楊代勇,楊 明,趙春明,李 漫,張敬武

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院,長春 130021;2.大唐長春第二熱電有限責(zé)任公司,長春 130031;3.大唐長春第三熱電廠,長春 130103)

近年來吉林省發(fā)生的幾起發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作故障,綜合分析其主要原因有兩個(gè):一是發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣故障造成發(fā)電機(jī)某相定子繞組接地;二是發(fā)電機(jī)出口電壓互感器(TV)故障導(dǎo)致機(jī)端三相對(duì)地電壓不平衡,發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作。國內(nèi)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣故障導(dǎo)致的三相對(duì)地電壓不平衡研究較多,因此,本文重點(diǎn)對(duì)發(fā)電機(jī)出口電壓互感器故障導(dǎo)致的三相對(duì)地電壓不平衡進(jìn)行矢量分析和定量分析。

1 發(fā)電機(jī)接線方式

吉林省某電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)接線方式如圖1所示。圖1中 TV1做發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)和故障錄波用,TV2做發(fā)電機(jī)勵(lì)磁測(cè)量表計(jì)和定子匝間短路保護(hù),TV3做發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電度表用,中性點(diǎn) TVN做發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)用。發(fā)電機(jī)采用基波零序電壓定子接地保護(hù)方式。TV1的開口三角零序電壓3UO和中性點(diǎn)的零序電壓UO同時(shí)大于整定值時(shí)定子接地保護(hù)動(dòng)作,即定子接地保護(hù)邏輯為 3UO和UO與的關(guān)系。

2 故障原因分析

圖1 3號(hào)發(fā)電機(jī)的接線圖

2.1 定子接地保護(hù)動(dòng)作

吉林省某電廠 3號(hào)發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-200-2,定子額定電壓為 15.75 kV,定子額定電流為8 625 A。2012年 3月 11日 23:34:52 3號(hào)機(jī)發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作切機(jī),故障時(shí)3號(hào)發(fā)電機(jī)負(fù)荷為90 MW,定子 U、V、W三相電流為:3 420 A、3 428 A、3 465 A,轉(zhuǎn)子電壓 192 V,轉(zhuǎn)子電流 937 A。

3號(hào)機(jī)發(fā)變組保護(hù) A、B屏來“定子零序電壓”、“外部重動(dòng) 1跳閘”報(bào)警信號(hào),保護(hù)裝置及故障錄波器動(dòng)作。發(fā)變組保護(hù)A、B屏發(fā)電機(jī)電壓波形幅值:U相UFU1為 49.48 V,V相UFV1為 70.02 V,W相UFW1為 59.55 V,發(fā)電機(jī)出口零序電壓UN為20.93 V,中性點(diǎn)零序電壓為 12.11 V,定子基波零序電壓保護(hù)定值為 12 V、2 s,達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值,保護(hù)作用于全停(23:34:54)。

2.2 故障原因分析

對(duì) 3號(hào)發(fā)電機(jī)一次、二次回路進(jìn)行檢查,發(fā)電機(jī)出口電壓互感器二次回路絕緣電阻合格、接線正確,定子接地保護(hù)邏輯正確。發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣電阻測(cè)量和直流耐壓試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常;封閉母線絕緣試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常;主變低壓側(cè)、高廠變高壓側(cè)、勵(lì)磁變、避雷器絕緣電阻測(cè)量和耐壓試驗(yàn)結(jié)果合格。對(duì)發(fā)電機(jī)出口及中性點(diǎn)共 10臺(tái)電壓互感器(TV1、TV2、TV3、TVN)進(jìn)行了相差比差和感應(yīng)耐壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)出口 W相電壓互感器(TV1)相差比差和感應(yīng)耐壓不合格。因此可以確定故障原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)出口W相電壓互感器(TV1)發(fā)生匝間短路,導(dǎo)致發(fā)電機(jī) U、V、W三相對(duì)地電壓不平衡,定子零序電壓接地保護(hù)動(dòng)作。

3 3號(hào)機(jī)組三相電壓變化分析

3.1 故障分析條件假設(shè)

故障分析條件假設(shè):

a.發(fā)電機(jī)內(nèi)阻抗忽略;

b.發(fā)電機(jī)出口及中性點(diǎn)對(duì)地電容忽略;

c.發(fā)電機(jī)出口W相電壓互感器(TV1)出現(xiàn)匝間短路故障,且系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

3.2 三相電壓不平衡分析

等效電路圖如圖2所示。發(fā)電機(jī)機(jī)端正常運(yùn)行相電壓互感器阻抗為Z,故障相電壓互感器阻抗為,中性點(diǎn)電壓互感器阻抗為ZN。

設(shè)電流參考方向與相應(yīng)電壓或電動(dòng)勢(shì)方向相同,由節(jié)點(diǎn)電流平衡原理可得:

由式(2)化簡可得:

3.3 3號(hào)發(fā)電機(jī)三相不平衡電壓分析

圖2 故障分析等效電路圖

圖3 中性點(diǎn)電壓矢量圖

3號(hào)發(fā)電機(jī)出口三相和中性點(diǎn)電壓互感器型號(hào)相同,額定電壓比為發(fā)電機(jī)出口電壓互感器變比為 15.75/中性點(diǎn)電壓互感器變比為 15.75/

發(fā)電機(jī)出口電壓互感器保護(hù)動(dòng)作時(shí),U相UFU1為 49.48 V,V相 UFV1為 70.02 V,W相 UFW1為59.55 V。由于故障錄波測(cè)量各相電壓取自 TV1,故障電壓互感器為 TV1的 W相,因此 W相所測(cè)59.55 V非準(zhǔn)確值。

由公式(3)、圖3可知:

由圖3示矢量圖計(jì)算得到 W相電壓值UF W1為55.45 V(二次值)。

中性點(diǎn)電壓計(jì)算值為:

對(duì)于中性點(diǎn)電壓而言,其計(jì)算值(7.30 V)小于實(shí)際值(12.11 V),造成這種情況的原因?yàn)橛捎诠收蠒r(shí)發(fā)電機(jī)的定子電壓中存在三次諧波分量,其對(duì)中性點(diǎn)電壓有貢獻(xiàn)。

3.4 三相電壓不平衡定量分析

中性點(diǎn)偏移造成三相對(duì)地電壓不對(duì)稱,在已知中性點(diǎn)電壓UNN′的大小及其與W相電壓UW所成角度(j)的情況下,根據(jù)余弦定理可以計(jì)算得出另外兩相電壓的模值:

j的大小(0～180°)定性決定著三相電壓模的大小關(guān)系,分析如下:

a.當(dāng) 0°≤j＜ 60°,|UW|≤|UU|＜|UV|

b.當(dāng) 60°≤j＜ 120°,|UU|≤|UW|＜|UV|

c. 當(dāng) 120°≤j＜ 180°,|UU|≤|UW|＜|UV|

由圖3可知,3號(hào)機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作造成中性點(diǎn)電壓偏移角度屬于上述分析的第2種情況:

j=76°,|UU|≤|UW|＜|UV|

4 結(jié)論

發(fā)電機(jī)出口任一相電壓互感器發(fā)生故障時(shí),都將導(dǎo)致 U、V、W三相對(duì)地電壓不平衡,在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器二次的開口三角繞組與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓互感器二次產(chǎn)生基波零序電壓,基波零序電壓的大小受故障程度的影響,兩者同時(shí)達(dá)到整定值時(shí),定子接地保護(hù)動(dòng)作。

中性點(diǎn)對(duì)地電壓的幅值和滯后故障相發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)的角度有著定量關(guān)系,因此可以根據(jù)故障錄波中的中性點(diǎn)對(duì)地電壓波形與發(fā)電機(jī)U、V、W三相定子電動(dòng)勢(shì)波形來確定造成的定子接地保護(hù)動(dòng)作的電壓互感器故障相,即通過發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)對(duì)地電壓的波形滯后于某相電動(dòng)勢(shì)波形來確定故障相。

[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[Z].北京:中國電力出版社,2001.