姜小龍，施利民

（杭州杭發(fā)發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311251）

定子繞組單相接地故障是大型發(fā)電機定子繞組絕緣破壞比較常見的故障之一，往往對發(fā)電機的危害表現(xiàn)為匝間短路或相間短路，因此發(fā)電機保護需要配置不同原理的定子接地保護，定子繞組單相接地保護的靈敏動作和可靠性能夠極大程度上降低發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障的概率[1]?，F(xiàn)有的定子接地保護主要有雙頻注入式發(fā)電機定子接地保護和注入式定子接地保護，注入式定子接地保護主要以實際的過渡電阻大小作為判別根據(jù)，保護效果不受發(fā)電機工作情況的影響，所以，基于大型發(fā)電機對定子接地保護提出的高性能要求，更加傾向于在靜止無勵磁狀態(tài)下由定子接地保護。裝設(shè)注入式定子接地保護成為必然趨勢。注入式定子接地保護成為大型發(fā)電機繼電保護的標配。實質(zhì)上，大型發(fā)電機中性點接地方式直接決定了注入式定子接地保護的成功與否[2]。大型發(fā)電機是電力系統(tǒng)的原動力，在發(fā)電機運行中必須具備應對突發(fā)障礙的能力，因此發(fā)電機中性點接地方式的選擇與此產(chǎn)生密切的關(guān)聯(lián)。一般來講，發(fā)電機中性點的接地方式包括：中性點直接接地、中性點經(jīng)低阻抗接地、中性點不接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地和中性點經(jīng)高阻抗接地等。裝設(shè)注入式定子接地保護在高電阻接地大型發(fā)電機上已經(jīng)得到大規(guī)模應用，作為發(fā)電機中性點接地中常用的接地方式，一旦回路發(fā)生單相接地的同時，能夠限制弧光接地過電壓，減輕對發(fā)電機鐵芯的灼傷，減少對發(fā)電機及發(fā)電機回路的機械壓力，避免發(fā)電機遭受破壞。文章提出在消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護新方案，在充分驗證方案可行性的基礎(chǔ)上與常規(guī)方案進行對比[3]。

1 大型水輪發(fā)電機消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護常規(guī)方案

在常規(guī)方案中，從消弧線圈儀表線圈注入20 Hz信號，因為消弧線圈阻抗較低，所以在注入信號的過程中需要增加一個電流互感器，將其變換為適合保護裝置測量的大小。20 Hz注入式定子接地保護采用導納法計算定子繞組對地導納，在此過程中，可以補償接地裝置參數(shù)對定子繞組對地導納造成的影響?；谏鲜鰲l件下，因為消弧線圈和儀表線圈等同于單相變壓器一、二次繞組，所以可以采用T型等值電路。

在常規(guī)方案應用過程中，表現(xiàn)出下列局限性：首先，T型等值電路相對復雜，在進行接地故障過渡電阻計算的過程中涉及多個計算環(huán)節(jié)。其次，因為消弧線圈阻抗較低，所以消弧線圈儀表線圈和普通變壓器明顯不同，磁芯帶有分段氣隙，能夠避免在交流大信號或直流偏置下的磁飽和，更好地控制電感量，然而在分段氣隙降低磁導率的前提下，線圈的圈數(shù)較多，直接增加銅損。這種情況必然造成兩種后果，一方面，在定子繞組對地電阻產(chǎn)生變化時，難以進行過渡電阻的準確計算；另一方面，難以獲得消弧線圈準確的T型等值電路參數(shù)，對過渡電阻準確度的準確獲得產(chǎn)生明顯限制[4]。

2 大型水輪發(fā)電機消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護新方案

大型發(fā)電機在采用消弧線圈接地時，在接地端串接的電阻器能顯著起到限制中性點位移電壓、避免保護誤動的作用。

如圖1所示，針對消弧線圈接地方式下，在接地端串接電阻器的發(fā)電機，采用本文提出從接地端串接電阻器兩端注入20 Hz信號的接地保護新方案。由于電阻器端口的阻抗較大，同時注入的電壓也相對較大，所以被測電壓需要經(jīng)過分壓器，再被送入保護裝置。在此過程中，未增設(shè)電流互感器主要是為了在節(jié)省設(shè)備的同時簡化保護計算，在新方案的注入方式下，消弧線圈可以直接等效為阻感串聯(lián)支路。和常規(guī)保護方案不同，在新保護方案中，并不需要區(qū)分消弧線圈在變壓器空載中的等效阻抗和漏抗，計算過渡電阻的步驟相對簡化。在新方案中，由于消弧線圈在接地端串接的電阻器一端直接接地，所以其限值相對于消弧線圈自身的感抗來講而言較小，一旦發(fā)電機出現(xiàn)嚴重接地故障并不會在注入信號的端口產(chǎn)生較大電壓[5]。

圖1 發(fā)電機消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護新方案

3 動模試驗

3.1 動模試驗設(shè)計

以某水電站3號機為例，額定電壓為18 kV，消弧線圈工頻電抗XL·50=1 086Ω，等效電阻RL=5.05Ω，串接電阻Rn=30Ω。計算發(fā)電機金屬性接地故障過程中，20 Hz輔助電源裝置工頻電壓在278 V左右，該電源裝置對工頻電壓耐受為550 V，1 min，整體風險處于可控制狀態(tài)。

對水電站6臺發(fā)電機采取中性點經(jīng)消弧線圈接地的方式設(shè)計動模試驗過程，以此檢驗常規(guī)方案和新保護方案的效果，同時進行相應對比，6臺發(fā)電機額定容量為245 MVA，額定電壓為18 kV，裝設(shè)在1至4號發(fā)電機的中性點消弧線圈參數(shù)與運行擋位與發(fā)電機定子繞組對地回路每相總電容一致，為1.409μF，其中以3號發(fā)電機為例，消弧線圈的額定電壓為10 392 V，定子繞組對地回路每相總電容為1.409μF，該消弧線圈鐵芯繞儀表線圈，在接地端串聯(lián)30Ω電阻器。動模發(fā)電機額定容量30 kV·A，額定電壓為400 V、額定電流43.3 A，定子繞組每相對地電容0.038 1μF，轉(zhuǎn)速可達1 000 r·min-1，頻率50 Hz。

為了促使定子繞組對地回路的總電容、中性點消弧線圈阻抗與動模發(fā)電機近似，消弧線圈按電壓設(shè)計為18 kV，試驗設(shè)備包含動模發(fā)電機、消弧線圈、保護裝置和電源裝置，主要參數(shù)為額定容量104 kV·A、系統(tǒng)電壓18 kV、額定電壓10 392 V、額定電流10 A、與儀表線圈的匝數(shù)比為100、電流互感器變比為25 A/5 A。消弧線圈除了有儀表線圈外，自帶電流互感器，在進行試驗的過程中接地端串聯(lián)26Ω的電阻器，與30Ω的限制相差不大。

試驗接線步驟如下。

針對保護裝置測量的20 Hz電壓、電流做相角校正，保證相角測量正確；進行實驗設(shè)備接線，將發(fā)電機中性點對地短接，將電阻二次值R和電抗二次值X進行讀數(shù)，將R+jX作為補償定值代入保護裝置；退出補償試驗后，保護裝置復位到導納計算狀態(tài)，在中性點設(shè)置2 000Ω接地電阻，讀出電阻二次值R，極端出電阻折算系數(shù)后填入保護裝置定值單；當發(fā)電機處于靜止狀態(tài)時，試驗多個過渡電阻值的定子接地故障，記錄電壓、電流和過渡電阻值；啟動發(fā)電機，在空載運行條件下試驗過渡電阻值定子接地故障。常規(guī)方案試驗步驟與新方案試驗步驟大致相同[6]。

3.2 常規(guī)方案的試驗結(jié)果

在發(fā)電機處于靜止狀態(tài)，試驗結(jié)果、誤差最大已經(jīng)超過50%，詳見表1。

表1 常規(guī)方案應用時靜止狀態(tài)下定子接地故障試驗結(jié)果

在空載運行狀態(tài)下，接地故障分別發(fā)生在定子繞組距中性點10%、20%、90%處以及發(fā)電機機端。故障發(fā)生過程中，保護計算的過渡電阻值相差幅度較大，結(jié)果處于持續(xù)波動的不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 新方案的試驗結(jié)果

靜止狀態(tài)下的試驗結(jié)果，見表2。

表2 新方案應用時發(fā)電機靜止狀態(tài)下機端發(fā)生定子接地故障試驗結(jié)果

和常規(guī)方案相比，應用大型水輪發(fā)電機消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護新方案時，保護能測出接地故障最大過渡電阻由5.6 kΩ提升到20 kΩ，測量誤差在±6%以內(nèi)，保護計算結(jié)果相對更準確。

3.4 試驗結(jié)果

當發(fā)電機處于靜止狀態(tài)下，20 Hz電壓有效值與20 Hz電流有效值，隨著過渡電阻變化而產(chǎn)生變化的程度，在兩種方案中的實驗結(jié)果均較小。

從新方案看，相角所產(chǎn)生的差變化，比常規(guī)方案中相角所產(chǎn)生的差變化大，尤其在過渡電阻較大時，常規(guī)方案中相角所產(chǎn)生的差幾乎并未變化，充分驗證在上文提及的常規(guī)方案存在的局限性。一旦被測信號中故障特征的量變明顯，保護裝置采集到的信號能充分體現(xiàn)出故障、無故障間的區(qū)別，進而準確推導出過渡電阻，這是常規(guī)方案中測量過渡電阻范圍較小的根本原因。

在常規(guī)方案中，計算過渡電阻存在一定程度波動性，但對新方案來講，這種波動性的產(chǎn)生概率較小，這種現(xiàn)象是由常規(guī)方案的局限性造成的，20 Hz信號特征伴隨過渡電阻的變化而變化并不明顯，容易造成過渡電阻計算結(jié)果被信號擾動的概率逐漸增加。

發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)時，模擬定子繞組不同位置的接地故障，注入式定子接地保護測量的電阻數(shù)值并不會被模擬的故障位置所影響，也可以認定不同接地位置的計算數(shù)值并不一定反饋出的是波動的計算結(jié)果。根據(jù)過渡電阻測量值進行計算，通過常規(guī)方案得出的結(jié)果是：（7.831-4.396）/5.6×100%=61.3%，通過新方案得出的結(jié)果是：（18.97-16.38）/20×100%=12.9%。從兩個過渡電阻測量值的計算結(jié)果看，表明發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)時，常規(guī)方案結(jié)果波動明顯大于新方案結(jié)果波動[7]。

4 結(jié)束語

文章提出了大型水輪發(fā)電機消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護新方案，用來提升保護效果并克服大型水輪發(fā)電機定子繞組對地電容增大產(chǎn)生的困難，主要方式是在消弧線圈接地方式的大型發(fā)電機上從消弧線圈串接電阻兩端注入信號，這種定子接地保護新方案匹配新的接線方法。在動模試驗部分通過進行常規(guī)方案和新方案效果的對比，得出對比結(jié)果，從對比結(jié)果中可以了解到，新方案在常規(guī)方案的基礎(chǔ)上，接地故障最大過渡電阻由5.6 kΩ提升到20 kΩ，測量誤差在±6%以內(nèi)，波動并不劇烈，波動不大，整體效果明顯提升。該方案可以在大型水輪發(fā)電機技術(shù)改造時進行推廣應用，并且可以在采用消弧線圈接地方式的大型發(fā)電機上進行投放使用。