潘雪梅

廣西方元電力股份有限公司橋鞏水電站分公司，廣西來(lái)賓 546119

橋鞏水電站定子接地保護(hù)無(wú)選擇性的整改

潘雪梅

廣西方元電力股份有限公司橋鞏水電站分公司，廣西來(lái)賓 546119

本文介紹了橋鞏水電站發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)無(wú)無(wú)選擇性的整改方案及試驗(yàn)結(jié)果。采用機(jī)端電流計(jì)算零率功率作為零序功率方向元件，實(shí)現(xiàn)兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線(xiàn)下的定子接地保護(hù)選擇。理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了整改的要求

橋鞏水電站；定子接地保護(hù)；誤動(dòng)；選擇性；零序電流采樣

橋鞏水電站為紅水河第九個(gè)梯級(jí)電站，共安裝8臺(tái)57MW的燈泡貫流式機(jī)組，發(fā)電機(jī)及變壓器采用兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線(xiàn)，為檢測(cè)單臺(tái)發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈及出口短路故障，要求裝設(shè)帶選擇性的定子接地保護(hù)。該保護(hù)設(shè)計(jì)采用了綜合基波零序電壓、三次諧波零序電壓、零序功率方向等各判據(jù)的工作原理。要求帶選擇性的定子接地保護(hù)動(dòng)作后，選擇性的跳故障發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)。但2009年6月發(fā)生了一起#3機(jī)組定子出口母排發(fā)生B相接地短路故障，但發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)未能實(shí)現(xiàn)選擇性跳發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)，而是同時(shí)跳開(kāi)#3及#4機(jī)組的出口開(kāi)關(guān)，因此原設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)動(dòng)作未能實(shí)現(xiàn)選擇性，下面就定子接地保護(hù)無(wú)選擇性動(dòng)作的原因進(jìn)行分析，并提出整改方案。

1 無(wú)選擇性原因分析

1.1 橋鞏水電站定子接地保護(hù)設(shè)計(jì)方案

在橋鞏水電站發(fā)電機(jī)保護(hù)招標(biāo)設(shè)計(jì)討論時(shí)，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)定子接地保護(hù)的選擇性，由橋鞏水電站業(yè)主與設(shè)計(jì)院，會(huì)同國(guó)內(nèi)大學(xué)的有關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行了研討。研討后審定，兩機(jī)一變接線(xiàn)的定子接地保護(hù)，實(shí)現(xiàn)選擇性由零序功率方向作為判別故障元件，從而實(shí)現(xiàn)選擇性。保護(hù)原理為在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，存在全系統(tǒng)均存在零序電壓，在非故障元件上的電容性無(wú)功功率方向由母線(xiàn)流向非故障元件，而故障元件上的電容性無(wú)功功率方向由故障元件流向母線(xiàn)。因此利用零序功率方向可來(lái)判定發(fā)電機(jī)內(nèi)部是否發(fā)生故障，且相對(duì)于零流電流保護(hù)，零序功率方向保護(hù)的靈敏度相對(duì)較高。因此橋鞏水電站在發(fā)電機(jī)保護(hù)招標(biāo)時(shí)確定了以零序功率方向來(lái)實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)的選擇性。

1.2 保護(hù)要求實(shí)現(xiàn)的功能

要求裝設(shè)對(duì)于二機(jī)一變接線(xiàn)的單臺(tái)發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子接地具有選擇性的保護(hù)。投標(biāo)人應(yīng)結(jié)合基波零序電壓、三次諧波零序電壓、零序功率方向角等給出適用于本工程并具有一定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的帶選擇性定子接地保護(hù)方案，要求基波零序三次諧波濾過(guò)比>100。

要求保護(hù)動(dòng)作情況：

1）帶選擇性的定子接地保護(hù)

延時(shí)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器、跳磁場(chǎng)斷路器、停機(jī)；

發(fā)事故信號(hào)。

2）中性點(diǎn)三次諧波電壓保護(hù)

延時(shí)發(fā)預(yù)告信號(hào)；

3）保護(hù)的技術(shù)參數(shù)要求

零序電壓定值范圍：5～20V，誤差不超過(guò)±2.5%；

三次諧波比率定值范圍：0.5～5，定值誤差±10%；

零序電流一次定值范圍：1～10A，誤差不超過(guò)±2.5%；

零序電流二次定值范圍：5～100mA，誤差不超過(guò)±2.5%；

時(shí)間元件定值范圍：0.1～10s，誤差不超過(guò)±1%。

1.3 實(shí)際運(yùn)行存在的問(wèn)題及對(duì)策：

1.3.1 問(wèn)題1

由于定子接地電流很小，一般采用小變比的電流互感器。由于正常情況下零序不平衡電流相對(duì)較大，而發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的故障零序電流又較小，給零序電流采樣帶來(lái)了很大的困難。采用變比小的電流互感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TA）傳變精度就難以達(dá)到保護(hù)要求。對(duì)策1：就目前的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)而然,生產(chǎn)這種變比小的電流互感器的的時(shí)間較短，能夠成功生產(chǎn)出傳變精度較高，滿(mǎn)足保護(hù)要求的廠家不多，必須在采購(gòu)階段預(yù)予保證。

1.3.2 問(wèn)題2

保護(hù)投運(yùn)時(shí)未能根據(jù)機(jī)組實(shí)際TA的特性及機(jī)組的不平衡電流來(lái)整定機(jī)序電流與機(jī)端3UO的相位角,因此保護(hù)雖然設(shè)定了選擇性保護(hù),但確很難保證正確性。發(fā)生區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時(shí)，如果零序電流變化較大，零序功率方向元件的正確性不容易得到保證。對(duì)策2：零序功率方向元件的選擇比較重要。通過(guò)比較，采用復(fù)合電流作為零序功率方向元件的測(cè)量電流時(shí)，電流變化較大，對(duì)正確性影響很大，常常不能保護(hù)正確性。要保證正確性，需根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)TA及機(jī)端的電壓互感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TV）來(lái)整定保護(hù)各數(shù)據(jù)，即采用機(jī)端電流作為零序功率方向元件的測(cè)量電流，這時(shí)，區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障時(shí)電流變化不大，較容易實(shí)現(xiàn)正確性。

2 定子接地保護(hù)整改方案

2.1 原理分析

圖1為兩機(jī)一并擴(kuò)大單元接線(xiàn)方式。

圖1 擴(kuò)大單元接線(xiàn)示意圖

假定圖1中發(fā)電機(jī)G1發(fā)生區(qū)內(nèi)定子接地故障，故障點(diǎn)位于定子繞組A相距中性點(diǎn)α處，接地故障電阻為Rf,其等值電路如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)G1發(fā)生定子接地故障時(shí)等值電路

由圖2可知，零序電壓：

機(jī)端零序電流（通過(guò)TA1的零序電流）為：

式中，RN=N2Rn

一般系統(tǒng)中，為抑制間歇性的單相接地故障重燃弧引起的尖峰過(guò)電壓，接地變二次電阻Rn折算到一次側(cè)應(yīng)滿(mǎn)足要求：RN≤1/(3ω(Cg+Cl+Cb)),結(jié)合（2）式可知，發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，零序電流應(yīng)超前零序電壓0～45o。

當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，等效電路圖如圖3所示。

圖3 區(qū)外單相接地時(shí)零序等效電路

機(jī)端零序電流（通過(guò)TA1電流）：

由式（3）可知，發(fā)生區(qū)外單相接地故障時(shí)，零序電流滯后零序電壓135°～180°。

由式（2）可計(jì)算發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，零序電流超前零序電壓的角度為：φ=arctan(3ω(2Cl+Cg+Cb)RN),定義φ為零序方向元件的靈敏角。

由以上分析可知，采用機(jī)端電流可明確判斷發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)區(qū)外單相接地故障，滿(mǎn)足擴(kuò)大單元接線(xiàn)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作選擇性的要求。下面以某一算例分析說(shuō)明。

2.2 算例分析

參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)定子單相接地電容Cg=0.791uf,機(jī)端引出電纜對(duì)地電容Cl=0.1088uf，機(jī)端電壓為13.8KV，接地變變比為13.8/0.23KV,接地變二次電阻為0.25Ω，機(jī)端TA變比為20/1。

設(shè)發(fā)電機(jī)G1機(jī)端發(fā)生A相金屬性接地短路故障，α=1，所有計(jì)算都?xì)w算到一次側(cè)。

零序電壓 U0=13.8/1.732=7.9677 KV

接地變一次電阻 Rn=0.25*(13.8/0.23)*(13.8/0.23)=900 Ω

發(fā)電機(jī)G1機(jī)端零序電流為：

I0t1=U0*(1/Rn+j*3*ω*(2Cl+Cg))

=7967.7*(1/900+j*3*2*3.14*50*(2*0.1088+0.791)*10-6)

=8.85+j*7.57 （A）=11.64∠40.54°（A）

保護(hù)裝置測(cè)得電流：11.64∠40.54°/20=0.528∠40.54°（A）

發(fā)電機(jī)G1中性點(diǎn)零序電流：

I0n1=U0/Rn =7967.7/900 =8.85 （A）

I01= I0t1+ I0n1=19.25∠23.15°（A）

母線(xiàn)發(fā)生A相接地故障時(shí)（區(qū)外故障），G1機(jī)端零序電流：

I0t2=-U0*(1/Rn+j*ω*3Cg)

=-7967.7*(1/900+j*3*2*3.14*0.791*10-6)

=-8.85-j*5.94=10.658∠213.87°（A）

中性點(diǎn)零序電流：

I0n2=U0/Rn =7967.4/900=8.85 （A）

I02 = I0t2+ I0n2 =5.94∠-90°（A）

基波零序電壓式定子接地保護(hù)，保護(hù)范圍為由機(jī)端至機(jī)內(nèi)90%，在靠近發(fā)電機(jī)G1中性點(diǎn)發(fā)生A相接地短路時(shí)，取零序電壓為U0’=0.1*7967.4=796.74 V,

發(fā)電機(jī)G1零序電流為 I0t1’=1.164∠40.54°（A）

保護(hù)裝置測(cè)得電流1.164∠40.54°/20=0.0528∠40.54°（A）

中性點(diǎn)零序電流為I0n1’=0.885 （A）

I01’= I0t1’+ I0n1’=1.925 ∠ 23.15°（A）

在靠近發(fā)電機(jī)G2中性點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，對(duì)G1而言為區(qū)外故障，其機(jī)端零序電流為I0t2’=1.0658∠213.87°（A）

中性點(diǎn)零序電流為I0n2’=0.885 （A）

I02’= I0t2’+ I0n2’=0.594 ∠ -90°（A）

由表1可以看出，在發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，采用復(fù)合零序電流來(lái)計(jì)算零序功率時(shí)，零序電流幅值稍有增加，但在區(qū)外發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電流幅值大為減小，這對(duì)零序功率方向的判斷是不利的。采用機(jī)端電流計(jì)算零序功率方向時(shí)，區(qū)外區(qū)內(nèi)故障零序電流的幅值大小變化不大，只要保護(hù)裝置TA的選型得當(dāng)，完全可以滿(mǎn)足選擇性定子接地方案的要求。

表1 發(fā)電機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)，采用機(jī)端零序電流和復(fù)合零序電流計(jì)算零序功率比較

2.3 擴(kuò)大單元定子接地方案

1）將3U0設(shè)為兩段，3U0(t1)未經(jīng)零序功率方向閉鎖，3U0(t2)經(jīng)零序方向閉鎖，要求t1=t2+?t。

2）選擇機(jī)端零序電流和機(jī)端PT開(kāi)口三角3U0計(jì)算零序功率。

3）三次諧波保護(hù)不變，即采用常規(guī)三次諧波保護(hù)。

2.4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

1）為保證接地試驗(yàn)對(duì)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不構(gòu)成威脅，試驗(yàn)在一臺(tái)未并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)上進(jìn)行。

2）在停機(jī)狀態(tài)下，在發(fā)電機(jī)的定子出線(xiàn)端設(shè)置單相接地點(diǎn)，模擬發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)單相接地故障，啟動(dòng)機(jī)組至空載，手動(dòng)投勵(lì)磁，遞升勵(lì)磁電流，觀察參數(shù)顯示界面3U0，3I0，P0顯示值，直到3Uo超過(guò)整定定值，檢驗(yàn)保護(hù)動(dòng)作行為。

3）在停機(jī)狀態(tài)下，在機(jī)端TA與斷路器之間或在機(jī)端出口母線(xiàn)設(shè)置單相接地點(diǎn)故障，模擬發(fā)電機(jī)區(qū)外單相接地故障，啟動(dòng)機(jī)組至空載，手動(dòng)投勵(lì)磁，遞升勵(lì)磁電流，觀察參數(shù)顯示界面3U0，3I0，P0顯示值，直到3Uo超過(guò)整定定值，檢驗(yàn)保護(hù)動(dòng)作行為。

4）在開(kāi)機(jī)并網(wǎng)帶滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)下，觀察不平衡電流的大小，看是否對(duì)方向原件構(gòu)成影響。

2010年3月初首先對(duì)#1機(jī)組按上述方案進(jìn)行了試驗(yàn)，表明了原保護(hù)裝置TA的選型滿(mǎn)足定子接地的保護(hù)要求。多次接地試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，接地保護(hù)能正確選擇故障機(jī)組，跳開(kāi)故障機(jī)組的出口開(kāi)關(guān)，發(fā)生區(qū)外單相接地故障時(shí)，接地保護(hù)能可靠閉鎖。

2010年3月份對(duì)橋鞏水電站全部機(jī)組均進(jìn)行了模擬接地試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了零序方向元件動(dòng)作的正確性。

5）存在的死區(qū)問(wèn)題

保護(hù)的一次接線(xiàn)圖上述見(jiàn)圖1：

由于橋鞏水電站設(shè)計(jì)的機(jī)端TA安裝在發(fā)電機(jī)出口處，從TA處由共相母線(xiàn)接至發(fā)電機(jī)組出口開(kāi)關(guān)，再接至兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的離箱母線(xiàn)。在TA至QF的離箱母線(xiàn)下端發(fā)生單相接地故障時(shí)，保護(hù)將存在區(qū)死，無(wú)法實(shí)現(xiàn)選擇性切除故障，將可能同時(shí)跳開(kāi)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)。由于從TA處至發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)一次部分接線(xiàn)均為封閉式的共箱母線(xiàn)接線(xiàn)，發(fā)生接地故障的概率很小。因此存在的死區(qū)對(duì)整個(gè)定子接地保護(hù)影響很小。

3 結(jié)論

橋鞏水電站發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)，經(jīng)過(guò)整改，實(shí)現(xiàn)保護(hù)選擇性。采用3UO作為動(dòng)作判據(jù)，選擇機(jī)端零序電流和機(jī)端PT開(kāi)口三角3U0計(jì)算零序功率構(gòu)成零序功率方向元件。比較零序電流及機(jī)端零序電壓的相位關(guān)系，能準(zhǔn)確地判斷區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，從而保證了擴(kuò)大單元定子接地保護(hù)運(yùn)作的選擇性，避免了誤跳非故障機(jī)組,解決了橋鞏水電站兩機(jī)一變接線(xiàn)的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)無(wú)選擇性的難題。目前該保護(hù)方案已在橋鞏電站8臺(tái)機(jī)組已全部整改完成并投入運(yùn)行。

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1674-6708（2010）23-0170-02

潘雪梅，工程師，從事水電建設(shè)、管理工作