù)文獻[6]，主變低壓繞組3相對地電容C0及變壓器高低壓側耦合電容CM可以根據(jù)變壓器出廠試驗報告求得，數(shù)據(jù)見表3。

表3 主變壓器電容量測量試驗數(shù)據(jù)

由試驗方法可以列方程：

(2)

求得：C0=0.0096μFC2=3CM=0.01230μF

則CM=0.0041μF

因CgΣ為發(fā)電機及外接元件每相對地電容，根據(jù)表1各參數(shù)求得：

(3)

發(fā)電機中性點接地變壓器二次側電阻值折算到一次側為：Zn=3×0.125×(27/0.173)2=9.1341kΩ，如圖2可以求得變壓器高壓側單相接地故障傳遞到發(fā)電機側零序電壓Ug0。

(4)

1.3.2 廠變低壓側接地

計算可得，廠變低壓側接地故障耦合到機端電壓僅為4.28V，因此在定子接地保護校核過程中，可以忽略該計算。

2 定子安全允許電流位置計算

根據(jù)《導則》規(guī)定，出口電壓在18kV及以上發(fā)電機定子繞組單相接地故障電流允許值為1A。假設故障點距發(fā)電機中性點距離占發(fā)電機定子全長的比例為α，考慮設備定子繞組感抗值和器對地的容抗值相比十分小，計算時可以忽略設備定子繞組感抗產(chǎn)生的電壓降[7],則接地電流Id由接地點容性電流Ic和阻性電流IR兩部分構成，可計為:

(5)

根據(jù)公式(5)計算α變化時對應的接地電流，結果見表4。

表4 發(fā)電機不同接地點對應接地電流

由表4可知，當α>14.37%時，接地電流大于安全允許電流(1A)。

3 定子接地基波定值整定

3.1 低定值段整定

根據(jù)《導則》中定子接地保護基波零序電壓低定值段整定原則，低定值段動作電壓應按躲過正常運行時的最大不平衡基波零序電壓U0.max整定。

U0.op=KrelU0.max

(6)

則U0.op=1.3×4.16=5.4V。

因U0.op已躲過主變壓器高壓側耦合到機端的最大零序電壓為2.14V，根據(jù)《導則》要求，動作時間t10=0.3s，出口方式：發(fā)信；

3.2 高定值段整定

根據(jù)《導則》規(guī)定，高定值段動作電壓應可靠躲過傳遞過電壓，結合前文有關定子安全允許電流位置計算結果，基波零序電壓在14.37V以下，發(fā)電機定子均在安全允許電流以下，因此高定值段按不超過發(fā)電機最大允許接地短路電流整定，整定為：U0.OP1=15V，t20=0.5s，動作行為：延時0.5s出口全停。

4 結論

本文根據(jù)《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》(DL/T684-2012)規(guī)定，結合發(fā)電廠及電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)，提出了對發(fā)電機定子接地保護基波零序電壓整定全過程計算方法及思路，最終整定低定值5.4V延時0.3s發(fā)信，高定值15V延時0.5s全停的出口方式(注意：為保證機組安全運行，該定值應根據(jù)實際發(fā)電機定子每相對地電容試驗報告中獲取計算，以保證機組發(fā)電機定子在安全允許電流下運行)。

整定過程中，低定值整定過程嚴格按照《導則》規(guī)定整定，并保證了定子接地保護范圍，在機端距離中心點94.6%范圍內(剩余5.4%范圍由三次諧波保護實現(xiàn)，出口方式:發(fā)信)，具有足夠的靈敏度。高定值整定方法在保證發(fā)電機定子安全允許電流的前提下，盡可能降低機組安全電流以下接地故障造成機組全停風險。因此，合理整定對于提高發(fā)電機定子接地保護的可靠性非常必要。