发电机出口断路器对三次谐波定子接地保护的影响

2014-02-13李毅兀鹏越张钢

电力建设 2014年3期

李毅，兀鹏越，张钢

(西安热工研究院有限责任公司，西安市710032)

0 引言

统计表明，在发电机的各种故障中，定子接地故障约占30.9%［1］，为确保发电机的安全，发电机要装设定子接地保护。规程规定，对容量为100 MW及以上的发电机，应装设100%定子接地保护(即没有死区的接地保护)。目前广泛应用的100%定子接地保护采用“基波零序电压+三次谐波电压”原理，基波零序电压保护发电机机端及由机端向中性点80%～90%的定子绕组接地故障，三次谐波电压式保护主要保护发电机中性点及由中性点向机内20%～25%的定子绕组接地故障。然而，发电机三次谐波电压受机组接线形式影响较大，每个机组的三次谐波大小都各不相同，需要根据实测数值来整定。

很多大型发电机组采用出口断路器(gas circuit breaker，GCB)接线形式，这种断路器在端口两侧都配置了电容器。与发电机出口没有GCB的机组相比，这些电容器对三次谐波电压影响很大，直接影响定子接地保护效果。本文结合2例工程实例分析了GCB对三次谐波定子接地保护的影响，提出了工程保护现场测量和保护参数设定的注意事项。

1 三次谐波定子接地原理

当在距发电机中性点α(α为中性点到故障点的匝数占每相分支总匝数的百分比)处发生定子绕组金属性单相接地时，中性点N和机端S处的三次谐波电压分别为

式中:E3为发电机三次谐波相电动势。US3和UN3的关系曲线如图1所示。用US3作为动作量，UN3作为制动量，构成发电机定子绕组单相接地保护，可以保护定子绕组中性点及其附近范围内的定子接地故障。

图1 三次谐波示意图Fig.1 Third harmonic

2 GCB接线方式.

发电机出口GCB通过分相封闭母线与发电机、主变压器、厂用高压工作变压器等设备相连。在发电机出口装设GCB的接线方式，在大容量火电机组已经广泛采用，其有以下优点:(1)可以避免正常起停机时高压厂用工作电源与起动电源之间的切换;(2)可以在不失去厂用电源的条件下实现机炉系统故障时停机;(3)可以防止主变压器或高压厂用工作变压器内部故障的扩大。

由于发电机电抗较小，回路分布电容也较小，GCB在开断时将面临很高的高频振荡频率及很高的暂态恢复电压陡度。为了降低或改善恢复电压陡度，降低高频振荡频率，国外一些厂家生产的发电机GCB，在其两侧都配有吸收电容器，如图2所示［4］。

图2 GCB示意图Fig.2 GCB

3 三次谐波保护应用中的问题

越南冒溪电厂2×220 MW火力发电项目的发电机选用上海电气集团生产的QFSN-220－2型发电机。发电机出口GCB由阿海珐公司生产，其发电机侧电容CD2=100 nF，主变侧电容CD1=400 nF。发电机保护选用南瑞继保生产的RCS-985G保护装置。发电机中性点高阻接地。

在冒溪电厂的机组整套启动中，发电机中性点和机端三次谐波在并网前后的电压比值与无GCB的机组比较，明显偏小。冒溪启动记录三次谐波参数如表1所示。

表1 冒溪电厂不同负荷下保护测量参数Tab.1 Protection parameters under different loads in Maoxi power plant

华能伊敏电厂5号发电机组，发电机保护选用南瑞继保生产的RCS-985G保护装置。发电机中性点高阻接地，单元发变组接线，无发电机出口GCB，不同负荷下三次谐波参数如表2所示。

表2 伊敏电厂不同负荷下保护测量参数Tab.2 Protection parameters under different loads Yiming power plant

由表1、2知，并网后机端三次谐波电压、中性点三次谐波电压随着负荷的增大而增大，趋势相同。冒溪电厂三次谐波机端电压与中性点电压的比值为0.13～0.16，伊敏电厂三次谐波机端电压与中性点电压的比值为1.15～1.21，因此，对于发电机出口装设GCB的机组定子接地保护，三次谐波比率系数数值要远小于没有GCB机组的保护数值，这是现场实测三次谐波参数时需要特别注意的地方。

4 问题分析

发电机运行时，均会产生三次谐波电势。在发电机定子绕组及对地分布电容构成的回路中，流过三次谐波电流在发电机端及中性点对地之间产生三次谐波电压。如果机端由于安装GCB而接入与发电机对地电容大小相近的电容，增大机端电容值，就会改变机端与中性点的三次谐波电压，机端的三次谐波电压明显减小，三次谐波比值也就随着减小。以下分别是无GCB机组的三次谐波比率计算和有GCB机组的三次谐波比率计算。

4.1 无GCB机组三次谐波比率计算

三相外接元件对地分布电容为Ct，发电机每相对地电容为Cg，中性点接地电阻为RN，机端对地阻抗为ZS3，中性点对地阻抗为ZN3，如图3所示。

图3 三次谐波示意图Fig.3 Third harmoni

在发电机中性点经变压器高阻接地，发电机三次谐波分布将有:

式中:ω为角频率。由于三相外接元件对地分布电容Ct较小，故有:

计算值与伊敏电厂5号机组值相当，见表(2)中三次谐波比率数据。

4.2 GCB机组三次谐波比率计算

冒溪电厂装设有出口断路器，出口断路器的每相对地电容 C=0.5 μF，发电机每相对地电容 Cg=0.174 μF，则 Ct=2.87Cg。重新计算得:

计算值与冒溪电厂机组值接近，见表(1)中三次谐波比率数据。

由以上分析计算可见，计算数据与实测结果基本一致，说明了分析的正确性。

5 保护定值整定的注意事项

根据上述数据及计算，可知发电机组安装出口GCB后，由于GCB两侧的并联电容，并网前三次谐波电压比率与并网后三次谐波电压比率相差较大，相差3～4倍，而且并网后随负荷增大三次谐波电压比率基本不变。发电机组无出口GCB，由于并网前后，机端等值电容变化不是很大，并网前三次谐波电压比率(1.44)与并网后三次谐波电压比率(1.15)相差不是很大。

南瑞继保生产的RCS-985G保护装置，三次谐波电压比率定子接地保护采用绝对值比较，动作方程:

式中:k3wzd为三次谐波电压比率整定值。动作方程可以转化为

根据图3所示E3等于机端三次谐波电压实测值与机端三次谐波电压实测值矢量和。

安装发电机出口GCB的隐极式发电机组的三次谐波电压比率定子接地保护，若机组并网前后各设一段定值，k3wzd整定为实测值的1.1倍，并网前k3wzd=0.55，并网后k3wzd=0.154，得出并网前、并网后保护范围为64.5%、86.6%。并网前、后保护范围过大，而三次谐波电压式保护主要保护发电机中性点及由中性点向机内20% ～25%的定子绕组接地故障，并网后的保护范围与基波定子接地保护配合重合范围较多。并网前后使用一套三次谐波比值保护定值，根据并网后的实测值整定，k3wzd整定为并网后实测值1.1倍即k3wzd=0.154，并网前实测值0.50，保护误动。并网前后使用一套三次谐波比值保护定值，根据并网前实测值整定，k3wzd整定为并网前实测值1.1倍即k3wzd=0.55，得出并网前、并网后保护范围α均为64.5%。保护范围与基波定子接地保护重合范围也较多。

根据上述3种定值的设定方法，可采用并网前后使用一套k3wzd=0.55的保护定值。也可适当增大k3wzd值。