水轮发电机定子单相接地的继电保护技术分析

2015-04-18罗民垒

机电信息 2015年9期

罗民垒

（国网西藏电力有限公司巴河发电公司，西藏林芝860000）

0 引言

继电保护是指一种对电力系统故障和危害其安全运行的异样工况所采取的有效策略，在保护中用继电器来保护电力系统及其元件。水轮发电机定子单相接地故障不仅直接影响了发电机的功效，还危害了水电站的正常生产和运营。因此，如何解决水轮发电机定子单相接地故障，需要利用科学的继电保护技术。

1 老虎嘴水电站水轮发电机概况

老虎嘴水电站的装机容量102 MW，已经安装了3台单机容量为34 MW的混流式水轮发电机组，能确保其出力23.19 MW，年均发电量已经达到了49 550万k W·h，装机的年利用小时数为4 858 h。水电站选用的发电机型号是SF34-28／6 000，主要参数为：额定容量40 MVA、额定功率34 MW、额定电压10.5 k V、额定电流2 199 A、额定频率50 Hz、相数3相、额定转速214.3 r／min、定子绕组／转子绕组F／F、飞轮力矩＞2 000 N·m。其相应的继电保护配置包括对发电机差动、发电机定子绕组单相接地、电流记忆低电压过流、发电机过电压、负序过负荷、转子接地、失磁、轴电流、励磁变时限速、励磁变压器过流及温度保护等。对发电机差动的保护将发电机纵差保护作为主保护，CT断线检测功能允许差动保护动作，保护无延时动作于停机，且同时发信号［1］。对发电机定子绕组单相接地的保护，要与发电机并网前后动作准确相符，保护出口动作于停机，且同时发信号。对电流记忆低电压过流的保护，保护装置带有两段时限，其中短时限的t1动作于跳220 k V母线分段断路器，长时限的t2动作于停机，两段同时发出信号。对负序过负荷的保护，其目的是为了反映发电机转子表层过负荷的情况，定时限延时动作于发信号［2］。对转子接地的保护，使用乒乓式转子一点接地进行保护，能表现出转子对地的绝缘电阻值，对出口带时限动作于发信号进行保护。

2 水轮发电机的中性点接地方式

水轮发电机的安全运行与中性点接地方式相关，而中性点接地方式又与定子绕组过电压、单相接地故障电流等有关。当前国内外水轮发电机的中性接地方式主要有中性点直接接地、中性点不接地、中性点经低阻接地、中性点经高阻接地以及中性点经消弧线圈欠补偿接地等，其中后两种是应用最为广泛的中性点接地方式。老虎嘴水电站水轮发电机的中性点接地方式主要采用的是中性点经高阻接地，即经配电变压器避雷器接地。因此，本文主要分析发电机中性点经避雷器高阻接地方式。该中性点接地方式的目的是为了限制间歇电弧引起的积累性电压升高，最终降低电弧接地暂态过电压。因这种接地方式会加大定子单相接地时的接地电流，在接地保护时必须快速跳闸。当中性点接地的电阻Rn≤发电机对地容抗Xc时，经避雷器高阻接地就能较好地将暂态过电压控制在安全范围内，此时如果系统的高压一侧发生单相接地，其产生的传递过电压也不会导致发电机基波零序电压定子单相接地保护出现误动现象。经避雷器高阻接地后，从故障点流过的接地电流量是流经该电阻的有功电流和发电机的接地电容电流的矢量和。这种情况下，如果发电机的对地电容加大，会使得接地故障电流加大，容易烧毁铁芯，保护出口就只能动作于瞬时跳闸，并冲击整个电力系统和发电机，形成暂态过电压。此外，发电机灭磁要一定时间，即便是断路器自动跳闸也不代表切断了故障电流，仍然存在烧毁铁芯的风险。

3 水轮发电机定子单相接地的继电保护技术实现

基波零序电压和三次谐波电压两项技术已经在水轮发电机中得到广泛的应用，而在引进国外机组后，外加电源式的定子单相接地继电保护技术也日益完善。随着微机保护的发展，不断研发和形成了新型的继电保护技术，如小波变换保护技术和行波保护技术等。

3.1 基波零序电源保护技术的应用

水轮发电机组一般是将发电机、超高压或高压电网、变压器组单元接线进行直接相连，因发电机和系统中其他元件没有电联系，接地电容电流较小，就可采用基波零序的电压保护技术。该技术在单相接地发生时，利用中性点处零序电压和检测机端的电压来判断是否发生接地故障。假定相接地发生在定子绕组距离中性点α处，α表示中性点到故障点的绕组所占全部绕组匝数的百分比，机端的各个相对低电压表示如下：UdA＝（1－α）EA、UdB＝EB－αEA、UdC＝Ee－αEA。该故障点的零序电压为U（α）＝（U＋U＋U）＝－αE。可知，故障点的零d0dAdBdCA序电压会随着故障点的位置变化而变化。发电机内部单相接地时，电压互感器二次开口的输出电压在机端接地为100 V，其零序电压为Ud0（α）＝100α（V）。保护的动作电压Ud0（α）要避开正常运行时中性点单相电压互感器三角绕组的最大不平衡电压。经过实验测试表明，当发电机正常运转时，其不平衡零序电压会≥10 V，如果电压互感器饱和的话，还会＞20 V。针对可能引发的零序电压保护误动问题，可以从动作电压整定值及延时两方面与系统接地保护进行配合。

3.2 外加电源式定子单相接地继电保护技术

该技术是在发电机正常运行下整个三相定子回路对地绝缘的基础上产生的，在发电机定子回路和大地间外加一个信号电源后起到保护作用。一般情况下，外加低频电源主要有20 Hz和12.5 Hz，在定子绕组中性点或机端将信号发送到发电机定子的系统，能100%独立完成对定子接地的保护。外加电源式定子单相接地继电保护技术能独立完成对接地故障的检测，与其他技术相比，受发电机运行方式的影响可以忽略不计，在发电机禁止和停用等情况下都能起到一定的保护作用，具有高灵敏度。不过，该技术对电源的性能和可靠性要求很高，现场调试较为复杂，且其灵敏度会受外加电源内阻大小和中性点接地方式的影响。

3.3 小波变换定子单相接地继电保护技术

该技术的灵敏度较高，能检测出发电机零序电流的突变点，利用故障点小波变换模极大值的大小、位置、符号等能有效分辨出发电机内外部接地故障。在忽略噪声对技术效应的影响时，利用该技术检测发电机接地故障可以通过以下几点实现：检测到发电机机端零序电流的小波变换模的最大值和其他发电机机端零序电流的小波变换模的最大值符号不同，位置相同数值更大时，就可以判定该发电机存在内部单相接地故障；检测到发电机端零序电流的小波变换模的最大值和其他发电机机端零序电流的小波变换模的最大值符号和位置都一致时，可以判定该发电机存在外部接地故障。但是，该技术比较容易受噪音干扰，且一旦受到噪音干扰的话，其检测结果的精准度和保护的效能会大打折扣。