发电机定子接地保护基波零序电压整定方法探析

马迎东 陈娜红

(国能神福(石狮)发电有限公司，福建 泉州 362000)

0 引言

随着近年来我国发电机组容量的不断增大，600MW及以上大型发电机组接地多采用配电变压器电阻接地[1]及单元接线方式，使得三相定子绕组对地电容增加且相对固定，相应的定子接地电流增大[2],当发电机端附近发生接地故障时，故障点的电容电流较大，会产生电弧，灼伤接地点的铁芯，影响发电机的安全运行。同时，接地故障会引起接地弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障[3]。因此，有效保护发电机定子绕组及铁芯的安全不仅需要完善的保护原理判据，还要有一个合理的保护动作值整定原则和方法，进而发挥定子接地保护的性能[1]。

本文结合年度电网下发定值通知单，依据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》[4]，对某2×1050MW级超超临界燃煤汽轮发电机组定子接地保护基波定值进行整定计算和校核。该发电厂一次系统接线方式见图1，发电机采用机端自并励系统，中性点采用经配电变电阻接地，主变高压侧直接接地，发电机-变压器组以单元接线接入厂内500kV升压站。厂用变低压侧各分支经18.19Ω中阻接地。发电机、变压器保护分别采用GE公司生产的G60系列、T35系列保护。

图1 一次系统接线示意图

1 主变高压及厂变分支侧接地耦合电压

1.1 耦合模型

由于系统耦合零序电压可能引起基波零序过电压保护误动作。因此在定子接地保护基波电压整定前，根据发电厂电气试验数据，对主变高压侧零序电压耦合电路中各参数进行计算、确定。

图2为主变高压侧发生单相接地故障时，系统侧基波零序电压E0会通过变压器高低压绕组间的每相耦合电容CM传递到发电机侧基波零序电压Ug0。其中，系统侧基波零序电压E0需根据系统最大运行方式、最小运行方式、发电厂最大运行方式和最小运行方式计算确定，不同方式下计算所得最大者作为系统侧单相接地时零序电压E0。表1 为该发电机组相关参数，可通过出厂报告得到。其中发电机A/B/C相对地电容Cg从《导则》附录C国产汽轮发电机定子对地电容获得。如果发电厂有实际测量数据，可以根据实际数据分析计算。

图2 主变高压侧零序电压耦合到发电机侧电路图

表1 发电机及变压器相关参数[5]

1.2 主变高压侧单相接地计算

以2021年调度基准容量值为Sj=100MVA下发边界限额值，系统最大运行方式：X1pu=0.059，X0pu=0.092；系统最小运行方式：X1pu=0.098，X0pu=0.107。

表2为系统与发电厂不同运行方式下，接地系数K值，可以看出，当系统最大运行方式、发电厂最小运行(单机运行)方式时，K值最大，E0最大。

表2 系统、发电厂不同运行方式下单相接地系数K

(1)

其中，XΣ1、XΣ2、XΣ0分别为系统最大运行方式、发电厂最小运行(单机运行)方式下主变高压侧单相接地时正序阻抗、负序阻抗及零序阻抗，UB为系统平均额定电压。

1.3 耦合电压计算

1.3.1 主变高压侧接地

根据文献[6]，主变低压绕组3相对地电容C0及变压器高低压侧耦合电容CM可以根据变压器出厂试验报告求得，数据见表3。

表3 主变压器电容量测量试验数据

由试验方法可以列方程：

(2)

求得：C0=0.0096μFC2=3CM=0.01230μF

则CM=0.0041μF

因CgΣ为发电机及外接元件每相对地电容，根据表1各参数求得：

(3)

发电机中性点接地变压器二次侧电阻值折算到一次侧为：Zn=3×0.125×(27/0.173)2=9.1341kΩ，如图2可以求得变压器高压侧单相接地故障传递到发电机侧零序电压Ug0。

(4)

1.3.2 厂变低压侧接地

计算可得，厂变低压侧接地故障耦合到机端电压仅为4.28V，因此在定子接地保护校核过程中，可以忽略该计算。

2 定子安全允许电流位置计算

根据《导则》规定，出口电压在18kV及以上发电机定子绕组单相接地故障电流允许值为1A。假设故障点距发电机中性点距离占发电机定子全长的比例为α，考虑设备定子绕组感抗值和器对地的容抗值相比十分小，计算时可以忽略设备定子绕组感抗产生的电压降[7],则接地电流Id由接地点容性电流Ic和阻性电流IR两部分构成，可计为:

(5)

根据公式(5)计算α变化时对应的接地电流，结果见表4。

表4 发电机不同接地点对应接地电流

由表4可知，当α>14.37%时，接地电流大于安全允许电流(1A)。

3 定子接地基波定值整定

3.1 低定值段整定

根据《导则》中定子接地保护基波零序电压低定值段整定原则，低定值段动作电压应按躲过正常运行时的最大不平衡基波零序电压U0.max整定。

U0.op=KrelU0.max

(6)

则U0.op=1.3×4.16=5.4V。

因U0.op已躲过主变压器高压侧耦合到机端的最大零序电压为2.14V，根据《导则》要求，动作时间t10=0.3s，出口方式：发信；

3.2 高定值段整定

根据《导则》规定，高定值段动作电压应可靠躲过传递过电压，结合前文有关定子安全允许电流位置计算结果，基波零序电压在14.37V以下，发电机定子均在安全允许电流以下，因此高定值段按不超过发电机最大允许接地短路电流整定，整定为：U0.OP1=15V，t20=0.5s，动作行为：延时0.5s出口全停。

4 结论

本文根据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》(DL/T684-2012)规定，结合发电厂及电网实际数据，提出了对发电机定子接地保护基波零序电压整定全过程计算方法及思路，最终整定低定值5.4V延时0.3s发信，高定值15V延时0.5s全停的出口方式(注意：为保证机组安全运行，该定值应根据实际发电机定子每相对地电容试验报告中获取计算，以保证机组发电机定子在安全允许电流下运行)。

整定过程中，低定值整定过程严格按照《导则》规定整定，并保证了定子接地保护范围，在机端距离中心点94.6%范围内(剩余5.4%范围由三次谐波保护实现，出口方式:发信)，具有足够的灵敏度。高定值整定方法在保证发电机定子安全允许电流的前提下，尽可能降低机组安全电流以下接地故障造成机组全停风险。因此，合理整定对于提高发电机定子接地保护的可靠性非常必要。