中小型发电机定子接地保护原理

中小型发电机定子接地保护原理

0接地保护存在的问题中小型电机的平均点通常是无接地或消弧圈接地的。在单相接地，基波的总故障电流较小，但在综合三次声波分量后，总故障电流显著增加，对电机造成威胁。因此,发电机需装设相应的定子接地保护。现有的定子接地保护通常分为两大类:一类是借助于发电机本身的电气量,如根据零序电压、零序电流大小来进行判断;另一类是将电源外加于发电机定子来进行判断。对于直接上网的中小型发电机,在电网发生单相接地时,发电机侧也会感应到零序电压和零序电流,因此,仅借助于发电机单一电气量的方法就不适用,而外加电源的定子接地保护,也会检测到接地故障,故上述2种类型的接地保护都失去了选择性。根据上述分析可知,现有的定子接地保护在用于直接并网的发电机时存在不适用或选择性差的问题,在实际应用中也经常出现使用上述原理而导致误动的情况。本文针对这些不足,提出了一种可靠性高、选择性强的新方法,现场运行的结果表明该方法很好地解决了上述不足。1在失败期间，相关电气量的特性1.1相电压及最大有效电压如图1所示,为简化分析以一台机为例,规定:发电机侧电流正方向为发电机流向母线,系统侧电流正方向为母线流向线路。设发电机每相对地电容相等,为CG,母线上的出线为N条,每条线路三相对地电容相等,为CLk(k=1,2,…,N)。忽略相间电容电流,整个系统正常运行时,在系统电压的作用下,每条线路每相对地电容电流大小可表示如下(不考虑发电机阻抗压降):ΙLk=EωCLk(1)ILk=EωCLk(1)式中:E为相电压有效值。发电机每相的对地电容电流大小为:ΙG=EωCG(2)IG=EωCG(2)由于系统对称,认为正常运行时零序电压、机端和尾部零序电流都为0。1.2非均质点不接地1.2.1发电机侧b、c供对地电容电流的计算发电机中性点不接地系统在系统侧出线k发生A相接地时的模型如图2所示。因此,系统零序电压为:˙U0=13(˙UAE+˙UBE+˙UCE)=-˙EA(3)U˙0=13(U˙AE+U˙BE+U˙CE)=−E˙A(3)由分析可知,机端零序电流互感器(TA)所感应的零序电流为发电机本身的电容电流,即3˙ΙG0=-(˙ΙGB+˙ΙGC)=3˙EAjωCG=-3˙U0jωCG(4)式中:˙ΙGB‚˙ΙGC为发电机侧B,C相的对地电容电流。可见,发电机外部系统发生单相接地时,机端零序TA中的零序电流为发电机本身的电容电流,其方向由母线流向发电机。1.2.2发电机定子单相接地时的零序电气量特征如图3,假定发电机定子A相在距中性点α处发生单相接地,则发电机任一点处的零序电压为:˙U0=13(˙UAE+˙UBE+˙UCE)=-α˙EA(5)机端零序TA中的零序电流为:3˙Ι0=Ν∑k=1(˙ΙkA+˙ΙkB+˙ΙkC)=Ν∑k=1(-3α˙EAjωCLk)=3˙U0jωΝ∑k=1CLk(6)式中:˙ΙkA‚˙ΙkB‚˙ΙkC分别为系统侧A相、B相、C相的对地电容电流。可见,发电机发生定子单相接地时,零序电流的大小为3ωU0Ν∑k=1CLk,方向由发电机流向母线。1.3中性点通过消弧圈接地1.3.1发电机的电容仍假定出线k发生A相接地,模型见图4。因此,系统零序电压为:˙U0=-˙EA(7)中性点处的零序电流为:˙ΙL=˙U0jωL=-˙EAjωL(8)故经消弧线圈补偿后,机端零序TA中的零序电流为:3˙Ι0=-(˙ΙGB+˙ΙGC+˙ΙL)=-(˙EB-˙EA)jωCG-(˙EC-˙EA)jωCG+˙EAjωL=3˙EAjωCG+˙EAjωL=˙U0j(-3ωCG+1ωL)(9)当3ωCG>1/(ωL)时,零序电流为系统流向发电机的电容电流;3ωCG=1/(ωL)时,3I0=0,机端无零序电流;3ωCG<1/(ωL)时,零序电流为发电机流向系统的电容电流。可见,在中性点经消弧线圈接地的发电机系统中,在系统侧发生区外故障的情况下,由于消弧线圈的影响,发电机端口零序电流的方向是不确定的。1.3.2发电机中性点的零序电容电流为如图5所示,假定发电机定子A相在距中性点α处发生单相接地。因此,系统零序电压为:˙U0=-α˙EA(10)中性点处的零序电流为:˙ΙL=˙U0jωL=-α˙EAjωL(11)机端零序TA中的零序电流为:3˙Ι0=Ν∑k=1(˙ΙkA+˙ΙkB+˙ΙkC)=3jω˙U0Ν∑k=1CLk(12)可见,在中性点经消弧线圈接地的发电机系统中,在定子发生单相接地的情况下,零序电容电流的方向与消弧线圈无关,都是由发电机流向母线。1.3.3零序差流的形成由1.3.1节可知,在发电机经消弧线圈接地的系统中,当系统侧线路发生故障时,发电机的机端零序电流方向失去了选择性,鉴于此,本文提出可将中性点消弧线圈中流过的零序电流与机端零序TA中流过的零序电流形成差流。系统故障时,由式(8)、式(9)可得零序差流为:内部故障时,由式(11)、式(12)可得:˙Ιd0=3˙Ι0+˙ΙL=3˙U0jωΝ∑k=1CLk+˙U0jωL=j(3ωΝ∑k=1CLk-1ωL)˙U0(14)可见,在中性点经消弧线圈接地的发电机系统中,当采用零序差流时,有以下特征:①系统侧故障时,零序差流为由母线流向发电机的电容电流;②发生定子单相接地故障时,机端零序电流的方向与消弧线圈补偿度有关,鉴于发电机一般都是采用欠补偿的方式,即3ωΝ∑k=1CLk>1/(ωL),故零序差流为发电机流向母线的电容电流。2零序电流、电压方向保护由1.2节和1.3节分析可知,对于直接并网的中小型发电机,当中性点不接地时,在系统侧发生单相接地,机端零序电流是由母线流向发电机的容性电流;定子发生单相接地时,机端零序电流方向正好相反。当中性点经消弧线圈接地,在系统侧单相接地时,虽然发电机端口零序电流的方向不确定,但零序差流为由母线流向发电机的电容电流;定子发生单相接地故障时,零序差流为发电机流向母线的电容电流。利用这2点结论对中性点不接地的发电机可以实现基于零序电流、电压方向原理的保护方案,对于中性点经消弧线圈接地的发电机可以实现基于零序差流、电压方向原理的保护方案。该保护方案在中德公司的发电机保护装置NSP711上已经得到了应用和实现。2.1发电机侧零序电流启动试验NSP711基于零序电流、电压方向的保护原理的接线图如图6所示。考虑到系统不平衡负载对零序电流方向的影响,零序电流并非纯电容性电流,即零序电流并非正好超前零序电压90°,可得出中性点不接地发电机发生定子单相接地故障时的动作方程为:{0≤arg˙Ι0˙U0≤π|3˙Ι0|>Ιset|˙U0|>Uset(15)其中,˙Ι0为机端零序TA测得的零序电流;˙U0为系统或发电机侧的零序电压;Iset为零序电流启动值;Uset为零序电压启动值。动作区域如图7所示。图8为发电机定子接地装置动作故障录波图。试验发电机中性点不接地,容量22MW,功率因数0.85,机端额定电压10kV,发电机每相对地电容0.24μF,故障位置α=0.75。计算得零序电流超前零序电压75°,所以故障时基波零序电压和基波零序电流满足式(15)动作方程。当发电机区外故障时方向正好相反,保护可靠不动。考虑到在0或π附近方向时动作的不确定性,为提高保护的选择性和可靠性,可将式(15)修改为:{α≤arg˙Ι0˙U0≤π-α|3˙Ι0|>Ιset|˙U0|>Uset(16)其中,α为偏移角。动作区域如图9所示。为提高动作电流的可靠性,零序电流只考虑电容性分量,即取Ιr=|3˙Ι0|sinθ,其中,θ=arg˙Ι0˙U0,则动作方程又可表示为:{0≤arg˙Ι0˙U0≤πΙr>Ιset|˙U0|>Uset(17)此时的动作区域如图10所示。2.2发电机接地后故障NSP711基于零序差流、电压方向的保护原理的接线图如图11所示。发电机发生定子单相接地故障时动作方程为:{0≤arg˙Ιd0˙U0≤π|˙Ιd0|>Ιset|˙U0|>Uset(18)动作区域如图12所示。图13为发电机定子接地后装置动作故障录波图。试验发电机经消弧线圈接地,容量22MW,功率因数0.85,机端额定电压10kV,发电机每相对地电容0.24μF,中性点消弧线圈电抗446Ω,故障位置α=0.75。由计算得故障时基波零序电压滞后基波零序电流110°,满足式(18)动作方程。当发电机区外故障时方向正好相反,保护可靠不动。同动作方程一样,动作区