发电机消弧线圈整定计算及档位选择
2021-08-25陈啟豪钱厚军陈子明易非凡李景亳李书平
陈啟豪,钱厚军,陈子明,易非凡,李景亳,张 芸,刘 欢,刘 鹏,李书平
(中核核电运行管理有限公司,浙江 海盐 314300)
秦一厂一号机组采用发电机-变压器组单元接线方式,发电机系上海发电机厂设计制造的第一代30万千瓦级双水内冷发电机,型号为QFS-310-2,电压18 kV,功率310 MW,功率因数0.85(滞后),发电机采用中性点经消弧线圈接地方式,消弧线圈设置为欠补偿方式。该机组于1991年12月投入并网运行。
2007年实施了发电机第一次增容改造,功率提升到330 MW,功率因数提高到0.9(滞后),视在功率不变。2018年结合电厂运行许可证延续项目再次实施扩容改造,功率提升到350 MW,功率因数0.9(滞后),视在功率也相应提升,励磁系统由三机励磁方式改造为机端自并励方式,发电机效率由98.80%提高至98.85%。
按照相关设计标准,发电机中性点采用消弧线圈接地时应设置为欠补偿方式,补偿后发电机发生单相接地时允许故障电流为不大于1 A。第二次扩容改造由于采用了新的设计与工艺,发电机端部结构有所变化,同时由于励磁系统的改变,致使发电机端所连设备和装置对地电容改变,为确保消弧线圈仍旧工作在欠补偿方式最佳工作点,有必要对消弧线圈参数进行核算并重新整定。
1 单相接地故障系统分析与计算公式推导
假定发电机A相直接接地短路,不计定子绕组阻抗压降,发电机中性点连接消弧线圈,如图1所示。图中,UA,UB,UC为发电机各相电压;CA,CB,CC为发电机各相接地电容。
图1 单相接地故障中性点经消弧线圈接地示意图
为便于计算分析,将图1转化为等效电路形式,如图2所示。
图2 单相接地故障中性点经消弧线圈系统等效电路图
首先,由图2可得电容电流:
(1)
(2)
假定Z=R+jXL,可得阻抗电流:
(3)
根据基尔霍夫电流定律,故障相电流(入地电流):
(4)
式(4)中,虚部(IC-IL)表示消弧线圈对电容电流的削弱作用,将(IC-IL)视为广义电容电流。
若考虑各电流为已知量,则阻抗可表示为电阻部分(实部):
(5)
电抗部分(虚部):
(6)
式(5)与式(6)即为计算消弧线圈阻抗参数通用公式。
2 设计参数输入
机端连接设备和装置一般有主变压器、发电机封闭母线 (电力电缆、电流互感器、电压互感器及过电压保护电容器在整定计算时可以忽略不计)。
发电机机端电压:UN=18 kV;
发电机定子单相对地电容Cf:0.277 μF;
主变绕组三相对地电容CT:0.030 52 μF。
离相封闭母线的外壳是接地的,单相对地电容可按同轴圆导体电容计算:
(7)
式中,CFM——封闭母线每相对地电容,μF;
l——封闭母线长度,m;
RR、RM——封闭母线外壳和导体半径,m;
ε——空气的介电常数,ε=8.86×10-12。
计算离相封闭母线单相对地电容CM:0.000 076 11 μF/m;
核实秦山一厂发电机封闭母线布置图,离相封闭母线长度:40 m。
3 消弧线圈参数选择及核算
3.1 电容电流核算
电容电流的计算,包括发电机及其电压回路的设备和连接线对地电容电流:
CΣ=0.290 2 μF
式中,XC——发电机回路电抗,Ω;
CΣ——发电机回路总对地电容;
ω——发电机角频率。
3.2 补偿系数的选择
当认为消弧线圈为纯电感时,通常定义补偿系数k为电容电流与电感电流有效值的比值。但考虑消弧线圈本身及附加的电阻时,这样定义就不准确了,因为流经消弧线圈的并不是纯电感电流,这时应该从消弧线圈的补偿机理出发定义k为电容电流与消弧线圈的感性分量电流有效值的比值,以下按此定义计算。 经消弧线圈接地可以将故障电流限制在允许接地电流范围内,其串联小值电阻后,可以降低暂态过电压,并把传递过电压限制在安全范围内。Ia为补偿后的故障电流,Iδ为设定的允许接地电流,计算满足允许接地电流时的消弧线圈电感L和电阻R及相应的补偿系数k。
(8)
(9)
联立(7)与(8)解得:
(10)
所以,若将故障电流限制在Iδ范围内,补偿系数应满足(10)关系。
3.3 消弧线圈容量及感性补偿电流选择
根据GB 14285—2016继电保护和安全自动装置技术规程[1]规定,采用消弧线圈接地时,发电机允许单相故障电流值如表1所示。
表1 发电机允许单相故障电流
3.4 消弧线圈脱谐度整定
4 消弧线圈档位选择
秦一厂原消弧线圈实际接线如图3所示,实测各档参数见表2。
图3 消弧线圈实际接线图
表2 发电机消弧线圈试验数据
表3 感性电流计算值
第四档抽头4-5与计算值最接近,考虑选用第四档位。
残余电流:I=0.352 A<1 A。
单相接地故障时可不跳闸停机,保护动作于信号。
5 结论
本文针对中性点经消弧线圈接地的发电机,对其消弧线圈的参数进行了推导计算,并结合秦山核电厂30万千瓦级发电机扩容改造,对消弧线圈进行了参数核算和档位微调,确保发电机及其消弧线圈工作在欠补偿方式的最佳工作点,可供同类接线方式的发电机消弧线圈的设计制造和参数核算参考。